变频器谐波分析误差探讨

变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向。变频器作为调速系统的核心，其性能成为决定调速系统性能优劣的重要因素。对变频器的输出波形测试及谐波分析，是调速系统研发、试验中不可缺少的环节。

变频器的输入输出都不是标准的正弦波，特别是输出PWM波中含有大量的高次谐波，采用一般的功率分析仪及谐波分析方法存在较大的误差。

一、采样频率不够造成变频器谐波分析误差

对变频器输出波形进行分析时首先要对信号进行采样，根据采样定理，采样频率fs必须大于信号最高频率fm的两倍(fs≥2fm)才能得到信号全部的频谱。当fs<2fm时，频率最高只能得到fs/2,信号中频率高于fs/2的部分会被重建成低于fs/2的混叠信号，造成频谱混叠，产生严重的误差。

二、测量仪器实际带宽不够造成变频器谐波分析误差

为了避免混叠现象，一般的功率分析仪通常的做法是加入抗混叠滤波器来限制信号带宽，将变频器输出PWM波中高于fs/2的信号过滤掉。抗混叠滤波器的带宽就是分析仪实际带宽。这种将谐波先滤除，再进行谐波分析的做法，分析结果误差非常大，甚至可以说分析结果是错误的。

三、分析算法造成变频器谐波分析误差

目前，绝大部分分析仪都是采用FFT算法进行谐波分析。采用FFT谐波分析，首先将信号截取一段数据序列，再对信号进行采样，最后作FFT变换 将信号进行频域离散化。由于FFT的特性，要求截取的数据序列必须包含整数个信号周期，并且数据序列中采样的点数必须是2的N次幂。实际上， 进行FFT变换采用的信号周期为上一个检测到的信号周期，由于变频器输出的信号周期并非是完全稳定不变的，所以势必会造成误差。从FFT的要求可以看 出，FFT算法的局限性是很明显的：如果从信号中截取的数据序列并不是整数个信号周期，会造成频谱泄漏现象，产生严重误差。

利用FFT谐波分析时，频谱泄漏影响了谐波分析的测量精度，而导致频谱泄漏的最根本原因是采样中周期同步的误差。应对频谱泄漏现象，一般分析仪的做法是采用加窗函数(如汉宁窗、布莱克曼窗等)处理，这种做法只是一定程度的抑制频谱泄漏，并且可以说是又带入了新的误差。

四、测量精度造成变频器谐波分析误差

变频器谐波分析是建立在对电信号的测量基础上的，功率分析仪对电信号测量产生的误差，势必会引起分析结果的误差。减小测量误差对谐波分析的影响，选择一款真正高精度功率分析仪是关键。

五、计算误差

在电信号采样为功率分析仪能处理的数字信号后，需要根据公式来计算如有效值、平均值、功率、总谐波失真、谐波因数等相关参数，这个过程会带入计算误差。

六、选择合适的功率分析仪

针对变频器谐波分析中误差的来源，可以对功率分析仪提出以下几点要求：

● 采样频率应足够高，满足变频器谐波分析的要求，不低于200kHz。

● 带宽应高于6倍变频器的开关频率，综合考虑，带宽应不低于100kHz。

● 谐波分析算法采用对数据序列整周期、点数没有要求的DFT算法。

● 具有强大的硬件支撑，满足DFT算法对于计算速度、计算量的需求。

● 采用具有明确误差参比条件，并且参比条件包含实际使用条件的高精度功率分析仪。