高频电能信号谐波分析算法的研究

发布时间：2020-11-06 01:49

　　 高速电机由于转速较高,运行频率普遍较高,为了使变频器保证一定的载波比,通常会使用极高的载波频率,因此高速电机的电压、电流波形中会引入与载波频率相关的高频谐波,增加电机的电磁损耗,同时也使得电机内的磁场更加复杂。针对电压信号的谐波分析,可以有效帮助分析变频器中引入谐波的规律,而针对电流信号的谐波分析,则可以分析电机本体设计上的缺陷,因此,高精度的谐波分析对于高速电机系统具有重要的意义。本文以高速电机的电能信号为研究对象,对谐波分析算法展开了研究。首先,针对最常用的傅里叶分析方法进行原理分析,并分析对有限离散序列分析产生的频谱泄漏的机理。采用加窗插值法减小频谱泄漏的影响,根据不同的窗函数特性展开研究;基于加窗后的分析结果,采用单峰谱线插值算法,探究不同参数选择对幅值与频率的修正结果的影响。其次,由于加窗插值的办法多针对单成分信号效果较好,因此提出基于自适应变采样率的改进快速傅里叶分析方法,并建立了搜索最优采样率的参数化搜索模型和基于二分法的快速搜索方法,从频谱泄漏的本质出发,通过搜寻最优采样率,来最大限度地减小频谱泄漏的影响。考虑到高速电机中的电能信号中会同时包含多种整数次和非整数次的谐波,后者极易被大幅值分量淹没,因此以自回归谱估计法为核心建立了高分辨率谐波分析算法,通过构建信号模型,求解模型参数来计算信号各分量的频率;同时,搭建自适应线性神经网络模型,建立了高精度的幅值与频率求解方法。为验证算法的有效性,开展了半实物仿真实验与高速电机电能信号实验,并对采集的信号进行谐波分析。先通过函数信号发生器输出指定参数的组合信号序列的方式进行半实物仿真实验,对采集的数据进行谐波分析,并与设定值比较,探究算法的有效性及精度;再通过高速电机测试平台采集实际的电压、电流信号进行谐波分析,比较不同分析方法下,高速电机中包含的谐波差异。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM711
【部分图文】：

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文德国 ZIMMER 等厂家。国外品牌的功率分析仪的核心谐波检测算法都采用的是傅里叶变换（DFT/FFT），但各自还会集成专属的数值处理算法，因此谐波检测精度也不尽相同。其中较为熟知的是横河的 WT 系列与福禄克的 Norma 系列。1.3.1 国外品牌功率分析仪日本恒河 WT3000 作为横河最高端的功率分析仪，曾经占据了高端功率分析 仪 市 场 的 大 部 分 市 场 份 额 。 WT3000 是 横 河 功 率 分 析 仪 的 旗 舰 ，（0.02%rd+0.04%Fs）的基本功率精度确实让众多功率分析仪难以望其项背，但是该精度仅在工频（45~66）Hz 正弦波范围可以达到，其它频段精度有较为明显的下降[42]；另外，由于 WT3000 的采样率为 200kHz，故可进行高精度谐波分析的信号基频最大值仅为 2.6kHz。如图 1-2 a)和 b)所示为 WT3000 的功率测量精度和电参数测量精度随频率变化的特性曲线，可见当信号中存在频率大于等于 100kHz 的成分时，测量误差会逐渐增大。

a) Fluke Norma 4000/5000b) Fluke 438-Ⅱ图 1-3 Fluke 功率分析仪产品其他品牌的功率分析仪如日本的日置公司推出的高精度宽频带功率分PW6001，带宽达到 2MHz，功率测量精度达到(0.05%rd+0.06%Fs)，另外由备了采样率高达 5MHz 的采集装置，故对于基波频率为（0.1~300k）Hz 的均可进行有效测量，有效带宽为 1.5MHz，谐波次数标配为 100 次[46]。而德国的 ZES ZIMMER 公司推出基于全新架构的功率分析仪 LMG6同于传统的功率分析仪，设计师对它的信号调理方案进行了重新设计，并开发出 Dual Path 架构。LMG670 是世界上第一台在每个电压和电流通道都个 A/D 转换器在两个独立信号路径的功率分析仪。一个用于宽频带信号的波测量，另一个用于抗混淆滤波器输出的窄频带信号测量[47]。因此，LM不仅具有超高的精度（0.015%rd+0.01%Fs），1.2MHz 的采样率还让其具宽的检测频带，即便在高频下也能进行精确的测量，常被用于超高速电机试实验。1.3.2 国内品牌功率分析仪

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表 2-1（续表）三角窗 主瓣宽，旁瓣小，无负旁瓣 窄带信号，干扰较强Hanning 窗主瓣宽，旁瓣小，分析带宽加宽，频率分辨率下降随机或未知的复杂信号Hamming 窗与 Hanning 窗相似，旁瓣更小，旁瓣衰减速度比 Hanning 窗慢随机或未知的复杂信号Kaiser 窗可调参数自由选择主瓣宽度和旁瓣衰减速度的比重信号适应范围较广Blackman 窗 主瓣宽，旁瓣小，频率精度低，幅值精度高 频率相近、幅值不同的信号Nuttall 窗旁瓣小，旁瓣衰减速度极快，高阶窗函数计算量小成分少，短泄漏信号同时，易观察到Nuttall窗的旁瓣小，且衰减速度远超 Hanning窗和Hamming窗，但也是以牺牲主瓣宽度为代价，这样会导致 Nuttall 窗在主瓣附近的频率分析能力降低；而旁瓣最大且衰减最慢的矩形窗，却拥有最窄的主瓣，因此矩形窗的频率识别精度较高。
【参考文献】

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本文编号：2872490