大功率變頻電源輸出特性和實驗分析??

摘要：分析了各種負載（包括純阻性負載，感性負載，容性負載，非線性負載）下，大功率變頻電源的輸出特性。實驗結果表明該變頻電源在各種不同性質的負載下輸出電壓及頻率都很穩定。

關鍵詞：變頻器；輸出特性；波形分析

0??? 引言

??? 眾所周知，我們所使用的市電頻率是50Hz，但是，在實際生活中，有時需要的電源頻率不是50Hz，這就需要變頻電源。對一個電源來說，用戶期望它在各種性質的負載下，都能輸出穩定的電壓，變頻電源也不例外。因此，有必要研究變頻電源在各種性質的負載（純阻性，感性，容性，非線性）下的輸出特性。

1??? 實驗方案

??? 本實驗的接線框圖如圖1所示。

圖1??? 實驗接線框圖

??? 50Hz的三相電網電壓經變頻器整流逆變后，輸出頻率可變（用戶可自行調節輸出頻率）的正弦波，經LC濾波后，再經過升壓變壓器（作用是升壓和隔離）加到三相負載上。三相負載可以是純阻性，感性，容性和非線性。

??? 本實驗期望得到的結果是，當變頻器的輸出電壓和輸出頻率設定為固定值時，此變頻電源裝置能在各種性質的負載下，輸出穩定的電壓和頻率。

2??? 參數選擇

2．1??? 變頻器

??? 本實驗用的變頻器是SIEMENS公司的MIDIMASTER VECTOR（MDV），它的輸出功率是7.5kW，額定輸入電壓380V，輸出電壓可調，輸入頻率50Hz，輸出頻率可調。

2．2??? 變壓器及濾波參數

??? 由于變頻器輸入額定電壓是380V，輸出電壓在0～380V范圍內可調，本實驗設定變頻器輸出電壓最高為300V，因此，就需要一個升壓變壓器，變比為300/380，使加在負載兩端的電壓為380V。

??? 由于采用的濾波電路為LC濾波，其濾波電感和電容須滿足式（1）

??? ≤（1）

式中：f_s為變頻器的開關頻率，f_s=4kHz；

????? f₁取為fs。

??? 所以==1789Hz

??? 如果取L=7mH，C=1.5μF，則=1553Hz滿足式（1）。

2．3??? 負載參數

??? 在純阻性負載實驗中，每相均采用5個250Ω，額定功率200W的電阻串聯；在感性負載實驗中，每相均采用3個250Ω/200W的電阻并聯，然后再跟62mH的電感串聯組成感性負載；在容性負載實驗中，每相用3個10Ω/250W的電阻串聯，再跟70μF的電容串聯組成容性負載，另外，每相用5個250Ω/200W的電阻并聯，再跟70μF的電容并聯也組成容性負載；在非線性負載實驗中，采用額定電壓為800V，額定電流為20A的整流橋作為非線性負載。

3??? 實驗過程及分析

??? 按圖1接線，其中三相濾波電感L均為7mH，三相濾波電容均為1.5μF，變壓器采用△/Y接法，變比是300/380，變頻器輸出頻率設定為60Hz，然后接不同性質的負載進行實驗。

3．1??? 純阻性負載實驗及分析

??? 三相負載均采用五個250Ω/200W的陶瓷電阻串聯，輸出電壓為300V，當確認一切接線都沒有問題時，開始實驗，測得波形如圖2所示。分析及說明如下：

??? 1）由于變頻器輸出電壓為300V，則變壓器輸入電壓接近300V，而變壓器變比是300/380，所以，理論上變壓器輸出電壓為380V，其峰值為537V；

??? 2）實驗中，通過觀察圖2中的波形，得到變壓器輸出電壓峰值的實驗值為540V，接近理論值；

??? 3）用頻譜分析儀觀察諧波分布，看到4kHz的諧波與60Hz基波相差最大，有30dB，即諧波約占基波的3.16％。

圖2??? 純阻性負載兩端電壓波形

3．2??? 感性負載實驗及分析

??? 把圖1中的負載換成感性，其中每相均用3個250Ω/200W電阻并聯，再跟63mH的電感串聯，三相負載接成星形，輸出電壓為300V，當確認一切接線均沒有問題后，開始實驗，測得波形如圖3所示。分析及說明如下：

圖3??? 感性負載下變壓器輸出電壓波形

??? 1）用頻譜分析儀觀察諧波分布，發現此種情況下300Hz以內諧波及4kHz，8kHz諧波與60Hz的基波相差30dB左右，即諧波成分約占基波的3.16％，其余次數的諧波含量更低，表明濾波效果良好；

??? 2）為了進一步改善波形，嘗試把每相濾波電感由7mH換為10mH，再觀察諧波分布，發現高次諧波（4kHz，8kHz）與基波相差33.6dB，波形有所改善，如圖4所示；

圖4??? 感性負載下變壓器輸出電壓改善波形

??? 3）由于本次實驗所用電感的漆包線比較細，不能承受很大的電流，因此，把變頻器輸出電壓調節為230V，此時理論上變壓器輸出電壓峰值應為412V，觀察圖3波形,發現實驗值為420V，基本接近理論值。

3．3??? 容性負載實驗及分析

3．3．1??? 電阻與電容串聯

??? 把圖1的負載換成三相容性負載,每相均由3個10Ω/250W的電阻串聯，再與70μF的電容串聯，變頻器輸出電壓為298.4V，測得波形如圖5所示。分析與說明如下：

圖5??? 容性負載下變壓器A相輸出電壓波形

??? 用頻譜分析儀觀察諧波分布狀況，發現最高次諧波為高次諧波（4kHz，8kHz），其倍頻與基波相差35dB，即諧波成分占基波的1.8％，濾波效果非常好，有高次諧波，是因為變頻器的開關頻率為4kHz。

3．3．2??? 電阻與電容并聯

??? 再把負載換成每相均由5個250Ω/200W的電阻并聯，再與70μF的電容并聯，變頻器輸出電壓為303V，測得波形如圖6所示。

圖6??? 容性負載下變壓器輸出電壓波形

3．4??? 非線性負載實驗及分析

??? 把圖1的負載換成額定電壓為800V，額定電流為20A的整流橋作為非線性負載，變頻器輸出電壓為300V，檢查一切接線均無問題后，開始實驗，實驗情況如下：

??? 1）整流橋輸出電壓波形，如圖7所示，其理論值為515V，觀察波形，實驗值為520V，相差不大，實驗效果還可以；

圖7??? 整流橋輸出電壓波形

??? 2）變壓器輸出電壓波形，如圖8所示。用頻譜分析儀觀察諧波分布，發現諧波比較厲害，其中300Hz的諧波最厲害，與60Hz基波相差20.6dB;120Hz，240Hz，1.2kHz，4kHz，8kHz諧波也較厲害，其中4kHz的諧波與基波相差28.8dB，8kHz的諧波與基波相差34dB；

圖8??? 非線性負載下變壓器的輸出電壓波形

??? 3）嘗試把濾波電容由1．5μF變為3μF，發現高頻部分諧波有所減小，波形更接近正弦波；

??? 4）再把濾波電感由7mH變為10mH，發現諧波分布無明顯變化。

3．5??? 實驗結果總結

??? 在綜合分析了上述實驗波形及數據后，總結如下：

??? 1）當變頻器輸出頻率設定為60Hz時，變頻電源在各種性質的負載下輸出頻率也為60Hz，波動很小，符合設計要求；

??? 2）在純阻性負載情況下，變頻器輸出電壓設定為300V，變頻電源輸出電壓峰值為540V，在510V

～564V的范圍內（理論值的波動在±5％范圍內）；

??? 3）在感性負載情況下，由于所用電感的漆包線比較細，承受電流比較小，最多3A，因此，把變頻器輸出電壓調節為230V，此時變頻電源輸出電壓峰值為420V，照此推論，如果變頻器輸出電壓為300V，則變頻電源輸出電壓峰值為549V，也在510V～564V的范圍內，滿足要求；

??? 4）在容性負載情況下，當電阻與電容串聯時，變頻器輸出電壓為298.4V，變頻電源輸出電壓峰值為530V；當電阻與電容并聯時，變頻器輸出電壓為303V，變頻電源輸出電壓峰值為540V；

??? 5）在非線性負載情況下，變頻器輸出電壓仍然設定為300V，此時變頻電源輸出電壓峰值為530V，也在510V～564V的范圍內，同樣滿足要求。

4??? 結語

??? 本次實驗的目的是想做一個大功率變頻電源,它應該能在各種性質的負載下，輸出穩定的電壓和頻率，電壓波動在±5％之內，即如果設定變頻器輸出線電壓為300V，變壓器輸出線電壓峰值應該在510V～564V的范圍內變化。由于實驗設備及元器件的局限性，本次實驗并沒有完全達到理想的效果，各種負載下的功率并沒有達到期望的7500W（每相2500W）。但是，在充分利用已有設備的前提下，還是得到了比較滿意的結果，除了容性負載以外，其他負載下的輸出電壓都比較穩定，基本上都在510V～564V范圍內變化，并且除了非線性負載外（非線性負載因其自身輸出電流不連續的特點，決定了其諧波分布必定比較厲害，用LC濾波無法很好地達到理想效果），濾波效果都非常好，基本控制在3％～5％之內。