大功率變頻電源輸出特性和實驗分析

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(jié)果表明該變頻電源在各種不同性質(zhì)的負載下輸出電壓及頻率都很穩(wěn)定。

關(guān)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(zhì)的負載下，都能輸出穩(wěn)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(zhì)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(wǎng)電壓經(jīng)變頻器整流逆變后，輸出頻率可變（用戶可自行調(diào)節(jié)輸出頻率）的正弦波，經(jīng)LC濾波后，再經(jīng)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(jié)果是，當變頻器的輸出電壓和輸出頻率設(shè)定為固定值時，此變頻電源裝置能在各種性質(zhì)的負載下，輸出穩(wěn)定的電壓和頻率。

2??? 參數(shù)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(diào)，輸入頻率50Hz，輸出頻率可調(diào)。

2．2??? 變壓器及濾波參數(shù)

??? 由于變頻器輸入額定電壓是380V，輸出電壓在0～380V范圍內(nèi)可調(diào)，本實驗設(shè)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(guān)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(shù)

??? 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(lián)；在感性負載實驗中，每相均采用3個250Ω/200W的電阻并聯(lián)，然后再跟62mH的電感串聯(lián)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(lián)，再跟70μF的電容串聯(lián)組成容性負載，另外，每相用5個250Ω/200W的電阻并聯(lián)，再跟70μF的電容并聯(lián)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(shè)定為60Hz，然后接不同性質(zhì)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(lián)，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(lián)，再跟63mH的電感串聯(lián)，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(fā)現(xiàn)此種情況下300Hz以內(nèi)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(shù)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(fā)現(xiàn)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(diào)節(jié)為230V，此時理論上變壓器輸出電壓峰值應(yīng)為412V，觀察圖3波形,發(fā)現(xiàn)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(lián)

??? 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(lián)，再與70μF的電容串聯(lián)，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(fā)現(xiàn)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(guān)頻率為4kHz。

3．3．2??? 電阻與電容并聯(lián)

??? 再把負載換成每相均由5個250Ω/200W的電阻并聯(lián)，再與70μF的電容并聯(lián)，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(fā)現(xiàn)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?yōu)?μF，發(fā)現(xiàn)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?yōu)?0mH，發(fā)現(xiàn)諧波分布無明顯變化。

3．5??? 實驗結(jié)果總結(jié)

??? 在綜合分析了上述實驗波形及數(shù)據(jù)后，總結(jié)如下：

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

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

～564V的范圍內(nèi)（理論值的波動在±5％范圍內(nèi)）；

??? 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(diào)節(jié)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(nèi)，滿足要求；

??? 4）在容性負載情況下，當電阻與電容串聯(lián)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(lián)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(shè)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(nèi)，同樣滿足要求。

4??? 結(jié)語

??? 本次實驗的目的是想做一個大功率變頻電源,它應(yīng)該能在各種性質(zhì)的負載下，輸出穩(wěn)定的電壓和頻率，電壓波動在±5％之內(nèi)，即如果設(shè)定變頻器輸出線電壓為300V，變壓器輸出線電壓峰值應(yīng)該在510V～564V的范圍內(nèi)變化。由于實驗設(shè)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(shè)備的前提下，還是得到了比較滿意的結(jié)果，除了容性負載以外，其他負載下的輸出電壓都比較穩(wěn)定，基本上都在510V～564V范圍內(nèi)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(xù)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(nèi)。