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大功率變頻電源輸出特性和實(shí)驗(yàn)分析
摘要：分析了各種負(fù)載（包括純阻性負(fù)載，感性負(fù)載，容性負(fù)載，非線性負(fù)載）下，大功率變頻電源的輸出特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該變頻電源在各種不同性質(zhì)的負(fù)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
引言
眾所周知，我們所使用的市電頻率是50Hz，但是，在實(shí)際生活中，有時(shí)需要的電源頻率不是50Hz，這就需要變頻電源。對(duì)一個(gè)電源來(lái)說(shuō)，用戶期望它在各種性質(zhì)的負(fù)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(fù)載（純阻性，感性，容性，非線性）下的輸出特性。
1實(shí)驗(yàn)方案
本實(shí)驗(yàn)的接線框圖如圖1所示。
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(guò)升壓變壓器（作用是升壓和隔離）加到三相負(fù)載上。三相負(fù)載可以是純阻性，感性，容性和非線性。
本實(shí)驗(yàn)期望得到的結(jié)果是，當(dāng)變頻器的輸出電壓和輸出頻率設(shè)定為固定值時(shí)，此變頻電源裝置能在各種性質(zhì)的負(fù)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(shí)驗(yàn)用的變頻器是SIEMENS公司的MIDIMASTERVECTOR（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(shí)驗(yàn)設(shè)定變頻器輸出電壓最高為300V，因此，就需要一個(gè)升壓變壓器，變比為300/380，使加在負(fù)載兩端的電壓為380V。
由于采用的濾波電路為L(zhǎng)C濾波，其濾波電感和電容須滿足式（1）
1/2μ（根號(hào)LC）≤根號(hào)f1fs（1）
式中：fs為變頻器的開關(guān)頻率，fs=4kHz；
f1取為fs。
所以根號(hào)f1fs=根號(hào)（800×4000）=1789Hz
如果取L=7mH，C=1.5μF，則=1/[2π(根號(hào)LC）]
1553Hz滿足式（1）。
2．3負(fù)載參數(shù)
在純阻性負(fù)載實(shí)驗(yàn)中，每相均采用5個(gè)250Ω，額定功率200W的電阻串聯(lián)；在感性負(fù)載實(shí)驗(yàn)中，每相均采用3個(gè)250Ω/200W的電阻并聯(lián)，然后再跟62mH的電感串聯(lián)組成感性負(fù)載；在容性負(fù)載實(shí)驗(yàn)中，每相用3個(gè)10Ω/250W的電阻串聯(lián)，再跟70μF的電容串聯(lián)組成容性負(fù)載，另外，每相用5個(gè)250Ω/200W的電阻并聯(lián)，再跟70μF的電容并聯(lián)也組成容性負(fù)載；在非線性負(fù)載實(shí)驗(yàn)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(fù)載。
3實(shí)驗(yàn)過(guò)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(fù)載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
3．1純阻性負(fù)載實(shí)驗(yàn)及分析
三相負(fù)載均采用五個(gè)250Ω/200W的陶瓷電阻串聯(lián)，輸出電壓為300V，當(dāng)確認(rèn)一切接線都沒(méi)有問(wèn)題時(shí)，開始實(shí)驗(yàn)，測(cè)得波形如圖2所示。分析及說(shuō)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(shí)驗(yàn)中，通過(guò)觀察圖2中的波形，得到變壓器輸出電壓峰值的實(shí)驗(yàn)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％。
3．2感性負(fù)載實(shí)驗(yàn)及分析
把圖1中的負(fù)載換成感性，其中每相均用3個(gè)250Ω/200W電阻并聯(lián)，再跟63mH的電感串聯(lián)，三相負(fù)載接成星形，輸出電壓為300V，當(dāng)確認(rèn)一切接線均沒(méi)有問(wèn)題后，開始實(shí)驗(yàn)，測(cè)得波形如圖3所示。分析及說(shuō)明如下：
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(jìn)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；
3）由于本次實(shí)驗(yàn)所用電感的漆包線比較細(xì)，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(shí)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(shí)驗(yàn)值為420V，基本接近理論值。
3．3容性負(fù)載實(shí)驗(yàn)及分析
3．3．1電阻與電容串聯(lián)
把圖1的負(fù)載換成三相容性負(fù)載,每相均由3個(gè)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(cè)得波形如圖5所示。分析與說(shuō)明如下：
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?yàn)樽冾l器的開關(guān)頻率為4kHz。
3．3．2電阻與電容并聯(lián)
再把負(fù)載換成每相均由5個(gè)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(cè)得波形如圖6所示。
3．4非線性負(fù)載實(shí)驗(yàn)及分析
把圖1的負(fù)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(fù)載，變頻器輸出電壓為300V，檢查一切接線均無(wú)問(wèn)題后，開始實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)值為520V，相差不大，實(shí)驗(yàn)效果還可以；
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；
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(wú)明顯變化。
3．5實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)
在綜合分析了上述實(shí)驗(yàn)波形及數(shù)據(jù)后，總結(jié)如下：
1）當(dāng)變頻器輸出頻率設(shè)定為60Hz時(shí)，變頻電源在各種性質(zhì)的負(fù)載下輸出頻率也為60Hz，波動(dòng)很小，符合設(shè)計(jì)要求；
2）在純阻性負(fù)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(dòng)在±5％范圍內(nèi)）；
3）在感性負(fù)載情況下，由于所用電感的漆包線比較細(xì)，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(shí)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(fù)載情況下，當(dāng)電阻與電容串聯(lián)時(shí)，變頻器輸出電壓為298.4V，變頻電源輸出電壓峰值為530V；當(dāng)電阻與電容并聯(lián)時(shí)，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(fù)載情況下，變頻器輸出電壓仍然設(shè)定為300V，此時(shí)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(yǔ)
本次實(shí)驗(yàn)的目的是想做一個(gè)大功率變頻電源,它應(yīng)該能在各種性質(zhì)的負(fù)載下，輸出穩(wěn)定的電壓和頻率，電壓波動(dòng)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(shí)驗(yàn)設(shè)備及元器件的局限性，本次實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有完全達(dá)到理想的效果，各種負(fù)載下的功率并沒(méi)有達(dá)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(fù)載以外，其他負(fù)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(fù)載外（非線性負(fù)載因其自身輸出電流不連續(xù)的特點(diǎn)，決定了其諧波分布必定比較厲害，用LC濾波無(wú)法很好地達(dá)到理想效果），濾
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