大功率变频电源输出特性和实验分析_电源技术论文
关键词：变频器；输出特性；波形分析
引言
众所周知，我们所使用的市电频率是50hz，但是，在实际生活中，有时需要的电源频率不是50hz，这就需要变频电源。对一个电源来说，用户期望它在各种性质的负载下，都能输出稳定的电压，变频电源也不例外。因此，有必要研究变频电源在各种性质的负载（纯阻性，感性，容性，非线性）下的输出特性。
1 实验方案
本实验的接线框图如图1所示。
50hz的三相电网电压经变频器整流逆变后，输出频率可变（用户可自行调节输出频率）的正弦波，经lc滤波后，再经过升压变压器（作用是升压和隔离）加到三相负载上。三相负载可以是纯阻性，感性，容性和非线性。
本实验期望得到的结果是，当变频器的输出电压和输出频率设定为固定值时，此变频电源装置能在各种性质的负载下，输出稳定的电压和频率。
2 参数选择
2．1 变频器
本实验用的变频器是siemens公司的midimastervector（mdv），它的输出功率是7.5kw，额定输入电压380v，输出电压可调，输入频率50hz，输出频率可调。
2．2 变压器及滤波参数
由于变频器输入额定电压是380v，输出电压在0～380v范围内可调，本实验设定变频器输出电压最高为300v，因此，就需要一个升压变压器，变比为300/380，使加在负载两端的电压为380v。
由于采用的滤波电路为lc滤波，其滤波电感和电容须满足式（1）
1/2μ（根号lc）≤根号f1fs （1）
式中：fs为变频器的开关频率，fs=4khz；
f1取为fs。
所以根号f1fs=根号（800×4000）=1789hz
如果取l=7mh，c=1.5μf，则=1/[2π(根号lc）]
1553hz满足式（1）。
2．3 负载参数
在纯阻性负载实验中，每相均采用5个250Ω，额定功率200w的电阻串联；在感性负载实验中，每相均采用3个250Ω/200w的电阻并联，然后再跟62mh的电感串联组成感性负载；在容性负载实验中，每相用3个10Ω/250w的电阻串联，再跟70μf的电容串联组成容性负载，另外，每相用5个250Ω/200w的电阻并联，再跟70μf的电容并联也组成容性负载；在非线性负载实验中，采用额定电压为800v，额定电流为20a的整流桥作为非线性负载。
3 实验过程及分析
按图1接线，其中三相滤波电感l均为7mh，三相滤波电容均为1.5μf，变压器采用△/y接法，变比是300/380，变频器输出频率设定为60hz，然后接不同性质的负载进行实验。
3．1 纯阻性负载实验及分析
三相负载均采用五个250Ω/200w的陶瓷电阻串联，输出电压为300v，当确认一切接线都没有问题时，开始实验，测得波形如图2所示。分析及说明如下：
1）由于变频器输出电压为300v，则变压器输入电压接近300v，而变压器变比是300/380，所以，理论上变压器输出电压为380v，其峰值为537v；
2）实验中，通过观察图2中的波形，得到变压器输出电压峰值的实验值为540v，接近理论值；
3）用频谱分析仪观察谐波分布，看到4khz的谐波与60hz基波相差最大，有30db，即谐波约占基波的3.16％。
3．2 感性负载实验及分析
把图1中的负载换成感性，其中每相均用3个250Ω/200w电阻并联，再跟63mh的电感串联，三相负载接成星形，输出电压为300v，当确认一切接线均没有问题后，开始实验，测得波形如图3所示。分析及说明如下：
1）用频谱分析仪观察谐波分布，发现此种情况下300hz以内谐波及4khz，8khz谐波与60hz的基波相差30db左右，即谐波成分约占基波的3.16％，其余次数的谐波含量更低，表明滤波效果良好；
2）为了进一步改善波形，尝试把每相滤波电感由7mh换为10mh，再观察谐波分布，发现高次谐波（4khz，8khz）与基波相差33.6db，波形有所改善，如图4所示；
3）由于本次实验所用电感的漆包线比较细，不能承受很大的电流，因此，把变频器输出电压调节为230v，此时理论上变压器输出电压峰值应为412v，观察图3波形,发现实验值为420v，基本接近理论值。
3．3 容性负载实验及分析
3．3．1 电阻与电容串联
把图1的负载换成三相容性负载,每相均由3个10Ω/250w的电阻串联，再与70μf的电容串联，变频器输出电压为298.4v，测得波形如图5所示。分析与说明如下：
用频谱分析仪观察谐波分布状况，发现最高次谐波为高次谐波（4khz，8khz），其倍频与基波相差35db，即谐波成分占基波的1.8％，滤波效果非常好，有高次谐波，是因为变频器的开关频率为4khz。
3．3．2 电阻与电容并联
再把负载换成每相均由5个250Ω/200w的电阻并联，再与70μf的电容并联，变频器输出电压为303v，测得波形如图6所示。
3．4 非线性负载实验及分析
把图1的负载换成额定电压为800v，额定电流为20a的整流桥作为非线性负载，变频器输出电压为300v，检查一切接线均无问题后，开始实验，实验情况如下：
1）整流桥输出电压波形，如图7所示，其理论值为515v，观察波形，实验值为520v，相差不大，实验效果还可以；
2）变压器输出电压波形，如图8所示。用频谱分析仪观察谐波分布，发现谐波比较厉害，其中300hz的谐波最厉害，与60hz基波相差20.6db;120hz，240hz，1.2khz，4khz，8khz谐波也较厉害，其中4khz的谐波与基波相差28.8db，8khz的谐波与基波相差34db；
3）尝试把滤波电容由1．5μf变为3μf，发现高频部分谐波有所减小，波形更接近正弦波；
4）再把滤波电感由7mh变为10mh，发现谐波分布无明显变化。
3．5 实验结果
在综合分析了上述实验波形及数据后，如下：
1）当变频器输出频率设定为60hz时，变频电源在各种性质的负载下输出频率也为60hz，波动很小，符合设计要求；
2）在纯阻性负载情况下，变频器输出电压设定为300v，变频电源输出电压峰值为540v，在510v～564v的范围内（理论值的波动在±5％范围内）；
3）在感性负载情况下，由于所用电感的漆包线比较细，承受电流比较小，最多3a，因此，把变频器输出电压调节为230v，此时变频电源输出电压峰值为420v，照此推论，如果变频器输出电压为300v，则变频电源输出电压峰值为549v，也在510v～564v的范围内，满足要求；
4）在容性负载情况下，当电阻与电容串联时，变频器输出电压为298.4v，变频电源输出电压峰值为530v；当电阻与电容并联时，变频器输出电压为303v，变频电源输出电压峰值为540v；
5）在非线性负载情况下，变频器输出电压仍然设定为300v，此时变频电源输出电压峰值为530v，也在510v～564v的范围内，同样满足要求。
4 结语
本次实验的目的是想做一个大功率变频电源,它应该能在各种性质的负载下，输出稳定的电压和频率，电压波动在±5％之内，即如果设定变频器输出线电压为300v，变压器输出线电压峰值应该在510v～564v的范围内变化。由于实验设备及元器件的局限性，本次实验并没有完全达到理想的效果，各种负载下的功率并没有达到期望的7500w（每相2500w）。但是，在充分利用已有设备的前提下，还是得到了比较满意的结果，除了容性负载以外，其他负载下的输出电压都比较稳定，基本上都在510v～564v范围内变化，并且除了非线性负载外（非线性负载因其自身输出电流不连续的特点，决定了其谐波分布必定比较厉害，用lc滤波无法很好地达到理想效果），滤