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大功率超高精度变频电源输出特性和实验分析

摘要：分析了各种负载（包括纯阻性负载，感性负载，容性负载，非线性负载）下，大功率变频电源的输出特性。实验结果表明该变频电源在各种不同性质的负载下输出电压及频率都很稳定。
关键词：变频器；输出特性；波形分析
　
　
0   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。

图1   实验接线框图
  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MIDIMASTER VECTOR（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）
式中：fs为超高精度变频电源的开关频率，fs=4kHz；
    f1取为 fs。
  所以 = =1789Hz
  如果取L=7mH，C=1.5μF，则 =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％。

图2   纯阻性负载两端电压波形
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：

图3   感性负载下变压器输出电压波形
  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；

图4   感性负载下变压器输出电压改善波形
  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：

图5   容性负载下变压器A相输出电压波形
  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。

图6   容性负载下变压器输出电压波形
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，[url=http://www.ykups.com/BP-Power.htm]超高精度变频电源[/url]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；

图7   整流桥输出电压波形
  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；

图8   非线性负载下变压器的输出电压波形
  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   实验结果总结
  在综合分析了上述实验波形及数据后，总结如下：
  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，即如果设定超高精度变频电源输出线电压为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），滤波效果都非常好，基本控制在3％～5％之内。