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大功率变频电源输出特性和实验分析

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

  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
  
  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

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