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的負載下，都能輸出穩定的電壓，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的三相電網電壓經變頻器整流逆變后，輸出頻率可變(用戶可自行調節輸出頻率)的正弦波，經LC濾波后，再經過升壓變壓器(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果是，當變頻器的輸出電壓和輸出頻率設定為固定值時，此變頻電源裝置能在各種性質的負載下，輸出穩定的電壓和頻率。

2 參數選擇

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，輸入頻率50Hz，輸出頻率可調。

2.2 變壓器及濾波參數

由于變頻器輸入額定電壓是380V，輸出電壓在0～380V范圍內可調，本實驗設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：fs為變頻器的開關頻率，fs=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

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;在感性負載實驗中，每相均采用3個250Ω/200W的電阻并聯，然后再跟62mH的電感串聯組成感性負載;在容性負載實驗中，每相用3個10Ω/250W的電阻串聯，再跟70μF的電容串聯組成容性負載，另外，每相用5個250Ω/200W的電阻并聯，再跟70μF的電容并聯也組成容性負載;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，變頻器輸出頻率設定為60Hz，然后接不同性質的負載進行實驗。

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，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，再跟63mH的電感串聯，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，發現此種情況下300Hz以內諧波及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，發現高次諧波(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節為230V，此時理論上變壓器輸出電壓峰值應為412V，觀察圖3波形,發現實驗值為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

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，再與70μF的電容串聯，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，發現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頻率為4kHz。

3.3.2 電阻與電容并聯

再把負載換成每相均由5個250Ω/200W的電阻并聯，再與70μF的電容并聯，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，發現諧波比較厲害，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變為3μF，發現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變為10mH，發現諧波分布無明顯變化。

3.5 實驗結果總結

在綜合分析了上述實驗波形及數據后，總結如下：

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

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

～564V的范圍內(理論值的波動在±5%范圍內);

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節為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，滿足要求;

4)在容性負載情況下，當電阻與電容串聯時，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，同樣滿足要求。

4 結語

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

審核編輯黃宇