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大功率變頻電源輸出特性和實驗分析
摘要：分析了各種負載（包括純阻性負載，感性負載，容性負載，非線性負載）下，大功率變頻電源的輸出特性。實驗結果表明該變頻電源在各種不同性質的負載下輸出電壓及頻率都很穩定。引言
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。
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MIDIMASTERVECTOR（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）
1/2μ（根號LC）≤根號f1fs （1）
式中：fs為變頻器的開關頻率，fs=4kHz；
f1取為fs。
所以根號f1fs=根號（800×4000）=1789Hz
如果取L=7mH，C=1.5μF，則=1/[2π(根號LC）]
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％。
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：
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；
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
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