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大功率變頻電源輸出特性和實(shí)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(xiàn)性負載)下,大功率變頻電源的輸出特性。實(shí)驗結果表明該變頻電源在各種不同性質(zhì)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(shí)際生活中,有時(shí)需要的電源頻率不是50Hz,這就需要變頻電源。對一個(gè)電源來(lái)說(shuō),用戶(hù)期望它在各種性質(zhì)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(zhì)的負載(純阻性,感性,容性,非線(xiàn)性)下的輸出特性。
1 實(shí)驗方案
本實(shí)驗的接線(xiàn)框圖如圖1所示。
50Hz的三相電網(wǎng)電壓經(jīng)變頻器整流逆變后,輸出頻率可變(用戶(hù)可自行調節輸出頻率)的正弦波,經(jīng)LC濾波后,再經(jīng)過(guò)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(xiàn)性。
本實(shí)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(shí),此變頻電源裝置能在各種性質(zhì)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(shí)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(shí)驗設定變頻器輸出電壓最高為300V,因此,就需要一個(gè)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L(cháng)C濾波,其濾波電感和電容須滿(mǎn)足式(1)
1/2μ(根號LC)≤根號f1fs (1)
式中:fs為變頻器的開(kāi)關(guān)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(mǎn)足式(1)。
2.3 負載參數
在純阻性負載實(shí)驗中,每相均采用5個(gè)250Ω,額定功率200W的電阻串聯(lián);在感性負載實(shí)驗中,每相均采用3個(gè)250Ω/200W的電阻并聯(lián),然后再跟62mH的電感串聯(lián)組成感性負載;在容性負載實(shí)驗中,每相用3個(gè)10Ω/250W的電阻串聯(lián),再跟70μF的電容串聯(lián)組成容性負載,另外,每相用5個(gè)250Ω/200W的電阻并聯(lián),再跟70μF的電容并聯(lián)也組成容性負載;在非線(xiàn)性負載實(shí)驗中,采用額定電壓為800V,額定電流為20A的整流橋作為非線(xiàn)性負載。
3 實(shí)驗過(guò)程及分析
按圖1接線(xiàn),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(zhì)的負載進(jìn)行實(shí)驗。
3.1 純阻性負載實(shí)驗及分析
三相負載均采用五個(gè)250Ω/200W的陶瓷電阻串聯(lián),輸出電壓為300V,當確認一切接線(xiàn)都沒(méi)有問(wèn)題時(shí),開(kāi)始實(shí)驗,測得波形如圖2所示。分析及說(shuō)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(shí)驗中,通過(guò)觀(guān)察圖2中的波形,得到變壓器輸出電壓峰值的實(shí)驗值為540V,接近理論值;
3)用頻譜分析儀觀(guān)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(shí)驗及分析
把圖1中的負載換成感性,其中每相均用3個(gè)250Ω/200W電阻并聯(lián),再跟63mH的電感串聯(lián),三相負載接成星形,輸出電壓為300V,當確認一切接線(xiàn)均沒(méi)有問(wèn)題后,開(kāi)始實(shí)驗,測得波形如圖3所示。分析及說(shuō)明如下:
1)用頻譜分析儀觀(guān)察諧波分布,發(fā)現此種情況下300Hz以?xún)戎C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(jìn)一步改善波形,嘗試把每相濾波電感由7mH換為10mH,再觀(guān)察諧波分布,發(fā)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(shí)驗所用電感的漆包線(xiàn)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(shí)理論上變壓器輸出電壓峰值應為412V,觀(guān)察圖3波形,發(fā)現實(shí)驗值為420V,基本接近理論值。
3.3 容性
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