变频电源输出特性是什么？

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为变频器的开关频率，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，变频器输出电压为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，即如果设定变频器输出线电压为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。

审核编辑黄宇