逆变电源输出滤波器的计算

逆变电源输出滤波器的计算一、滤波器选择的部分指标1.1逆变电源的空载损耗是逆变电源的重要指标之一。空载损耗与空载时滤波器的输入电流有关，电流越大，损耗越大，原因有以下两个方面：一方面，滤波器的输入电流越大，逆变开关器件上的电流越大，逆变器的损耗就越大；另一方面，空载时滤波器的输入电流也流过电抗器及电容器，电流增大也会使电抗器及电容器的损耗增大。所以从限制空载电流的角度来讲，空载时滤波器的输入电流不能太大。一般的，空载时滤波器的输入基波电流不能超过逆变电源的额定输出电流的30%。图1LC滤波器设Im表示空载时输入滤波器的输入基波电流的有效值，U0表示输出电压基波的有效值，ωo为基波角频率，则由图1可得：00mICUω=（1）由上式可知，空载时滤波器输入基波电流的大小与C成正比。所以从限制逆变电源空载损耗的角度来讲，LC滤波器的电容值不能太大。1.2逆变电源对非线性负载的适应性指标逆变电源对非线性负载的适应性是衡量逆变电源性能优劣的重要指标。非线性负载之所以会引起逆变电源输出电压波形的畸变，是因为非线性负载是一种谐波电流源，它产生的谐波电流在逆变电源输出阻抗上产生谐波压降，从而引起输出电压波形畸变。可见逆变电源的输出阻抗直接关系着逆变电源对非线性负载的适应性，输出阻抗越小，逆变电源对非线性负载适应性越好。开环时逆变电源的输出阻抗就是LC滤波器的输出阻抗，根据公式LC-1LZ2ωω=o（2）在L、C乘积恒定时，L越小，则输出阻抗值越小。当逆变电源采用电容电流及电压瞬时值反馈控制方案时，可以得到和开环时相同的结论。综上所述可以得到以下两点结论：1）在L、C之积恒定时，L越小，逆变电源的输出阻抗越小，逆变电源对非线性负载的适应性越好；2）L越小，越不容易出现过调制，逆变电源对非线性负载的适应性越好。1.3在采用同步调制控制方式的逆变电源中，频率为（2ωs-ω0）的谐波是逆变器输出PWM波中复制最高的谐波，它对输出电压的波形影响最大。输出电压中，只要频率为（2ωs-ω0）的谐波符合要求，则其他高次谐波含量均能符合要求。所以在这种情况下设计LC滤波器时，只需考虑滤波器对（2ωs-ω0）频率谐波的衰减。二、输出LC滤波器的计算2.1综述一般说来，空载与负载相比，空载时电压中的频率（2ωs-ω0）的谐波含量是最大的，根据公式：)()1(12)-(2HF122220s0απββπωωJNQNb∗++∗=(3)式中CLRQL=;00s)-2(Nωωω=；LC20ωβ=；EUbo2=；22)1(ββα−+=Qb；)(1απJ为1阶的Bessel函数，计算比较繁琐。空载时，)-(2HF0s0ωω可表示为：)(1-N12)-(2HF120s0απβπωωJb∗∗=(4)式中00s)-2(Nωωω=；；LC20ωβ=EUbo2=；βα-1b=。对式（4）进行分析，可得空载时)-(2HF0s0ωω的特性如下：a，当逆变电源输入电压增大时，输出电压中的频率为)-(20sωω的谐波的谐波含量将增大。b，当β在（0，1/N2）范围内取值时，)-(2HF0s0ωω随β的增加而增加，其中最小值是一个大于18%的数。c，当β在（1/N2,1）范围内取值时，随着β的增大，)-(2HF0s0ωω将减小，其最小值为0。综上所述，可以得出如下结论：1）对于采用瞬时值反馈方式的逆变电源，在考察输出电压中各次谐波的谐波含量大小时，只需考虑特定谐波（ωs或2ωs-ω0）的谐波含量即可。只要特定谐波的含量满足要求，则其他各次谐波的含量均能符合要求。2）在输入电压最高并且空载的情况下，输出电压的谐波含量是最大的。3）能够使输出的谐波含量满足要求的β的取值范围为（1/N2,1），在此范围内，谐波含量随β的增加而减小。2.2LC滤波器参数设计方法LC滤波器参数设计方法是建立在逆变电源的重要技术分析基础上的。设计之前需要知道的基本参数第页共页14逆变器输出滤波器的计算有：额定输出电压的有效值U0、输出频率f0、开关频率fs、最低感性功率因数cosθ、负载额定功率P、滤波器输入PWM波幅值的变化范围Emin～Emax。确定L、C参数所依据的设计指标有四个：1）输出电压谐波含量指标。由用户对输出电压的单次谐波含量要求来确定该指标，输出电压波形满足要求。2）滤波器的基波电压增益指标。使逆变电压在输入电压最低、负载最重、感性负载、功率因数最低的情况下，输出电压仍能达到额定值，不发生过调制。3）滤波器的空载输入基波电流指标，使空载损耗不致过大。4）负载适应性指标。在满足前三个基本指标的前提下，使逆变电源对非线性负载的适应性最好。2.2.1由输出电压的谐波含量指标确定LC的取值范围为了使输出电压中各次谐波的谐波含量满足要求，只要使空载输入电压最高的情况下特定谐波的含量满足要求即可，设HF0’表示特定谐波的谐波含量上限，该值根据输出电压的单次谐波含量要求确定。令'0120s0HF)(1-N12)-(2HF≤∗∗=απβπωωJb(5)式中；；00/)2(Nfffs−=LC20ωβ=max2EUbo=；βα-1b=。当β在（1/N2,1）中取值时，可以满足式（5）的β的范围为10≤≤ββ，β0是当式（5）中取“=”时β的取值。由00LCβω=所确定的曲线如图2所示，该曲线定义为临界谐波含量曲线。满足输出电压谐波含量指标的LC区域如图2中阴影所示。图2满足谐波含量指标的LC区域2.2.2由滤波器的基波电压增益指标确定L、C的取值范围滤波器的基波电压增益g为：'/sin)1(2)()1(1002gZLZLg≥−∗++−=θβωωβ（6）式中：LC20ωβ=，ω为基波角频率。0为了使基波电压增益指标符合要求，应当使最大功率、最低感性功率因数负载条件下的基波电压增益不小于g’，根据式（6）可得：'/sin)1(2)()1(1002gZLZL≥−∗++−θβωωβ（7）式中：LC20ωβ=，ω为基波角频率，0Z为负载功率最大时的负载的阻抗值，θ为最低感性负载功率因数时负载阻抗角。当β为小于1的某一特定值时，可求得当式（7）取“=”时的L、C值为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−−−=θβθβωβsin)1(cos1)g'1(ZC22200）（,L0=β/ω0C0（8）满足基波电压增益指标的L、C值的范围为：0CC≥，00CLωβ=（9）在C-L平面上，当β在0-1之间变化时，由（C0，L0）组成的曲线称为临界电压增益曲线，其图形如图3所示，满足电压增益指标的区域如图中的阴影所示。图3满足电压增益指标的LC区域2.2.3由滤波器的空载输入基波电流指标确定L、C的取值范围1)确定临界滤波电容值Cmin如图4所示，临界谐波含量曲线与临界电压增益曲线相交于A点，同时满足谐波含量指标及电压增益指标的L、C区域如图4中阴影所示。A点对应的C值称为临界滤波电容值Cmin，临界滤波电容值是同时满足谐波含量指标及电压增益指标条件下滤波电容C的最小值，由式（8）得⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−−−=θβθβωβsin)1(cos1)g'1(ZC22200min）（（10）图4临界滤波电容2）确定空载输入基波电流指标当滤波电容取临界滤波电容值Cmin时，滤波器的空载输入基波电流的有效值为第页共页24逆变器输出滤波器的计算000minIUCω=(11)空载输入基波电流指标Iin’按以下方式确定：Iin’应在满足Iin’Imin的前提下尽可能的大一些，一般不应超过逆变电源额定输出电流的30%。3）确定LC的取值范围Iin’对应的电容值为：00'maxCUIinω=（12）满足空载输入基波电流指标的C值为：C≤Cmax（13）定义曲线C=Cmax为临界基波电流曲线，如图5所示。满足空载输入基波电流指标的LC区域如图中阴影部分所示。2.2.4根据逆变电源对线性负载适应性指标确定最优的L、C值逆变电源的负载适应性指标可表述如下：在满足谐波含量指标、基波电压增益指标及空载输入基波电流指标的前提下，使逆变电源对线性负载的适应性能够最好。同时满足谐波含量指标、电压增益指标和空载输入基波电流指标的LC区域如图6中的阴影所示。由前面的分析可知：1）在LC之积恒定时，L越小，逆变电源的输出阻抗越小，逆变电源对非线性负载的适应性越好；2）L越小，越不容易出现过调制，逆变电源对非线性负载的适应性越好。所以图6中B点对应的LC值是最优值，其值为：00'CUIinoptω=,optoptC200Lωβ=(14)三、设计实例3.1设计要求有一单相30KVA的逆变电源，输出频率为400Hz，额定输出电压115V，最低负载功率因数cosθ=0.6（感性）。三相输入交流电压为400V（+10%，-20%），输出变压器变比为2，逆变器电源采用电容电流及电压瞬时值反馈控制方式，fs=9.6KHz。对输出电压波形要求如下：总谐波含量1%,单次谐波含量0.5%(阻性负载)。设计LC滤波器参数。3.2设计过程1）确定临界谐波含量曲线Emax=400*1.1*1.25*0.5=275VN=（2fs-f0）/f0=（2×9600-400）/400=0.47b=2U0/Emax=2*115/275=0.591ππω800200==f（rad/s）HF0’=0.5%由式（5）可求得β0=0.0574，临界谐波含量曲线如图7中曲线1所示。2）确定临界电压增益曲线Emin=400*0.8*1.25*0.5=200V基波电压增益指标g’=2U0/Emin=2*115/200=0.813额定负载阻抗Z=PU20=1152*10-3/30=0.4408Ω最低感性负载功率因数cosθ=0.6。由式（8）可得临界电压增益曲线，如图7中曲线2所示。图7LC参数设计3)确定临界基波电流曲线由式（10）可得临界滤波电容值Cmin=153*10-6F=153uF由式（11）可得，Imin=800*π*153*10-6*115=44.2A逆变电源的额定输出电流为In=P/U0=30*103/115=260.87A取Iin’=22%*In=57.39A，由式（12）得Cmax=57.39/（800*3.14*115）=198.6uF第页共页34逆变器输出滤波器的计算Cmin=Imin/ωoUo可得临界基波电流曲线如图7中的曲线3所示。式中Imin为变频变压器的空载电流，ωo为基波频率，Uo为输出电压的有效值。4）确定最优L、C值由式（14）得空载输入基波电流指标Iin按以下方式确定：Iin在满足IinImin的前提下尽可能的大一些，一般不超过逆变电源额定输出电流的30%。Iin对应的电容值为：Copt=198.6uFLopt=45.8uH取L=46uH，C=200uF。Cmax=Iin/ωoUo。四、输出滤波电容简单计算方法：根据变压器厂家的推荐值，我们可以近似认为滤波器的空载输入基波电流为变频变压器的空载电流，由公式：Imin=ωoCminUo可知，滤波电容的临界电容：（本文据网络上的文章重新编辑）第页共页44