SPWM逆变电源LC滤波器的研究与设计

SPWM逆变器输出端无源滤波器的研究与设计的开题报告一、研究背景和意义SPWM（正弦波脉冲宽度调制）逆变器广泛应用于交流驱动、光伏发电及风能发电等领域。

然而，SPWM逆变器的输出端存在高次谐波，因此需要进行滤波，以减小对负载的影响，并满足一定的输出电压品质要求。

在现有滤波器设计中，常用的是有源滤波器，但是其加大了整个系统的复杂度和成本，并且容易出现稳定性问题。

与之相比，无源滤波器具有结构简单、稳定性高等优点，因此值得研究。

因此，本文将着眼于SPWM逆变器输出端的无源滤波器研究和设计，通过理论计算和实验验证，寻求设计一种高性能且低成本的无源滤波器的方案。

二、研究内容和方法本研究将按照以下步骤进行：1.分析和研究无源滤波器的原理和适用范围，其中包括传统的LC滤波器、LCL滤波器以及LLCL滤波器等结构。

2.综合考虑无源滤波器的设计指标，包括滤波器频率响应、损耗和体积等，选取一种合适的无源滤波器结构；3.利用SPWM逆变器的数学模型，建立滤波器的数学模型，并进行仿真计算，分析滤波器的性能表现，寻找优化方案；4.基于计算结果，进行滤波器电路的实际设计和制作，并进行实验验证，验证其性能表现和可靠性；5.总结和分析设计结果，以期达到高性能和低成本的目标。

三、预期成果和意义本研究拟设计一种高性能且低成本的SPWM逆变器输出端无源滤波器，其具有以下预期成果：1.提出了一种实用性强的无源滤波器设计方案，能够有效地减少高次谐波的影响，保证输出电压的品质要求；2.通过理论分析和实验验证，得到了滤波器的性能表现和工作特性，具有参考价值；3.本研究采用无源滤波器，相较于有源滤波器，具有结构简单、性能稳定等优点，有望在实践中推广应用。

四、进度安排1.文献调研和理论研究（2021年6月-2021年7月）；2.滤波器结构和性能分析（2021年8月-2021年9月）；3.滤波器电路设计和仿真计算（2021年10月-2021年11月）；4.滤波器实验制作和测试（2021年12月-2022年1月）；5.论文撰写和总结（2022年2月-2022年4月）。

三相PWM逆变器输出LC滤波器设计方法一、本文概述随着可再生能源和电力电子技术的快速发展，三相PWM（脉宽调制）逆变器在电力系统中得到了广泛应用。

为了改善逆变器的输出波形质量，降低谐波对电网的污染，LC滤波器被广泛应用于逆变器的输出端。

本文旨在探讨三相PWM逆变器输出LC滤波器的设计方法，分析滤波器的主要参数对滤波效果的影响，为工程师提供一套实用的滤波器设计流程和指导原则。

本文将首先介绍三相PWM逆变器的基本工作原理和LC滤波器的功能特点，然后详细阐述LC滤波器的设计步骤，包括电感、电容参数的选取，滤波器截止频率的计算等。

接着，本文将通过仿真和实验验证所设计的LC滤波器的性能，分析滤波效果与滤波器参数之间的关系。

本文将总结滤波器设计的关键因素，并给出一些实用建议，以帮助工程师在实际应用中更好地设计和优化LC滤波器。

通过本文的阅读，读者可以全面了解三相PWM逆变器输出LC滤波器的设计原理和方法，掌握滤波器参数的选择和优化技巧，为提升逆变器输出波形质量和电网稳定性提供有力支持。

二、三相PWM逆变器基础知识三相PWM（脉冲宽度调制）逆变器是一种电力电子设备，用于将直流（DC）电源转换为三相交流（AC）电源。

它是许多现代电力系统中不可或缺的一部分，特别是在可再生能源领域，如太阳能和风能系统中。

了解三相PWM逆变器的基础知识是设计其输出LC滤波器的前提。

三相PWM逆变器的基本结构包括三个独立的半桥逆变器，每个半桥逆变器都连接到一个交流相线上。

每个半桥由两个开关设备（通常是绝缘栅双极晶体管IGBT或功率MOSFET）组成，它们以互补的方式工作，以产生所需的输出电压波形。

PWM控制是逆变器的核心。

它涉及快速切换开关设备，以便在平均意义上产生所需的输出电压。

通过调整每个开关设备的占空比（即它在任何给定时间内处于“开”状态的时间比例），可以精确地控制输出电压的大小和形状。

三相PWM逆变器的一个关键特性是它能够产生近似正弦波的输出电压。

最近开始做逆变了，现在正在对各电路各个参数计算，现在后面LC滤波这块理解不够透彻。

滤波器设计目标包括：输出电压的谐波含量小；滤波参数和体积较小；滤波器的阻频特性好；滤波系统消耗的功率小等等。

一、首先我们可以看到，高频逆变器输出通常有两种滤波方式：
我认为LC与LCL的滤波方式，效果应该一样的，LCL分为两块电感只将容量分到两个电感上，与变压器串并联相似。

二、截止频率设计
一般PWM逆变器采用LC低通滤波器，对于LC滤波器的设计，首先考虑的就是截止频率，以消除逆变器输出电压中高于截止频率中的低次谐波。

文献中描述：
10f1<FL<FHAR(MIN)< style="FONT-SIZE: 14px" jQuery1319813938750="21" P>
f1基波频率，fhar(min)最低次谐波频率，fL截止频率。

通常载波频率远大于10倍基波频率，fL可选载波频率的1/10~1/5。

老寿先生1KW逆变器中：采用LCL滤波。

L为1mH，C为4.7uF，载波频率20K,基波50HZ。

我们可以得到截止频率：1.6K 在设计范围之内。

最佳效果可能还不要实际调试。

三、绕线线径设计
线径设计时，我首先看的是过电流能力。

已载波20KHZ为例，趋肤深度0.5mm。

如果要求4A电流，铜线电流密度取6A/mm2。

因此可直接用1mm线绕。

还有很多问题不是太清楚，请大家指教！
磁环的功率容量，也就该选多大尺寸的磁环等等。

最近开始做逆变了，现在正在对各电路各个参数计算，现在后面LC滤波这块理解不够透彻。

滤波器设计目标包括：输出电压的谐波含量小；滤波参数和体积较小；滤波器的阻频特性好；滤波系统消耗的功率小等等。

一、首先我们可以看到，高频逆变器输出通常有两种滤波方式：
我认为LC与LCL的滤波方式，效果应该一样的，LCL分为两块电感只将容量分到两个电感上，与变压器串并联相似。

二、截止频率设计
一般PWM逆变器采用LC低通滤波器，对于LC滤波器的设计，首先考虑的就是截止频率，以消除逆变器输出电压中高于截止频率中的低次谐波。

文献中描述：
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f1基波频率，fhar(min)最低次谐波频率，fL截止频率。

通常载波频率远大于10倍基波频率，fL可选载波频率的1/10~1/5。

老寿先生1KW逆变器中：采用LCL滤波。

L为1mH，C为4.7uF，载波频率20K,基波50HZ。

我们可以得到截止频率：1.6K 在设计范围之内。

最佳效果可能还不要实际调试。

三、绕线线径设计
线径设计时，我首先看的是过电流能力。

已载波20KHZ为例，趋肤深度0.5mm。

如果要求4A电流，铜线电流密度取6A/mm2。

因此可直接用1mm线绕。

还有很多问题不是太清楚，请大家指教！
磁环的功率容量，也就该选多大尺寸的磁环等等。

大容量PWM电压源逆变器的LC滤波器设计一、概述随着可再生能源和电力电子技术的快速发展，电力系统中逆变器的应用越来越广泛。

PWM（脉冲宽度调制）电压源逆变器以其高效、灵活的控制方式在各类电能转换场合中占据了重要地位。

PWM逆变器产生的谐波对电网的影响不容忽视，设计合适的LC滤波器以滤除这些谐波，提高电能质量，成为了当前研究的热点。

大容量PWM电压源逆变器的LC滤波器设计涉及多个方面，包括滤波器的拓扑结构、参数优化、动态性能分析等。

本文首先介绍了PWM逆变器的基本原理及谐波产生的原因，然后详细阐述了LC滤波器的设计原则和方法，包括滤波器拓扑结构的选择、电感电容参数的计算与优化、以及滤波效果的评价指标等。

在此基础上，本文还讨论了滤波器设计中的一些关键问题，如滤波器的动态性能、热设计、电磁兼容性等。

通过案例分析，本文验证了所提设计方法的有效性和实用性。

通过本文的研究，旨在为大容量PWM电压源逆变器的LC滤波器设计提供理论支持和实用指导，促进电力电子技术的可持续发展。

1. 介绍PWM电压源逆变器的应用背景及其在电力系统中的重要地位。

在现代电力系统中，PWM（脉宽调制）电压源逆变器已成为一种重要的电能转换装置，广泛应用于各种电力电子设备中。

作为一种将直流电能转换为交流电能的电子设备，PWM电压源逆变器在机械传动控制、电动机调速、太阳能电池、风能发电等领域发挥着至关重要的作用。

特别是在可再生能源领域，PWM电压源逆变器是太阳能电池板和风力发电机与电网之间的关键接口，能够实现电能的稳定、高效转换，从而满足各种负载的需求。

PWM电压源逆变器的核心在于其独特的脉宽调制技术，该技术能够根据输入信号的特点，以一定规律调制输出信号的占空比，从而达到对输出电压的精确调节。

这种技术不仅可以实现输出电压的频率和幅值的灵活调节，还能够生成各种不同形状的波形，如正弦波、方波和三角波等，以满足不同负载的需求。

PWM电压源逆变器还具有高效率、高可靠性、低谐波污染等优点，因此在电力系统中得到了广泛应用。

实验五十一DC/AC SPWM单相全桥逆变电路设计及研究（信号与系统—自动控制理论—检测技术－电力电子学综合实验）一、实验原理SPWM单相全桥逆变电路的主要工作原理是依靠四个开关管的通、断状态配合，利用冲量等效原理，采用正弦脉宽调制（SPWM）策略将输入的直流电压变换成正弦波电压输出。

SPWM的调制原理是通过对每个周期内输出的脉冲个数和每个脉冲宽度来调节逆变器输出电压的频率和幅值。

要使输出的电压波形接近标准的正弦波，就要尽量保证SPWM电压波在每一时间段都与该时段中正弦电压等效。

除要求每一时间段的面积相等外，每个时间段的电压脉冲宽度还必须很窄，这就需要在一个正弦波形内脉冲的数量很多。

脉波数量越多，不连续的按正弦规律改变宽度的多脉冲电压就越等效于正弦电压。

目前，在电力电子控制技术中，SPWM技术应用极为广泛，SPWM波形的形成一般有自然采样法、规则采样法等等。

前者主要用于模拟控制中，后者适用数字控制。

本实验采用的是DSP控制的单相全桥逆变电路，采用对称规则采样法。

对称规则采样的基本思想是使SPWM波的每个脉冲均以三角载波中心线为轴线对称，因此在每个载波周期内只需一个采样点就可确定两个开关切换点时刻。

具体算法是过三角波的对称轴与正弦波的交点，做平行于时间轴的平行线，该平行线与三角波的两个腰的交点作为SPWM波“开通”和“关断”的时刻。

由于在每个三角载波周期中只需要进行一次采样，因此使得计算公式得到简化，并且可以根据脉宽计算公式实时计算出SPWM波的脉宽时间，可以实现数字化控制。

图51-1 对称规则采样法生成SPWM波根据相似三角形定理，可以分析出图1对称规则采样法生成的SPWM波脉宽时间T n为：()21sin n n T T MN Nπ−= (51-1) 式中，M 为调制度，T 为正弦调制波周期，N 为载波比。

本实验中程序采用DSP 控制方式，载波频率固定为10KHZ ，调制波频率为50HZ 频率。

PWM型逆变器输出LC滤波器参数设计（自己整理的资料）
目录
1.LC滤波器设计原则 (2)
1.1.原则1 (2)
1.2.原则2 (2)
1.3.原则3 (2)
2.设计步骤 (2)
2.1.计算电抗器电感值 (2)
2.2.选择截止频率 (2)
2.3.计算滤波电容 (2)
1.LC滤波器设计原则
1.1. 原则1
输出额定电流时，电抗器上电压降应该小于额定输出电压的10%。

即满足：
ωL I N≤10%U N
1.2. 原则2
滤波电容上损耗的电流应该小于额定输出电流的10%。

即满足：
ωC U0≤10%I N
1.3. 原则3
ＬＣ滤波器截止频率应该远小于输出交流的最低次谐波频率，并且远大于基波频率，一般取1/10到1/5的载波频率。

f s 10<<="" p="">
f s
5
2.设计步骤
2.1. 计算电抗器电感值
根据原则1计算电抗器的电感值，一般取
ωC U0≤10%I N
以保证滤波效果。

2.2. 选择截止频率
根据原则2选取LC滤波器的截止频率f L。

2.3. 计算滤波电容
根据计算出的电感和选取的截止频率，计算电容值。

截止频率公式为：
f L=
1
2πLC
可以得到
C=1
L
ωL2，式中，角频率ωL=2πf L
电容的基波电流参数可以由下式计算:
I C=ω1CU O 式中，ω1是基波角频率，U O是额定输出电压。

2电工电气 (20 7 No.4)作者简介：王博超(1992- )，女，硕士研究生，研究方向为电力电子控制技术与仿真。

基于LC滤波器的单相SPWM逆变器双环控制设计王博超(东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096)摘 要：对基于LC 滤波器的单相SPWM 逆变器的双环控制进行了分析，得到了LC 滤波器在逆变器使用单极性倍频的调制方式下的参数设定，以此为基础对单相逆变器的双环控制方式进行了建模及电压环、电流环的参数确定。

利用MATLAB/Simulink 软件对该逆变器模型进行了线性负载的突加突减仿真与带非线性负载时开、闭环的谐波畸变率的对比仿真。

仿真结果表明，该种控制策略下逆变器具有较好的动态响应性能及较低的谐波畸变率。

关键词：SPWM 逆变器；LC 滤波器；双环控制中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2017)04-0021-05Abstract: This paper analyzed the double loop control of sigle-phase sinusoidal pulse width modulation (SPWM) inverter based on the LC filter and obtained the parameters setting of the LC filter under the conditions that the inverter used the unipolarity frequency-doubled modula -tion mode. On the basis of this, this paper established the sigle-phase inverter model with double loop control mode and determined the pa -rameters of voltage loop and current loop. The Simulink in MA TLAB was used to carry out simulation of sharp increase and reduction for the linear load of the inverter model, comparing with the loop-opened or loop-locked harmonic distortion rate for the nonlinear load. The simulation results show that this kind of control strategy can obtain favorable dynamic response and low total harmonic distortion (THD). Key words: sinusoidal pulse width modulation inverter; LC filter; double loop controlWANG Bo-chao（School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 2 00 , China ）Design of Double Loop Control in Single-Phase Sinusoidal Pulse WidthModulation Inverter Based on LC Filter0 引言近些年来，为了获得具有更高的供电质量以及供电稳定性的供电系统，高性能的SPWM 逆变电源的研究、开发及其应用受到了各方面的关注，而其中的瞬时控制方案则是最重要的部分之一。

实验九 单相正弦波脉宽调制（SPWM ）逆变一．实验目的1．熟悉单相交直交变频电路原理及电路组成2．熟悉ICL8038的功能。

3．掌握SPWM 波产生的基理。

4．分析交直交变频电路在不同负载时的工作情况和波形，并研究工作频率对电路工作波形的影响。

二．实验所需挂件及附件 序号型号 备注 1DJK01电源控制屏 该控制屏包含“三相电源输出”等模块 2DJK09单相调压与可调负载 该挂件包含“单相自耦调压器”等模块 3DJK14 单相交直交变频原理 4双踪示波器 5 万用表三．实验线路及原理采用SPWM 正弦波脉宽调制，通过改变调制频率，实现交直交变频的目的。

实验电路由三部分组成：即主电路，驱动电路和控制电路。

1．主电路部分如图3-20所示，交直流变换部分(AC/DC)为不可控整流电路（由实验挂箱DJK09提供）； 逆变部分(DC/AC)由四只IGBT 管组成单相桥式逆变电路，采用双极性调制方式。

输出经LC 低通滤波器，滤除高次谐波，得到频率可调的正弦波（基波）交流输出。

本实验设计的负载为电阻性或电阻电感性负载，在满足一定条件下，可接电阻启动式单相鼠笼式异步电动机。

1．驱动电路如图3-21（以其中一路为例）所示，采用IGBT 管专用驱动芯片M57962L ，其输入端接控制电路产生的SPWM 信号，其输出可用以直接驱动IGBT 管。

其特点如下： ①采用快速型的光耦实现电气隔离。

②具有过流保护功能，通讨检测IGBT 管的饱和压降来判断IGBT 是否过流，过流时AC/DC （整流） DC/AC （逆变）图3-20 主电路结构原理图IGBT 管CE 结之间的饱和压降升到某一定值，使8脚输出低电平，在光耦TLP521的输出端OC1呈现高电平，经过流保护电路(见图3-22)，使4013的输出Q 端呈现低电平，送控制电路，起到了封锁保护作用。

3．控制电路控制电路如图3-23所示，它是由两片集成函数信号发生器ICL8038为核心组成，其中一片8038产生正弦调制波U r ，另一片用以产生三角载波U c ，将此两路信号经比较电路LM311异步调制后，产生一系列等幅，不等宽的矩形波U m ，即SPWM 波。

一种基于LC 滤波器的PWM 逆变器设计1.引言PWM 逆变器是一种逆变器的常用形式，它将直流电能转换成交流电能，并且可以控制输出电压和频率。

作为电力电子领域中的一种重要技术，PWM 逆变器已经在许多领域广泛应用，如交流电动机驱动、UPS 电源、太阳能并网逆变器等领域。

其中，LC 滤波器作为PWM 逆变器输出端电路的重要组成部分之一，对逆变器性能有着重要的影响。

因此，如何设计一种基于LC 滤波器的PWM 逆变器是一个值得研究的课题。

本论文首先介绍PWM 逆变器的基本原理和分类，然后分析LC 滤波器的结构和作用原理。

基于此，我们提出了一种基于LC 滤波器的PWM 逆变器设计方案，并对其性能进行了分析和优化。

最后，我们在PSIM 仿真平台上进行了实验验证，证明该设计方案的有效性和可靠性。

2.PWM 逆变器的基本原理和分类PWM 逆变器是一种能够将直流电能转换成交流电能的电路，在实际应用中，它一般采用全桥式结构。

PWM 逆变器的基本原理是：通过直流电源提供能量，然后将这些能量转换为一定频率的交流电能，输出到负载中。

PWM 逆变器的分类主要有三类：单相全桥PWM 逆变器、三相全桥PWM 逆变器和三相半桥PWM 逆变器。

单相全桥PWM 逆变器是一种常见的PWM 逆变器，它可以将直流电源变成单相正弦波交流电源。

其电路图如图1 所示。

图1 单相全桥PWM 逆变器其中，Q1、Q2、Q3、Q4 是四个MOS 管，D1、D2、D3、D4 是四个反向恢复二极管。

当MOS 管Q1 和Q4 通，Q2 和Q3 关时，负载就会得到正半周的电压；当MOS 管Q2 和Q3 通，Q1 和Q4 关时，负载就会得到负半周的电压。

通过控制MOS 管的通断时间和占空比，可以控制输出电压的幅值和频率。

三相全桥PWM 逆变器将三个单相全桥PWM 逆变器串联在一起，可以得到三相正弦波逆变器输出。

它的电路图如图2 所示。

图2 三相全桥PWM 逆变器其中，L1、L2、L3 是负载电感，C1、C2、C3 是输出电容，三相PWM 逆变器分别对应于U、V、W 三个相位。

93EXCHANGE OF EXPERIENCE 经验交流摘要：PWM逆变器输出电压波形为等效正弦波形，谐波含量较高，往往达不到直接使用的标准。

为了减少逆变交流电中谐波的含量，通常需要在输出电路中进行滤波设计。

论文研究一种基于LC滤波电路的PWM 逆变器设计方法，利用本方法开展simulink仿真实验，结果数据验证了LC滤波电路可以减少逆变电路输出谐波，对实践工作的具有指导作用。

关键词：逆变器；PWM；谐波；LC滤波器一、前言随着科技的进步，逆变电路广泛应用到各种需要将直流电转化为交流电的系统中。

因SPWM 逆变电路转化后的电压为正弦波等效波形，含有谐波较多，会对电网造成冲击甚至危害用电设备[1]。

同时随着载波角频率的升高，低次谐波含量会明显减少，因此在逆变电路的设计中，应该考虑加入LC 滤波电路以减少逆变交流电的谐波含量[2-3]。

本文通过分析逆变器输出电压波形谐波产生的原因，利用LC 滤波器的电感电容谐振滤波原理，然后设计电容电感参数，最后利用matlab/simulink 平台搭建模型进行仿真实验，验证了LC 滤波器可以明显减少逆变器输出电压波形中的谐波。

二、单相PWM 逆变电路系统的输出电压谐波特性单相PWM 逆变电路的结构主要由直流电压源、电力电子开关、PWM 发生器、电阻及电感组成。

其中PWM 发生器是以角频率c ω等腰三角波作为载波，角频率1ω正弦波作为调制信号波，采用双极性调制的调制电路组成。

由于PMW 逆变电路输出电压是通过PWM 调制电路通过改变电力电子开关开断时间而产生的等幅而不等宽的矩形脉冲，这些矩形脉冲与设计要求的正弦波等效。

但是由于使用的是以等腰三角形为载波，正弦波作为调制信号的调制波，必然会使得输出波形带有和载波相关的谐波分量[1]。

使用贝塞尔函数作为数学工具，以等腰三角形载波的周期作为基础可以推算出输出电压PWM 波形中傅里叶级数的表达式：1ωωk n c ± （1）式中n 和k 为谐波系数，n 为自然数，k=n-1。

LC滤波电路LC滤波器也称为无源滤波器，是传统的谐波补偿装置。

LC滤波器之所以称为无源滤波器，顾名思义，就是该装置不需要额外提供电源。

LC滤波器一般是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要；无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。

LC滤波器的适用场合无源LC电路不易集成，通常电源中整流后的滤波电路均采用无源电路，且在大电流负载时应采用LC电路。

有源滤波器适用场合有源滤波器电路不适于高压大电流的负载，只适用于信号处理，滤波是信号处理中的一个重要概念。

滤波分经典滤波和现代滤波。

经典滤波的概念，是根据富立叶分析和变换提出的一个工程概念。

根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。

换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。

只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路电容滤波电路电感滤波电路作用原理整流电路的输出电压不是纯粹的直流，从示波器观察整流电路的输出，与直流相差很大，波形中含有较大的脉动成分，称为纹波。

为获得比较理想的直流电压，需要利用具有储能作用的电抗性元件（如电容、电感）组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分以获得直流电压。

常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。

无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒L型、LC滤波、LCπ型滤波和RCπ型滤波等)。

有源滤波的主要形式是有源RC滤波，也被称作电子滤波器。

直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示，此值越大，则滤波器的滤波效果越差。