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一种面向PWM逆变器的滤波器设计
李金钊
【期刊名称】《电子设计工程》
【年(卷),期】2024(32)9
【摘要】针对直流并网发电系统PWM逆变器输出电压携带高频谐波从而影响系统稳定性的问题,文中设计了一种面向脉冲宽度调制(PWM)逆变器、可优化谐振频率的滤波器。
该滤波器结合了主流带有数字微控制器的直流发电系统原理,将滤波后输出的电压信号经过处理、采集、转换和反馈等步骤,完成对PWM逆变器的控制和驱动。
在控制系统的应用中,单环反馈控制设计在滤波器的输出环节进行,根据控制方法选取相关参数。
仿真实验结果显示,逆变器测电流总谐波畸变率TDH为5.63%,滤波器滤波后则为1.02%,谐波降低了4.61%,具有良好的滤波效果。
【总页数】5页(P66-69)
【作者】李金钊
【作者单位】新加坡南洋理工大学电子与电气工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN713
【相关文献】
1.一种消除PWM逆变器输出共模电压的前馈有源滤波器
2.单相PWM逆变器的滤波器的一种设计方法
3.一种基于LC滤波器的PWM逆变器设计
4.一种消除
PWM逆变器驱动系统中电动机端轴电压和轴承电流的前馈有源滤波器5.一种用于PWM逆变器的非对称T型滤波器的设计方法
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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。
专利名称：基于PWM逆变器的LC滤波器专利类型：实用新型专利
发明人：马军
申请号：CN201320709945.1
申请日：20131112
公开号：CN203537345U
公开日：
20140409
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种基于PWM逆变器的LC滤波器，其直流驱动电源的输出端与PWM逆变器的输入端连接，所述PWM逆变器的第一输出端与该LC滤波器的输入端连接，所述PWM逆变器的第二输出端与电源地连接，时控电路连接在所述PWM逆变器的控制输入端，第一电容的一端与该LC滤波器的输入端连接，第一电容的另一端通过第一电阻与电源地串联，第二电容并联在所述第一电容两端，所述第一电容的电容值为第二电容的电容值3倍，第一电感的一端与该LC滤波器的输入端连接，所述第一电感的另一端与该LC滤波器的输出端连接，其具有滤波效果更好、抗干扰能力更强、可靠性性更高的优点。
申请人：西北民族大学,马军
地址：730000 甘肃省兰州市城关区西北新村1号
国籍：CN
代理机构：北京科亿知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：汤东凤
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PWM型逆变器输出LC滤波器参数设计PWM型逆变器是一种常用的电力电子装置，用于将直流电转换为交流电。
为了减少输出波形的谐波成分，提高逆变器的输出电压质量，通常需要添加LC滤波器。
LC滤波器是一种由电感器和电容器组成的滤波电路，通过电感和电容的频率特性来滤除高频噪音和谐波。
在设计PWM型逆变器的LC滤波器时，需要考虑多个参数，包括输出电压的纹波、电感和电容的数值以及滤波器的品质因数。
下面将分别介绍这些参数的设计方法。
首先，输出电压纹波是指逆变器输出电压中的交流成分的大小。
为了减小纹波，可以选择合适的电感器和电容器的数值以及滤波电路的拓扑结构。
比较常用的拓扑结构包括陷波器型、π型和T型滤波器。
在选择电感器的数值时，可以根据预期的输出波形纹波来计算。
通常，输出电压的纹波量可以用下式计算：Vr=(ΔI/(2*f*c))其中，ΔI是负载电流的变化量，f是交流成分的频率，c是输出电容器的数值。
根据计算结果选择合适的电感器数值，使得输出电压纹波在可接受范围内。
接下来是选择输出电容器的数值。
输出电容器的数值决定了滤波器的截止频率，即滤波器开始对高频噪声和谐波进行滤除的频率。
为了保证滤波效果，输出电容器的数值应该与电感器的数值匹配。
通常可以使用下式计算输出电容器的数值：C=(ΔI/(2*f*Vr))其中，ΔI是负载电流的变化量，f是交流成分的频率，Vr是输出电压的纹波量。
根据计算结果选择合适的输出电容器数值。
最后需要考虑滤波器的品质因数。
品质因数是滤波器的一个重要指标。
它表示滤波器对输入信号的衰减程度，品质因数越高，滤波效果越好。
品质因数可以通过以下公式计算：Q = 1 / (R * sqrt(LC))其中，R是滤波器的阻抗，L是电感器的数值，C是电容器的数值。
根据计算结果选择合适的品质因数。
综上所述，PWM型逆变器输出LC滤波器参数的设计包括选择合适的电感器和电容器数值以及滤波器的品质因数。
这些参数的选择应该考虑输出电压纹波、滤波器的截止频率和滤波效果，以提高逆变器输出电压的质量。
RCL 滤波器及其在电机上的例子先简单介绍RCL 滤波器的基本原理，给出他的传递函数，然后在选取了几组参数，并且画出他的伯德图，最后介绍了在电机方面使用RCL 滤波的实用例子。
一．RCL 滤波器原理标准模拟滤波器分为低通,高通,带通,带阻和全通滤波器五种类型.模拟滤波器按照设计原理可分为 Butterworth 型 Chebyshev 型 Cauer 型几类 模拟滤波器总能用RLC 元件搭建电路实现，但要实现预定的滤波功能，既要选择合理的电路结构, 又要计算正确的RLC 元件参数用RLC 元件搭建电路实现理想高阶 Butterworth 型Chebyshev 型 Cauer 型模拟滤波器的功能.1.电路图和传递函数图1串联LC 低通滤波器常用于滤除由 PWM 变换器产生的高次电压谐波 ，设计方便，结构简单，而且可以减小无源端负荷扰动对供电电压影响。
并获得了很好的滤波效果n n w w j w w jwT Tjw jRCw LCw RCS LCS s G ξξ211)(2111111)(22222+-=++=++-=++=阻尼比。
转折频率，ξξn n w Tw L C R LC T ,1,2,===2.选取参数及其伯得图方案一（见图2）310,707.0,01.0,0001.0,14.14-====Ω=n T H L F C R ξ图2方案二（见图3）210,707.0,1.0,001.0,14.14-====Ω=n T H L F C R ξ图3方案三（见图4）110,707.0,1.0,1.0,414.1-====Ω=n T H L F C R ξ图4 三种方案的对比：图5二．RCL 滤波电路在电机方面的使用例子例一．通过引入LC 低通滤波器来滤除逆变器产生的高次电压谐波 以提高向无源网络供电的 VSC HVDC 系统的供电质量。
VSC HVDC ：采用全控电力电子器件构成的新型电压源型高压直流输电 。
PWM 变频器电源逆变器输出滤波器分析谭 波1,2 谭冠政1(1.中南大学信息科学与工程学院,湖南 长沙,410083;2.湖南冶金职业技术学院,湖南 株洲,412000)摘要:在脉宽调制PWM 变频器驱动三相异步电动机装置中,由于变频器输出电压dv /dt 较高,当逆变器与电机之间传输电缆超过一定长度时,在电机绕组端将产生电压尖峰,影响电动机的绝缘性能和寿命。
本文采用电源输出滤波器来改善阻抗匹配,平滑变频器输出电压,改善输出波形。
并对PWM 变频器的L 、RC 、LC 三种滤波器进行分析。
关键词:PWM ;变频器;滤波器中图分类号:TN773 文献标识码:A 文章编号:1672-7412(2006)04-519-020 前言脉冲宽度调制PWM (Pulse Width Modulation )变频器广泛应用于三相异步电机变频调速装置中,它具有调速平滑、体积小、效率高、技术成熟等优点。
[1]但高电压PW M 逆变器驱动交流电机存在着一些不容忽视的问题。
PW M 变频器输出电压的dv /dt 很大,当变频器逆变器与电机之间采用长线传输电缆(电缆超过临界长度,即脉冲在电缆中的传输时间超过脉冲上升时间一半)时,由于长线电缆存在分布电感和分布电容形成的特性阻抗,较电机的输入阻抗小数十倍,与电缆的特性阻抗不匹配,变频器较高的dv /dt 在长线电缆上产生反射,在电机绕组上产生尖峰电压,尖峰电压可达到变频器输出电压的2倍以上,给电机绕组绝缘造成较大压力,将影响电机使用寿命甚至损坏电机。
在变频器的输出端与电机之间加入滤波器是解决这些问题的有效办法。
1 电抗器滤波器在变频器和电动机之间插入电抗器,可有效地改善电流波形,减少PW M 变频器输出电压的波形畸变,降低尖峰电压。
但插入的电抗器的阻抗不能过大,否则,会使输出电压下降,减小电机输出转矩,同时,在低转速和高负载时会影响电机正常运转。
因此,对电抗器的阻抗大小应进行合理的配置。
第21卷第3期2002年7月电工电能新技术Advanced T echnology of Electrical Engineering and EnergyVol.21,No.3Jul.2002收稿日期:2001210218作者简介:邓 文(19682),四川籍,高工,硕士,主攻PW M 逆变器驱动的感应电机运行性能的研究;姜建国(19382),湖南籍,教授,博导,主攻电机故障诊断和电力电子的电磁兼容。
PWM 逆变器2感应电机系统中的过电压抑止滤波器研究邓 文1,姜建国1,玉井伸三2(11清华大学电气工程与应用电子技术系,北京100084;21日本三菱电机株式会社,尼崎66128661)摘要:在PW M 逆变器供电的感应电机调速系统中,当逆变器与电机之间的电缆超过一定长度后,在电机端可能出现2倍于逆变器直流母线电压的过电压。
本文从时域和频域分析了过电压的内在特点,给出了过电压振荡频率与系统参数的函数关系式。
根据过电压的形成机理及其特点,以R 2C 滤波器为例,给出了详细的滤波器参数选取方法。
仿真和实验结果证明了按照本文所提供的方法设计的滤波器能够很好地抑止电机过电压。
关键词:PW M 逆变器;过电压;滤波器;振荡频率中图分类号:T M86 文献标识码:A 文章编号:100323076(2002)03200282041 引言我们知道,PW M 逆变器的输出是宽度不一的具有很陡上升沿的一系列脉冲。
这些脉冲在逆变器与电机之间的电缆中是以行波的方式在传输的。
传输线理论告诉我们,在传输线上的节点处,有阻抗的变化就会造成波的反射。
如果电缆终端短路时,反射系数为-1,反射电压与入射电压大小相等,符号相反,端部的合成电压为零;如果电缆终端开路时,反射系数为+1,反射电压与入射电压的大小和符号都相同,端部电压加倍;如果电缆终端外接阻抗与电缆特性阻抗匹配,则反射系数为零,不产生反射,端部电压就等于入射电压。
一般地,电机的入端阻抗可以是电缆特性阻抗的数十倍[1],因而在研究电压反射时可以近似地把电机看作开路;而工作中的逆变器的输出阻抗可以近似地认为是0。
PW M 逆变器输出的电压脉冲传输到电机,在电机端引起反射,形成过电压[224]。
当电缆太长(超过临界长度,即脉冲在其中的传输时间超过脉冲上升时间的一半)时,如果电缆的损耗可以不计,在电机端就可能得到2倍于逆变器直流母线电压的过电压。
这一过电压主要作用于电机绕组的最初几匝,可能损害电机绝缘[5]。
为了抑止过电压,目前普遍采用的方法之一是使用滤波器[2,3]。
然而,有关滤波器的参数选取还缺乏系统分析和定量描述。
本课题的研究揭示了过电压的一个重要的特点:过电压的振荡频率主要决定于电缆参数(单位长度电感、电容及电缆长度等)。
对给定的电缆,通过计算和通过观察仿真的电压波形或者频谱都可以得到一致的过电压振荡频率。
基于过电压形成机理与特点,可以利用两种滤波器来降低过电压,本文以R 2C 滤波器为例,提供了详细的滤波器的参数确定方法,最后通过仿真和实验验证了所设计的滤波器对过电压的改善效果。
2 过电压的特点分析211 过电压的振荡频率在工业现场的三相异步电机与逆变器之间的连接电缆有两种:第一种是三相各用一根电缆,每根电缆带一铠装;第二种是一根铠装电缆中有三芯电缆。
前者三相电缆之间不存在互电感和互电容,其电感、电容参数矩阵分别为:[L ]=diag [L 0,L 0,L 0] 和[C ]=diag [C 0,C 0,C 0] 按传输线理论,一相电缆可以简化为如图1所示的等效电路。
其中图1 简化的传输线等效电路Fig.1 Equivalent circuit of simplifiedtransmission lineZ 1=12l (R 0+j ωL 0),Z 2=1(G 0+j ωC 0)l;R 0、L 0、G 0和C 0分别为单位长度电缆的电阻、电感、电导和电容,l 为逆变器到电机之间的电缆长度。
不难求出图1所示的传输线等效电路的传递函数:N (s )=2l 2L 0C 0・1S 2+R 0C 0+L 0G 0L 0C 0S +l 2R 0G 0+2l 2L 0C 0(1)如果考虑无损电缆,则其振荡频率为:ω0=1l12L 0C 0(2)所以f 0=12πl12L 0C 0(3) 当三根电缆同在一铠装内时,电缆的三相导体之间存在着互电感、互电容,即其电感、电容矩阵[L ]和[C ]不再是对角阵。
根据其物理意义可知,[L ]和[C ]是实对称阵,也就是说,[L ]和[C ]都可以在相似变换下对角化或在正交变换下对角化。
设[L ′]和[C ′]分别是[L ]和[C ]的相似对角阵,即[L ′]=diag[L ′0,L ′0,L ′0] 和[C ′]=diag[C ′0,C ′0,C ′0] 通过这样的变换,相当于把有互电感、互电容的三相电缆转换为其电感和电容分别是L ′0和C ′0的没有互电感互电容的电缆。
于是就可以利用上述的方法来计算过电压的振荡频率。
由逆变器的工作原理可知[6],逆变器的三个桥臂的六个开关管的工作状态可以用一组开关函数来描述,通常情况下,A 、B 、C 三相电缆在逆变器侧的电位变化,只有一相从负到正或者相反,但也有两相电缆的端电位同时变化的。
由于电机阻抗被看作无穷大,则仍然可以用上述公式来描述PW M 逆变器输出脉冲在电缆中的传播。
212 过电压的频谱分析上文在时域分析了过电压的频率特点,下面将通过频谱分析揭示过电压的内在规律。
图2为逆变器输出脉冲及其频谱图。
图2 逆变器输出脉冲及其频谱Fig.2 Inverter output pulse and its spectrum 图3为逆变器输出的脉冲经过电缆传输到电机端得到的电压波形及其频谱。
其中电缆参数为:l =100m ,R 0=20×10-2Ω,L 0=0.6×10-6H ,G 0=0.5×10-6SC 0=50×10-12F 。
对比图2(a )和图3(a ),可以看到如前所述的过电压的特点。
对比图2(b )和图3(b ),可以清楚地看到,逆变器输出的脉冲经过长电缆传输到电机端时,其频谱在如前所述的计算振荡频率附近出现了显著差异,这一频段对确定的电缆而言是确定的。
同时我们还从图3中观察到,过电压的振荡频率与其频谱上出现最大差异的频率是一致的。
如图3所示,过电压的振荡频率与频谱出现最显著差异所在的频率为0142MH z ,利用公式(3)计算所得到的频率f 0为0141MH z 。
其中的少许差异的原因之一是由于式(3)中忽略了R 0和G 0。
92第3期邓 文,等:PW M 逆变器2感应电机系统中的过电压抑止滤波器研究 图3 脉冲经过长电缆后的电压波形及其频谱Fig.3 Waveform and its spectrum of thev oltage at the end of long cables3 滤波器参数的选取311 降低过电压的两种滤波器结构如上所述,由于电机阻抗与电缆特性阻抗不匹配,PW M逆变器输出的脉冲在逆变器与电机之间的电缆中传输和在逆变器及电机两端多次反射,在电机端可能得到2倍于逆变器直流母线电压的过电压。
这一过电压是高频振荡衰减的,其频率取决于电缆参数。
因此,为了抑止PW M逆变器驱动的感应电机端部绕组过电压,可从两个方面来着手:一是设法使电机端的阻抗尽可能与电缆特性阻抗匹配,消除或减小电压反射;另一方法是设法抑止过电压振荡频率的成分传输到电机端,即在逆变器输出端接入一个低通滤波器,抑止电压脉冲频谱中出现显著差异的高频成分,从而达到减小过电压的效果。
所以,通常采用两种减小过电压的滤波器结构,如图4和图5所示。
在如图4所示的结构中,一个由R2C构成的滤波器接在电缆的输出端,即电机端,期望R2C的阻抗要尽可能与电缆的特性阻抗相匹配,从而减小反射,降低过电压。
在这里,逆变器与电机之间的长电缆作为传输线,各相脉冲电压作为传输线的输入波图4 电机端接R2C滤波器的结构Fig.4 C on figuration with R2C filterat the m otor terminals图5 逆变器侧接L2R2C滤波器的结构Fig.5 C on figuration with L2R2C filterat the inverter side形,滤波器是作为传输线的负载,即边界条件。
在如图5所示的结构中,一个L2R2C滤波器接在电缆输入端,即逆变器输出端,期望L2R2C低通滤波器能够抑止高频成分,减小过电压。
在这里,逆变器的输出脉冲先通过带电缆开路入端阻抗负载的L2R2C滤波器把高频成分大大衰减,再经过电缆传输到电机端。
312 R2C滤波器参数的选取如前所述,如果电缆的负载阻抗与其特性阻抗匹配,就不会有反射。
因此,如果我们在电机侧接入如图4所示的R2C电路,期望它尽可能与电缆能够匹配,那么就可以很好地抑止反射过电压。
根据传输线理论,如果入射波电压和电流分别为ei和i i,反射波电压和电流分别为e r和i r,若设Z c为电缆的特性阻抗,则对入射波有e i=Z c i i(4) 对反射波则有e r=-Z c i r(5) 那么,作用于R2C两端的电压erc及流过R2C的电流irc分别为e rc=e i+e r(6)和irc=i i-i r(7) 由于R2C串连接在电缆输出端,erc又可表示为e rc=Ri rc+1C∫i rc dt(8) 将式(4)-(7)代入式(8),再对时间求导,有:(Zc+R)de rdt+e rC=(R-Z c)de idt+e iC(9)03 电工电能新技术第21卷 如前所述,过电压是高频振荡衰减的,高频时电容相当于短路,所以,如果期望R2C能够与电缆特性阻抗匹配,选取电阻R等于特性阻抗是适当的。
为了简化计算,先忽略脉冲上升时间,设PW M逆变器输出的是幅值为E的脉冲,那么e r=E-Ee-t(Zc+R)C(10)所以erc =2E-E2Z cR+Z ce-t(Zc+R)C(11) 在这里以逆变器输出脉冲传输到电机端的时刻为时间0点,当从电机反射回去的电压,再次经过逆变器反射传输到电机端时,经历的时间相当于在2倍长度的电缆中的传输时间,这时,在电机端得到过电压的最高值。
脉冲在已知长度为l及单位长度电感为L0和电容为C的电缆中的传输速度和传输时间分别为:v=1L0C0和tt=l L0C0以及电缆的特性阻抗为:Z c=L0 C0 如果我们期望电机过电压最高不超过输入脉冲电压的112倍,那么,当t=2tt 时,er≤012E,因此,R2C滤波器的参数选取为:R=L0C0(12)C=l・C00.22314(13) 按照上述方法计算得到R2C滤波器参数后,可以根据经验适当调整,最终选定R2C滤波器的参数。
