逆变器输出滤波器设计

逆变器输出滤波器设计

逆变器输出滤波器的设计中期报告导师：陈希有教授报告人：颜斌

逆变器输出滤波器设计

开题报告中的预期目标对于SPWM逆变器输出滤波器，根据设计指标要求。提出综合的方法进行优化设计

逆变器输出滤波器设计

目前已完成的工作和结果 供可调式电感使用的可控直流电源的设计调试 变频器输出正弦波滤波器的工程设计 变频器输出正弦波滤波器的优化设计 三相逆变器共模电压的谐波分布分析

逆变器输出滤波器设计

直流可控电源的设计调试b1c

DRB1b1d

b1aC1P

VREF VCCC1C1N

b1b

150u 400V

R1 20K

C4 1n

b2c

市电输入

B

C D

b2d

b2a C2P b2b

DRB2

U2

VCCC5 10n

7812

C2N

A EFb3d

b3c

C2 1000u 50v

DRB3C3P

U3

VDDR3 VCC 10K

7815R2 3K

b3a b3bC3N

T1

VDD Q1 R13 VCC R16 Q3 IRFP450 Q1D 2K 12/13 15 470 Q3C 2N2907 Q1G VIN COL PC817 16 VREF Q1S R22 4 Q3B 11/14 1 9 EMIT 100 R21 COMP 2 3 R15 10K Q3E 7 CT 3K U7 R24 10 R12 6 RT 1 2K Q2D R20 VDD IN10K 4 D13K I+ Q2G IN+ IQ2 D14K 3V IRFD123 Q2S D13 5 2 J5P R10 D13A D14 3K R11 R14 MUR860 VREF 1K 1K J5N R9 C6 D14A 10K R17 103 50K R19 O.5 R18A R18BU1R7 10K6

C3 1000u 50v+5V

R8 10K

J4P 2 R25 50K R26 2K J4N VIN- 3

VDD1 1 GND1 4 VIN+

3

U61

C7 103

C7A C7B

R18 3K

HP 7820

6

VOUTR4 10K

2

5

7

R6 10K R5 10K

PG

SG

U5

U4

逆变器输出滤波器设计

可调式电源的用途—可调式滤波器 可调式滤波器的原理：变频器的输出电压频率是变化的，同时变频器输出所接的电机在工作过程中的等效阻抗是变化的，为达到良好的滤波效果要求滤波器参数可调，采用可变电感的方式。 可调式电源接受控制器的指令，改变可变电感励磁线圈的励磁电流，从而改变等效电感

逆变器输出滤波器设计

可控电源结构和工作原理 主电路：降压式斩波器(BUCK)电路 检测控制电路：PWM控制器3524,电压闭环 辅助电源电路 驱动电路 接口隔离电路：线性光耦

逆变器输出滤波器设计

变频器输出正弦波滤波器的工程设计根据常见变频器调制方式下的谐波特性，并基于RLC滤波器的高低频等效电路。考虑了滤波器对变频器和电机的影响，以及开关时滞和过调制对滤波器设计的影响a b cR

整流器

Cd

逆变器

L

长电缆线

C

M 3

逆变器输出滤波器设计

SPWM调制方式下变频器谐波特性 基波3α E 2d

谐波600V

nωs± kω1

3 4Ed αnπ ××Jk 2 nπ 2

400V

200V

0V 0HzV(R14:2)

2KHz

4KHzFrequency

6KHz

8KHz

10KHz

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RLC滤波器的频率特性，高低频等效电路1 2 Lf LC jω 2ξω 0+ω 0 Uo== H= 2 U i ( jω ) 2+ jω R+ 1 ( jω ) 2+ jω 2ξω 0+ω 0 L LC jω+ Rf

Amplitude-frequency response 40 20 0 -20

LfCfUo

H(dB)

-40 -60 -80 -100 -120 -2 10 10-1

Ui

Uo

Ui

10

0

10

1

10

2

10

3

ω/ω0

低频等效

高频等效

逆变器输出滤波器设计

开关时滞和过调制对滤滤波器设计的影响 在桥式逆变器中，通常采用加入死区的办法防止同桥臂的两个开关直通，这样

会引入 6m+/-1次的谐波 变频调速中，在基频以上调速时，变频器会工作在恒功率调速状态，这时为提高电机转矩，常使变频器工作在过调制区域。在基频域(大约1000Hz以下)存在的谐波次数与开关时滞引入的谐波次数相同，但幅值不同。 由于开关时滞和过调制时的谐波的影响，在滤波器的截止频率附近会存在低次谐波，这些谐波分量会使滤波器产生谐振，加大了输出的谐波分量，同时滤波器的电容中流过很大的谐振电流，所以这时要选择适当的阻尼电阻.

逆变器输出滤波器设计

便于工程应用的滤波器参数的选择方法 截止频率:fm<fr<fc,根据变频器的谐波特性，滤波器的衰减特性和THD值的要求来确定滤波器的截止频率 滤波电感：基波压降，高频谐波电流 滤波电容：基波电流，截止频率 阻尼电阻：考虑开关时滞和过调制影响，使谐波电流限制在允许范围，考虑电阻上的功耗0.04 0.02 0 200 0.04 0.02 0 200 0.05 0 200 0.05 0 200 0.1 0.05 0 200 300 400 500 600 700 800

Harmonic Current Vs Inductance

140

120

200A

Harmonic Current

100

300

400

500

600

700

800

150A80

300

400

500

600

700

800

60

300

400

500

600

700

800

40

100A 80ms 85ms RMS(I(C3))0.80.91.1 1 Inductance1.21.31.4

90ms Time

95ms 100ms

300

400

500

600

700

800

20 0.7

滤波器截止频率(Hz)

x 10

-4

逆变器输出滤波器设计

设计实例 应用于一套西门子变频器-电泵系统 变频器参数为，容量：800kW,输入电压： 690V,输出电压:0—690V,载波频率：2.5kHz,基波频率：45--75Hz,调制方式：SPWM 电机额定参数为，功率：400kW,频率50Hz,电压：3000V,电流：103A,转速： 2880RPM,功率因数：0.86。变频器输出通过1:4升压变压器以及长线电缆连接到电泵上。

逆变器输出滤波器设计

仿真和测试结果1.0KV0V-1.0KV400V0V-400V 60ms 70ms v(r3:2,R2:2)80ms Time1.0KV

0V

-1.0KV

v(iout,s15:4)

1.0KV

v(iout,s15:4)

90ms 100ms

SEL>> -1.0KV 55.0ms 62.5ms v(r3:2,r2:2)

75.0ms

87.5ms

Time

逆变器输出滤波器设计

变频器输出正弦波滤波器的优化设计 变频器输出滤波器与一般逆变器滤波器的不同 (负载不同，要求不同，载波频率不同) 多目标优化的方法约束法，分层序列法，线性加权法平方加权法，乘除法 采用线性加权法

逆变器输出滤波器设计

优化模型min{α 1× Costfactor+α 2× THD+α 3× I h+α 4× U d}s.t. 0.07 mH≤ L≤ 0.2356mH200µ F≤ C≤ 944µ F

500≤ f r≤ 1200

逆变器输出滤波器设计

目标函数的曲面和等值线10 9 8 7 Cf 6 5 4 3 2 x 10-4

0.8

1

1.2

1.4

1.6 Lf

1.8

2

2.2

2.4 x 10-4

最优解：Lf=0.108mH, Cf=358uF各目标函数值：价格因数—1.81; THD—5.3%;谐波电流—82A基波跌落—2.2%

逆变器输出滤波器设计

三相逆变器共模电压的谐波分布分析5 0 0 V

2 5 0 V

0 V

- 2 5 0 V

- 5 0 0 V 4 0 m s

V ( R 1 3: 1 )

4 5 m s

5 0 m s

5 5 m s

6 0 m s

T i m

e

500V

250V

0V

-250V

-500V 50.0ms V(R13:1)

52.5ms

55.0ms

57.5ms

60.0ms

Time

逆变器输出滤波器设计

三相逆变器共模电压的谐波分布分析基波分量零当n=1,3,5…,k=2,4,6…时，在谐波 nωs±kω处，谐波的幅值 1 2Ed anπ Jk k= 6m 2 nπ 0 k=其他

当=2,4,6…k=1,3,5…时，在谐波 nωs± kω1处，谐波的幅值

2Ed anπ Jk 2 nπ 0

k= 3(2 m+ 1) k=其他

逆变器输出滤波器设计

计算以及仿真结果250 200 150 100 50 0

0

5000

10000

15000

250V

200V

100V

0V 0Hz

V(C1:1,0)

5KHz

10KHz

15KHz

Frequency

逆变器输出滤波器设计

幅度调制比为0.2,0.4 0.6,0.8,1.0的情况400 200 0 400 200 0 400 200 0 400 200 0 200 100 0 0 5000 10000 15000 0 5000 10000 15000 0 5000 10000 15000 0 5000 10000 15000 0 5000 10000 15000

逆变器输出滤波器设计

分析结果的应用 各种轴电流的抑制方案中有一部分是从抑制共模电流的角度出发的，例如零序电抗器和将dv/dt抑制滤波器的伪中性点与直流电容中点连接的方法。以上的分析结果为设计此种滤波器提供了方便