输出滤波器的计算

输出滤波器的计算一、滤波器选择的部分指标(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%。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，Wo为基波角1#频率，则由图1可得：Im=CU/、00(1)有上式可知，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滤波器的电容之不能太大。(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，是因为非线性负载时一种谐波电流源，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。LZ=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2)012LC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。综上说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。、（3）在采用同步调制控制方式的逆变电源中，频率为（2叫-叫）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（2叫-叫）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滤波器是，只需考虑滤波器对（2叫-叫）频率谐波的衰减。二、输出LC滤波器的计算一般说来，空载与负载相比，HF(2-)=*0sonb2.1综述空载时电压中的频率（2叫-叫）的谐波含量是最大的，根据公式:*J(an)N21Np+(1+N2p2)3)式中Q=RL/L/CN=(2-)/s00p=2LC0b=2U/E0Q22#a=bP/Q2+（1-P）2；少兀）为1阶的Besset函数，计算比较繁琐。空载时，HF0(2s-0)0可表示为：HF(20-)=2*10nbN2p-1*J(an)4)式中:N=(2s-)/p=2LC00；0b=2U/Ea=b1-p0；#对式（4）进行分析，可得空载时HF0（2s-0）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（2s-o）的谐波的谐波含量将增大。b,当卩在（0,1/N2）范围内取值时，HF0（2s-0）随卩的增加而增加，其中最小值是一个大于18%的数。C,当卩在（1/N2,1）范围内取值时，随着卩的增大，HF0（2s-0）将减小，其最小值为0。综上所述，可以的出如下结论：1）对于采用瞬时值反馈方式的逆变电源，在考察输出电压中歌词谐波的谐波含量大小时，只需考虑特定谐波（叭或2叫-叫）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卩的取值范围为（1/N2），在此范围内，谐波含量随卩的增加而减小。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有：额定输出电压的有效值U。、输出频率f0、开关频率fs、最低感性功率因数cos0、负载额定功率P、滤波器输入PWM波幅值的变化范围Emin-Emzx。确定L、C参数所依据的设计指标有四个：1）输出电压谐minmzx波含量指标。由用户对输出电压的单词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。（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歌词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。HF(20s)=A*1*J(an)g,007)式中：卩=。2LC，叫为基波角频率，Z为负载功率最大时的负载的阻抗值，9为最低感性负载功率因数时负载阻抗角。当卩为小于1的某一特定值时，可求得当式（7）取“=”时的L、C值为:C=0Z0(1)2(1p)2cos29(1p)sin9g,满足基波电压增益指标的L、C制的范围为：，Lo=P/叫Co(8)9）在C-L平面上，当卩在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。指标的L、C区域如图4中阴影所示。A凰对应的C值称为临界fe波电容值戢，临界滤波电容值是同是6#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：Cmin#2）确定空载输入基波电流指标当滤波电容去临界铝箔电容值cmin时，滤波器的空载输入基波电流的有效值为I=CU11)min0min0空载输入基波电流指标Iin按以下方式确定:I.，应在满足I.，I.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%。ininmin3）确定LC的取值范围Iin，对应得电容值为:12)C=inmaxU00CC满足空载输入基波电流指标的C值为：max（13）定于曲线C=C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max影部分所示。图弓満足基波电流指标的LC区域图6同时满足二个基本指标的LU区域（4）根据逆变电源对现行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，数逆变电源对线性负载的适应能够性最好。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值时最优值，其值为：C=in,L=0optUoP2C000opt（14）三、设计实例（1）设计要求有一相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cos0=0.6（感性）。三项输入交流电压为400V（+10%，-20%），输出变压器变比为2，逆变变电源采用电容电流及电压瞬时值反馈控制方式，=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。（2）设计过程1）确定临界谐波含量曲线E=400*1.1*1.25*0.5=275VmaxN=（2f-f）/f=2-9600/400=0.47s00b=2U/E=2*115/275=0.5910max叫=2n=800n（rad/s）HF0，=0.5%有式（5）可求得卩0=0.0574，临街谐波含量曲线如图7中曲线1所示。2）确定临界电压增益曲线E=400*0.8*1.25*0.5=200Vmin基波电压增益指标g52U/E=2*115/200=0.8130minZ额定负载阻抗Z=U2/P=1152*10-3/30=0.440800最低感性负载功率因数cos0=0.6由式（8）可得临界电压增益曲线，如图7中曲线2所示。3）确定临界基波电流曲线由式（10）可得临界滤波电容值Cmin=15由式（11）可得，爲=8|逆变电源的额定输出电流为I=P/U=30*103/115=260.87An0取I,=22%*I=57.39A，由式(12)得innC=57.39/(800*3.14*115)=198.6uFmax可得临界基波电流曲线如图7中的曲线3所示。4) 确定最优L、C值由式(6-62)得C=198.6uFoptL=45.8uHopt取L=46uH，C=200uF。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：I,=WC.U可知，滤波电容的临界电容：minominoC=I/WUminminoo式中I.为变频变压器的空载电流，W为基波频率，U为输出电压的有效值。minoo空载输入基波电流指标Iln按以下方式确定：Iln在满足ImImln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：C=1./WU。maxlnooTheEnd。11