并网逆变器滤波器的设计

1、并网逆变器滤波器的设计 QQ 主要内容主要内容 一并网逆变器中滤波器的作用 二滤波器设计 1. 滤波器类型的选择 2. 滤波器参数的计算 三滤波电感的制作 1. 磁芯的选择 2. 绕线尺寸的选择 1. 抑制输出电流的过分波动及浪涌冲击； 2. 滤波作用，将开关动作所产生的高频电流成分滤除； 3. 连接电网和逆变器，通过它可以控制并网电流的幅值和相位， 可以实现功率因数等于1； 4. 隔离逆变桥输出的电动势与电网电动势，保护全桥开关管， 防止其受到电网侧高频暂态干扰的影响。 在并网逆变器中，输出滤波器的设计至关重要，它将 逆变桥产生的开关脉冲电压、电流转变成连续的模拟 量，其具体作用包括： 滤波

2、器类型的选择 单电感滤波器结构简单，能有效抑制纹波。但是，其高频谐波衰减特 性不够理想，需要较大的电感量才能对谐波进行有效衰减，或者，需 要采用较高的开关频率来降低谐波电流，因此，单电感L滤波器通常用 于小功率高开关频率的并网逆变器中 并网逆变器的输出滤波器主要包括三类：并网逆变器的输出滤波器主要包括三类：L L、LC LC 和和 LCLLCL，三者存在着各自的，三者存在着各自的 优缺点。优缺点。 LC 低通滤波器消除开关频率附近的高次谐波。逆变器并网运行时，由 于电网电压的嵌位作用，仅滤波电感对并网电流起滤波作用，滤波电 容相当于本地负载，会影响进网电流与基准电流之间的相位，因此LC 滤波器

3、通常应用于独立工作的逆变器，较少应用于并网逆变器。 LCL滤波器结合了L、LC滤波器的优点，即使在低开关频率和较小的电 感情况下也能满足电流谐波衰减要求，而且滤波器的电容也没有跟电 网直接并联，减小了电网高频谐波的影响，所以LCL滤波器通常用于 较低开关频率的中大功率场合。但是存在谐振，容易导致系统不稳定， 因此需要增加系统的阻尼 综合考虑，3kw单相并网逆变器采用LCL滤波器 1、投梭力对织造生产的影响、投梭力对织造生产的影响 （1）投梭力太小）投梭力太小 梭子飞行速度较低，出梭口时间较迟，出梭口梭子飞行速度较低，出梭口时间较迟，出梭口 时挤压度较大，增加断边、边跳花等疵点。时挤压度较大，增

4、加断边、边跳花等疵点。 梭子不易打到头，造成下次投梭力不足而轧梭。梭子不易打到头，造成下次投梭力不足而轧梭。 梭子速度太低，纬纱张力不足，造成无故纬停，梭子速度太低，纬纱张力不足，造成无故纬停， 甚至梭子碰撞纬纱叉。甚至梭子碰撞纬纱叉。 （2）投梭力过大）投梭力过大 梭子出梭口时间早，出梭口时挤压度小，断梭子出梭口时间早，出梭口时挤压度小，断 边、跳花等疵点较少。边、跳花等疵点较少。 增加动力和机物料的消耗，增加织机的振动增加动力和机物料的消耗，增加织机的振动 和噪声，投梭机构容易因部件松动和损坏而和噪声，投梭机构容易因部件松动和损坏而 出现故障。出现故障。 梭子回跳量增加，造成下一次投梭力不

5、足而梭子回跳量增加，造成下一次投梭力不足而 轧梭。若制梭力也较大，则梭子进梭箱时易轧梭。若制梭力也较大，则梭子进梭箱时易 产生脱纬和纬崩。产生脱纬和纬崩。 粗特纬纱和直接纬更容易发生脱纬和纬崩。粗特纬纱和直接纬更容易发生脱纬和纬崩。 LCL滤波器参数设计 参数条件： 直流母线输入电压Ua:360 额定输出功率：3kW 输出并网电流频率f1：50Hz 开关频率fs：20kHz 逆变器输出电压有效值Us：220V 额定输出电流Is：15A LCL滤波器限制条件 swes f CLL LL ff 2 1 2 1 10 21 21 r1 LCL滤波器总的电感所产生的阻抗压降小于额定工作情况下电网电压的

6、10； 为了不使LCL滤波器的谐振峰出现在低频或高频段，所以设计LCL滤波器的谐 振频率时，应该大于在电网频率的10 倍，小于开关频率的一半，即 LCL滤波器中滤波电容上串联的无源阻尼电阻来抑制谐振尖峰，一般选取阻尼 电阻为谐振频率电容阻抗的1/3 sCs TtdtUTtdt)(1)()()(U-U Ca 1.1.逆变器侧电感设计 逆变侧电感L1的主要作用是抑制逆变器侧的电流 纹波，因此逆变器电感L1的取值主要由输出最大电 流纹波决定。 通常选取其电流纹波幅值为额定并网电流10%25%， 单极性调制下，电感电流为 稳态时，电感电流增减量相等，故有 SL Ii*%15 max 1 S Ca L

7、Ttd L UU i)( t 1 1 ）（ 化简得 当Uc(t)=Ua 时，iL1最大，即 已知 故有 代入计算得 L11mh ，电感L1=2mh 2.滤波电容设计 根据电容的无功功率来设计，一般选取滤波电容C上的 无功功率低于10%，可得 代入计算得 C20uf ， 电容C=20uF S a L fL U i 1 pp1 4 22 2 *%10*%10 SS fU P U P C max 11 2 LL ii pp S a CCa L T U tU L tUU i* )( * )( 1 1 SS a SL a fI U fi U L *%15*88 max1 1 3.网侧电感的设计 逆变器侧

8、电流的谐波主要分布在开关频率处，因此网 侧电感可以根据在开关频率处电流谐波的衰减度进行 设计 国家并网标准中规定电流谐波衰减率d低于5%，故有 )1 1 )( )( d 2 2 CL hi hi s sw swg mh Cfs 13. 0 2 d 1 1 2L 2 ）（ 不同文献对电网侧电感L2的取值不同，一般取L1/L2的比值在 46 之间比较合适，取电网侧电感0.4mH。 逆变器侧电感L1=2mh，网侧电感L2=0.4mh，电容C=20uF.计算出LCL 滤波器谐振频率 mH If U m S S 67. 4 *2 *%10 H4 . 2LL 21 K10 2 1 K2 2 1 50010

9、 21 21 r1 swes f CLL LL ff )(* 21 LLIU SL 设电感L1及L2上总压降为 ,其总压降不能超过电网电 压的10%,即 电感的制作 选定磁芯尺寸和绕组匝数、绕线尺寸达到下述设计要求： (a) 电感值为2mH (b) 额定电流值为15A 1.选择磁芯 在开关电源中，常用的磁芯有铁氧体、磁粉芯、非晶态合金及 硅钢片等。 磁芯材料性能简述 磁粉芯 由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料， 高频涡流损耗低，非线性磁导率，适用于制作谐振电感、功率因 数校正电感、输出滤波电感等。但在100kHz以上，损耗大，很少 再用磁粉芯。 铁氧体 高电阻率，高频损耗小，低饱

10、和磁感应强度，热稳定性 差，价格低廉。在大功率开关电源装置中，如果开关频率30kHz 以下，因为铁氧体的磁通密度低，磁芯体积、重量加大，其优势 无法显露，故广泛应用在高频场合。 磁芯材料性能简述 非晶 高磁导率、高磁感应强度、低损耗、优越的热稳定 性。在中高频领域中，非晶可以取代部分铁氧体市场。但 价格比较高，磁芯标准不明确，使其不能广泛使用。 硅钢 高磁导率，低电阻率，涡流损耗大。和铁基非晶合 金相比，硅钢磁通密度高、填充系数大、成本低但损耗高， 是最广泛应用在低频场合的磁芯材料。 设计逆变输出滤波器高频电感时，需要考虑 谐波引起的涡流损耗，故磁芯应具有高电阻率。 结合饱和磁感应强度、工作环

11、境、材料的价格等 因素，采用磁粉芯。 磁粉芯根据含磁性材料粉末的不同有4类：铁粉芯，铁 硅铝 (Koolmu)，高磁通密度（铁镍磁粉），钼坡莫合 金磁粉芯（MPP）。 在开关电源频率因铁粉芯损耗最大，铁粉磁芯很少 应用，是磁粉芯中最差的。铁硅铝较好，皮莫合金最 好,但价格最高，综合考虑采用铁硅铝磁粉芯。 根据美磁公司给出的电感设计手册来选取磁芯型号。 (1) 计算产品的LI2 L=2mH ,I=15A，故LI2=450 mHA2 (2) 通过KoolM的LI2图，水平轴上的数值选定为450mHA2。按 照对应的纵向坐标，即可知道77735是满足上述要求的最佳选择。 2.确定绕组匝数 (1)计算

12、初始绕组匝数： 通过77735磁芯数据页，可发现该磁芯的电感因子(AL)为88nH/T2，计 算空载绕组匝数，L为所需电感值。采用2个磁环，故每个所需的电感 值为1mH： ，取整数为107匝 (2) 计算额定电流时磁场强度 (3)确定初始磁导率满载时的下降百分比，计算出满载时电感值 根据磁导率-磁场强度曲线，确定磁导率为初始磁导率的88%，额定电 流时的电感值：L=1mH*88%=0.88mH （电感变化量低于20%） 绕组匝数满足要求。 若电感变化量高于20%，需要调整匝数，继而调整电感值，重新步 骤(2)、(3)验证，直至电感值满足要求。 6 .106 /nH88 nH10 A L N 6

13、 L T 4 .86 75.18 15*108NI H l 电感的制作 3. 选择绕线（铜线）尺寸 在高频电路中，电流并不是是均匀分布于它的截面上，线圈的磁场感应 变化，产生了涡流，从而导致了集肤效应。集肤效应使电流只流经绕线外 层极薄的部分，这部分的厚度或环形导电面积与频率的平方根成反比。 集肤效应:导线中流过高频电流，变化的 电流产生的变化磁场感应出环形电压，如图 中的abcd和efgh所示。这些电压的极性使涡 流沿着环的边界流动。涡流的方向与环内主 电流OA的流向相反（d到c、e到f），而与环 外主电流的流向相同（b到a、g到h）。这导 致导线内的电流相互抵消，所有电流集中在 导线的表面

14、。 通常将电流密度减少到导体截面表层电流密度的 1/e 处的深度叫做集肤深度，即认为表面下深度为 的厚度导体流过导线的全部电流，而在层以外的 导体完全不流过电流，铜导线温度20、不同频率下 的穿透深度, f=20kHz，代入公式计算得=0.4673mm。为使导线均 匀流过电流，所选导线的直径应小于2倍的集肤深度， 即 D2。 故选取导线规格为AWG23，直径为0.57mm 的铜线。 ）（cm 6 . 6 f 高频时，绕线直径越大，其损耗越大，因此往往采用多股线并联来取代同样 面积的单股线，一般铜线电流密度J为5A/mm2，则每根直径0.57mm的导线通过的 电流为 n=I/Im=11.6,取n=12，即12股导线作为一匝，可通过电流15A。 107匝、每匝12股直径为0.57mm的导线，可携带电流15A，总绕 线面积为413.57mm2。77735的窗口面积为1550mm2，计算窗口填充 率27% 。77735磁芯