并網(wǎng)逆變器濾波器的設(shè)計

1、并網(wǎng)逆變器濾波器的設(shè)計 QQ 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 一并網(wǎng)逆變器中濾波器的作用 二濾波器設(shè)計 1. 濾波器類型的選擇 2. 濾波器參數(shù)的計算 三濾波電感的制作 1. 磁芯的選擇 2. 繞線尺寸的選擇 1. 抑制輸出電流的過分波動及浪涌沖擊； 2. 濾波作用，將開關(guān)動作所產(chǎn)生的高頻電流成分濾除； 3. 連接電網(wǎng)和逆變器，通過它可以控制并網(wǎng)電流的幅值和相位， 可以實現(xiàn)功率因數(shù)等于1； 4. 隔離逆變橋輸出的電動勢與電網(wǎng)電動勢，保護(hù)全橋開關(guān)管， 防止其受到電網(wǎng)側(cè)高頻暫態(tài)干擾的影響。 在并網(wǎng)逆變器中，輸出濾波器的設(shè)計至關(guān)重要，它將 逆變橋產(chǎn)生的開關(guān)脈沖電壓、電流轉(zhuǎn)變成連續(xù)的模擬 量，其具體作用包括： 濾波

2、器類型的選擇 單電感濾波器結(jié)構(gòu)簡單，能有效抑制紋波。但是，其高頻諧波衰減特 性不夠理想，需要較大的電感量才能對諧波進(jìn)行有效衰減，或者，需 要采用較高的開關(guān)頻率來降低諧波電流，因此，單電感L濾波器通常用 于小功率高開關(guān)頻率的并網(wǎng)逆變器中 并網(wǎng)逆變器的輸出濾波器主要包括三類：并網(wǎng)逆變器的輸出濾波器主要包括三類：L L、LC LC 和和 LCLLCL，三者存在著各自的，三者存在著各自的 優(yōu)缺點。優(yōu)缺點。 LC 低通濾波器消除開關(guān)頻率附近的高次諧波。逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時，由 于電網(wǎng)電壓的嵌位作用，僅濾波電感對并網(wǎng)電流起濾波作用，濾波電 容相當(dāng)于本地負(fù)載，會影響進(jìn)網(wǎng)電流與基準(zhǔn)電流之間的相位，因此LC 濾波器

3、通常應(yīng)用于獨立工作的逆變器，較少應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器。 LCL濾波器結(jié)合了L、LC濾波器的優(yōu)點，即使在低開關(guān)頻率和較小的電 感情況下也能滿足電流諧波衰減要求，而且濾波器的電容也沒有跟電 網(wǎng)直接并聯(lián)，減小了電網(wǎng)高頻諧波的影響，所以LCL濾波器通常用于 較低開關(guān)頻率的中大功率場合。但是存在諧振，容易導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定， 因此需要增加系統(tǒng)的阻尼 綜合考慮，3kw單相并網(wǎng)逆變器采用LCL濾波器 1、投梭力對織造生產(chǎn)的影響、投梭力對織造生產(chǎn)的影響 （1）投梭力太小）投梭力太小 梭子飛行速度較低，出梭口時間較遲，出梭口梭子飛行速度較低，出梭口時間較遲，出梭口 時擠壓度較大，增加斷邊、邊跳花等疵點。時擠壓度較大，增

4、加斷邊、邊跳花等疵點。 梭子不易打到頭，造成下次投梭力不足而軋梭。梭子不易打到頭，造成下次投梭力不足而軋梭。 梭子速度太低，緯紗張力不足，造成無故緯停，梭子速度太低，緯紗張力不足，造成無故緯停， 甚至梭子碰撞緯紗叉。甚至梭子碰撞緯紗叉。 （2）投梭力過大）投梭力過大 梭子出梭口時間早，出梭口時擠壓度小，斷梭子出梭口時間早，出梭口時擠壓度小，斷 邊、跳花等疵點較少。邊、跳花等疵點較少。 增加動力和機(jī)物料的消耗，增加織機(jī)的振動增加動力和機(jī)物料的消耗，增加織機(jī)的振動 和噪聲，投梭機(jī)構(gòu)容易因部件松動和損壞而和噪聲，投梭機(jī)構(gòu)容易因部件松動和損壞而 出現(xiàn)故障。出現(xiàn)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 軋梭。若制梭力也較大，則梭子進(jìn)梭箱時易軋梭。若制梭力也較大，則梭子進(jìn)梭箱時易 產(chǎn)生脫緯和緯崩。產(chǎn)生脫緯和緯崩。 粗特緯紗和直接緯更容易發(fā)生脫緯和緯崩。粗特緯紗和直接緯更容易發(fā)生脫緯和緯崩。 LCL濾波器參數(shù)設(shè)計 參數(shù)條件： 直流母線輸入電壓Ua:360 額定輸出功率：3kW 輸出并網(wǎng)電流頻率f1：50Hz 開關(guān)頻率fs：20kHz 逆變器輸出電壓有效值Us：220V 額定輸出電流Is：15A LCL濾波器限制條件 swes f CLL LL ff 2 1 2 1 10 21 21 r1 LCL濾波器總的電感所產(chǎn)生的阻抗壓降小于額定工作情況下電網(wǎng)電壓的

6、10； 為了不使LCL濾波器的諧振峰出現(xiàn)在低頻或高頻段，所以設(shè)計LCL濾波器的諧 振頻率時，應(yīng)該大于在電網(wǎng)頻率的10 倍，小于開關(guān)頻率的一半，即 LCL濾波器中濾波電容上串聯(lián)的無源阻尼電阻來抑制諧振尖峰，一般選取阻尼 電阻為諧振頻率電容阻抗的1/3 sCs TtdtUTtdt)(1)()()(U-U Ca 1.1.逆變器側(cè)電感設(shè)計 逆變側(cè)電感L1的主要作用是抑制逆變器側(cè)的電流 紋波，因此逆變器電感L1的取值主要由輸出最大電 流紋波決定。 通常選取其電流紋波幅值為額定并網(wǎng)電流10%25%， 單極性調(diào)制下，電感電流為 穩(wěn)態(tài)時，電感電流增減量相等，故有 SL Ii*%15 max 1 S Ca L

7、Ttd L UU i)( t 1 1 ）（ 化簡得 當(dāng)Uc(t)=Ua 時，iL1最大，即 已知 故有 代入計算得 L11mh ，電感L1=2mh 2.濾波電容設(shè)計 根據(jù)電容的無功功率來設(shè)計，一般選取濾波電容C上的 無功功率低于10%，可得 代入計算得 C20uf ， 電容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.網(wǎng)側(cè)電感的設(shè)計 逆變器側(cè)

8、電流的諧波主要分布在開關(guān)頻率處，因此網(wǎng) 側(cè)電感可以根據(jù)在開關(guān)頻率處電流諧波的衰減度進(jìn)行 設(shè)計 國家并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定電流諧波衰減率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 ）（ 不同文獻(xiàn)對電網(wǎng)側(cè)電感L2的取值不同，一般取L1/L2的比值在 46 之間比較合適，取電網(wǎng)側(cè)電感0.4mH。 逆變器側(cè)電感L1=2mh，網(wǎng)側(cè)電感L2=0.4mh，電容C=20uF.計算出LCL 濾波器諧振頻率 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 設(shè)電感L1及L2上總壓降為 ,其總壓降不能超過電網(wǎng)電 壓的10%,即 電感的制作 選定磁芯尺寸和繞組匝數(shù)、繞線尺寸達(dá)到下述設(shè)計要求： (a) 電感值為2mH (b) 額定電流值為15A 1.選擇磁芯 在開關(guān)電源中，常用的磁芯有鐵氧體、磁粉芯、非晶態(tài)合金及 硅鋼片等。 磁芯材料性能簡述 磁粉芯 由鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混合壓制而成的一種軟磁材料， 高頻渦流損耗低，非線性磁導(dǎo)率，適用于制作諧振電感、功率因 數(shù)校正電感、輸出濾波電感等。但在100kHz以上，損耗大，很少 再用磁粉芯。 鐵氧體 高電阻率，高頻損耗小，低飽

10、和磁感應(yīng)強(qiáng)度，熱穩(wěn)定性 差，價格低廉。在大功率開關(guān)電源裝置中，如果開關(guān)頻率30kHz 以下，因為鐵氧體的磁通密度低，磁芯體積、重量加大，其優(yōu)勢 無法顯露，故廣泛應(yīng)用在高頻場合。 磁芯材料性能簡述 非晶 高磁導(dǎo)率、高磁感應(yīng)強(qiáng)度、低損耗、優(yōu)越的熱穩(wěn)定 性。在中高頻領(lǐng)域中，非晶可以取代部分鐵氧體市場。但 價格比較高，磁芯標(biāo)準(zhǔn)不明確，使其不能廣泛使用。 硅鋼 高磁導(dǎo)率，低電阻率，渦流損耗大。和鐵基非晶合 金相比，硅鋼磁通密度高、填充系數(shù)大、成本低但損耗高， 是最廣泛應(yīng)用在低頻場合的磁芯材料。 設(shè)計逆變輸出濾波器高頻電感時，需要考慮 諧波引起的渦流損耗，故磁芯應(yīng)具有高電阻率。 結(jié)合飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、工作環(huán)

11、境、材料的價格等 因素，采用磁粉芯。 磁粉芯根據(jù)含磁性材料粉末的不同有4類：鐵粉芯，鐵 硅鋁 (Koolmu)，高磁通密度（鐵鎳磁粉），鉬坡莫合 金磁粉芯（MPP）。 在開關(guān)電源頻率因鐵粉芯損耗最大，鐵粉磁芯很少 應(yīng)用，是磁粉芯中最差的。鐵硅鋁較好，皮莫合金最 好,但價格最高，綜合考慮采用鐵硅鋁磁粉芯。 根據(jù)美磁公司給出的電感設(shè)計手冊來選取磁芯型號。 (1) 計算產(chǎn)品的LI2 L=2mH ,I=15A，故LI2=450 mHA2 (2) 通過KoolM的LI2圖，水平軸上的數(shù)值選定為450mHA2。按 照對應(yīng)的縱向坐標(biāo)，即可知道77735是滿足上述要求的最佳選擇。 2.確定繞組匝數(shù) (1)計算

12、初始繞組匝數(shù)： 通過77735磁芯數(shù)據(jù)頁，可發(fā)現(xiàn)該磁芯的電感因子(AL)為88nH/T2，計 算空載繞組匝數(shù)，L為所需電感值。采用2個磁環(huán)，故每個所需的電感 值為1mH： ，取整數(shù)為107匝 (2) 計算額定電流時磁場強(qiáng)度 (3)確定初始磁導(dǎo)率滿載時的下降百分比，計算出滿載時電感值 根據(jù)磁導(dǎo)率-磁場強(qiáng)度曲線，確定磁導(dǎo)率為初始磁導(dǎo)率的88%，額定電 流時的電感值：L=1mH*88%=0.88mH （電感變化量低于20%） 繞組匝數(shù)滿足要求。 若電感變化量高于20%，需要調(diào)整匝數(shù)，繼而調(diào)整電感值，重新步 驟(2)、(3)驗證，直至電感值滿足要求。 6 .106 /nH88 nH10 A L N 6

13、 L T 4 .86 75.18 15*108NI H l 電感的制作 3. 選擇繞線（銅線）尺寸 在高頻電路中，電流并不是是均勻分布于它的截面上，線圈的磁場感應(yīng) 變化，產(chǎn)生了渦流，從而導(dǎo)致了集膚效應(yīng)。集膚效應(yīng)使電流只流經(jīng)繞線外 層極薄的部分，這部分的厚度或環(huán)形導(dǎo)電面積與頻率的平方根成反比。 集膚效應(yīng):導(dǎo)線中流過高頻電流，變化的 電流產(chǎn)生的變化磁場感應(yīng)出環(huán)形電壓，如圖 中的abcd和efgh所示。這些電壓的極性使渦 流沿著環(huán)的邊界流動。渦流的方向與環(huán)內(nèi)主 電流OA的流向相反（d到c、e到f），而與環(huán) 外主電流的流向相同（b到a、g到h）。這導(dǎo) 致導(dǎo)線內(nèi)的電流相互抵消，所有電流集中在 導(dǎo)線的表面

14、。 通常將電流密度減少到導(dǎo)體截面表層電流密度的 1/e 處的深度叫做集膚深度，即認(rèn)為表面下深度為 的厚度導(dǎo)體流過導(dǎo)線的全部電流，而在層以外的 導(dǎo)體完全不流過電流，銅導(dǎo)線溫度20、不同頻率下 的穿透深度, f=20kHz，代入公式計算得=0.4673mm。為使導(dǎo)線均 勻流過電流，所選導(dǎo)線的直徑應(yīng)小于2倍的集膚深度， 即 D2。 故選取導(dǎo)線規(guī)格為AWG23，直徑為0.57mm 的銅線。 ）（cm 6 . 6 f 高頻時，繞線直徑越大，其損耗越大，因此往往采用多股線并聯(lián)來取代同樣 面積的單股線，一般銅線電流密度J為5A/mm2，則每根直徑0.57mm的導(dǎo)線通過的 電流為 n=I/Im=11.6,取n=12，即12股導(dǎo)線作為一匝，可通過電流15A。 107匝、每匝12股直徑為0.57mm的導(dǎo)線，可攜帶電流15A，總繞 線面積為413.57mm2。77735的窗口面積為1550mm2，計算窗口填充 率27% 。77735磁芯