LC濾波器ppt課件

1、基于PWM逆變器的LC濾波器設計,背景,為使電機穩(wěn)定運行應輸入正弦電壓波形，而脈寬調制(PWM)逆變器輸出的是方波。針對PWM逆變器諧波次數較高的特點，設計二階LC低通濾波器，將PWM逆變器輸出的方波變?yōu)檎也?，達到更好控制電機的目的。該LC濾波器的設計方法綜合考慮了濾波器的頻率特性、負載大小等要素，根據該方法選擇LC參數，可以優(yōu)化濾波器性能。,目錄 CONTENTS,04,設計實例與MATLAB仿真,05,結論,01,PWM逆變器主回路,02,常 K 型低通濾波器分析,03,濾波器參數計算,01,PWM逆變器主回路,目前的逆變技術主要采用脈寬調制方式，三相PWM逆變器主電路如圖1所示。當負載

2、為永磁同步電機時，為使電機平穩(wěn)運作，最好輸入正弦波。由于PWM調制本身的特性決定著逆變器的輸出電壓中含有較多的高次諧波分量，因而必須在逆變器的輸出側加低通濾波器來減小諧波含量，以得到平滑的正弦波。本設計采用常K型兩元件低通濾波器，即LC低通濾波器。,02,常 K 型低通濾波器分析,根據三相對稱原理，可先設計單相的LC濾波器，單相常 K型低通濾波器原理如圖2所示，LC 濾波器的串臂阻抗 Z1與并臂阻抗Z2乘積：,圖2 常K型低通濾波器,因為L/C具有阻抗平方量綱，所以將 K用濾波器的另一個參數R表示，即：,該低通濾波器在輸入、 輸出端阻抗匹配（阻抗的大小相等且相位相同）時濾波效果最好，令,在確定

3、濾波器參數L、C值后，K的值便成為常數，不隨其它參數變化，所以稱為常K型低通濾波器。,（2）,（3）,（4）,02,常 K 型低通濾波器分析,如圖 2 所示濾波器的輸入、輸出端特性阻抗分別為：,已知截止頻率fc為,所以當0ffc時，濾波器工作在通帶中，其衰耗接近0；當ffc時， 濾波器工作于阻帶中， 其衰耗頻率特性如圖 3 所示。 圖 中，,為濾波器的衰耗常數。,圖3 常 K 型濾波器的衰耗特性,此處需要利用到chm函數解析m值，即 令,為通用頻率，將式(7)帶入式(8)，可推導出阻帶衰耗為：,（6）,（5）,（7）,（8）,（9）,03,濾波器參數計算,由式(2)、式(7)可得:,由式(10

4、)、(11)可知fc與R的取值決定著參數L、C的值 。理論上三相逆變電路中的最低次諧波為五次，但是實際應用中元件受到干擾以及各種非線性等因素，三相逆變電路輸出中含有較多二次與三次諧波，所以實際設計調試中濾波器的截止頻率fc的值為三次或二次諧波頻率才能得到比較標準的正弦波形輸出。,由式(4)、(5)、(9)可得,（12）,（13）,（11）,（10）,03,濾波器參數計算,由式(12)、(13)可得，Z1、Z2與頻率的關系如圖 4 所示。在濾波器工作于通帶中時，當負載的值與濾波器的特性阻抗相等時衰耗為零。 但由圖 4 也可看出，Z1、Z2在通帶內不是常數，所以負載的值只需取在某一范圍，使負載值與

5、 Z1、Z2的偏差處在合適范圍內，濾波器就能將大部分電源能量傳送給負載。,在型濾波器中，負載與濾波器 Z2端相連，負載與Z2曲線的位置關系如圖4所示。當負載與Z2曲線的位置適中時，由圖可得：,圖4 Z1、Z2與頻率 的關系,（14）,04,濾波器參數計算,確定負載的大小，就可以確定 LC 濾波器的特性阻抗 R，將特性阻抗 R 和截止頻率fc代入式（10）、（11）中，就可以計算出參數 L、C 的值。 二階LC濾波器的傳遞函數為,式中； LC諧振角頻率； ，阻尼系數；=12RLC；Uo(s)濾波器輸出電壓；Ui(s)濾波器輸入電壓；s拉普拉斯變換算子。,（15）,04,設計實例與MATLAB仿真

6、,三相PWM逆變電路的參數如下：直流母線電壓24 V，輸出基波頻率f=50 Hz，載波頻率 fz=3kHz，輸出采用常K型兩元件低通濾波器。負載為永磁同步電機，額定電壓為24V，相電阻0.6，相電感0.002H。,則負載,因為R與RL越接近濾波效果越好，所以取,圖5 逆變器輸出波形的傅立葉分析,04,設計實例與MATLAB仿真,圖5是對PWM逆變器的輸出波形進行傅立葉分析的結果圖，測量結果顯示最低次諧波為5次諧波，其占基波的20%左右，波形總畸變率為30.09%。為保證輸出正弦波的畸變率低，要求所設計的濾波器的輸出波形中任意次諧波占基波比率不超過5%。因為5次諧波占基波20%，要減少到基波的

7、5%。所以:,由式(9)，可得：,5次諧波頻率f5=250 Hz，計算出 fc=250/2.124117 Hz?？紤]到實際中 L、C 元件的損耗會降低濾波性能，將截止頻率fc定為100 Hz。則L、C的值可由公式(10)(11)計算得到,此時,濾波器傳遞函數為:,04,根據傳遞函數可在MATLAB中畫出如圖6的伯德圖。,設計實例與MATLAB仿真,從圖6中可看出，頻率為50Hz(即314rad/s)的基波可以無衰減通過，而250 Hz(即1579rad/s)的五次諧波有較大衰減，對開關頻率3kHz的主電路而言,所產生的高頻分量(即角頻率在 rad/s以外的諧波)均可以得到很好的抑制。,圖6 濾

8、波器的相頻幅頻響應,04,因為三相對稱，所以L1=L2=L3=L，C1=C2=C3=C。根據計算所得的參數在simulink中建立如圖7的模型。PWM的調制波為頻率為50 Hz，相位角分別為0，120度，-120度的三個正弦波。輸出的PWM波控制IGBT全橋的開關，將直流電壓逆變?yōu)榉讲ㄝ敵?。電壓?（Voltage Measurement1）測量逆變器輸出電壓，即濾波器的輸入電壓。電壓表2（Voltage Measurement2）測量濾波器輸出電壓，測量所得的波形在示波器Scope上顯示。,圖7 三相PWM逆變器經LC濾波后對電機的控制圖,設計實例與MATLAB仿真,04,設計實例與MATLAB仿真,經仿真后，示波器scope的圖像如圖8。圖8上部為PWM逆變器輸出電壓波形，圖8下部為濾波器輸出電壓波形?？煽闯鐾ㄟ^濾波器后，線電壓已由方波變?yōu)楣饣恼也?，正弦波峰值?5V左右，即線電壓有效值約為24.7V，符合電機額定電壓為24V的要求。,圖8 濾波器輸入輸出電壓波形,04,設計實例與MATLAB仿真,濾波器輸出電壓波形的傅立葉分析結果如圖10，任意次諧波占基波的比率不超過0.9%，總畸變率1.34%。證明濾波后的波形與正弦波符合度較高，濾波器滿足設計要求，有較為良好的濾波效果。,圖9