并網(wǎng)逆變器濾波器設(shè)計(jì)

1、并網(wǎng)逆變器濾波器的設(shè)計(jì)QQ 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 并網(wǎng)逆變器中濾波器的作用 濾波器設(shè)計(jì) 濾波器類(lèi)型的選擇 濾波器參數(shù)的計(jì)算 濾波電感的制作 磁芯的選擇 繞線(xiàn)尺寸的選擇 抑制輸出電流的過(guò)分波動(dòng)及浪涌沖擊； 濾波作用，將開(kāi)關(guān)動(dòng)作所產(chǎn)生的高頻電流成分濾除； 連接電網(wǎng)和逆變器，通過(guò)它可以控制并網(wǎng)電流的幅值和相位，可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)等于1；1. 隔離逆變橋輸出的電動(dòng)勢(shì)與電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)，保護(hù)全橋開(kāi)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(jì)至關(guān)重要，它將逆變橋產(chǎn)生的開(kāi)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： 濾波器類(lèi)型的選擇 單電感濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能有效抑制紋波。但是，其高

2、頻諧波衰減特性不夠理想，需要較大的電感量才能對(duì)諧波進(jìn)行有效衰減，或者，需要采用較高的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)降低諧波電流，因此，單電感L濾波器通常用于小功率高開(kāi)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(lèi)：并網(wǎng)逆變器的輸出濾波器主要包括三類(lèi)：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(diǎn)。優(yōu)缺點(diǎn)。LC 低通濾波器消除開(kāi)關(guān)頻率附近的高次諧波。逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由于電網(wǎng)電壓的嵌位作用，僅濾波電感對(duì)并網(wǎng)電流起濾波作用，濾波電容相當(dāng)于本地負(fù)載，會(huì)影響進(jìn)網(wǎng)電流與基準(zhǔn)電流之間的相位，因此LC 濾波器通常應(yīng)用于獨(dú)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

3、濾波器的優(yōu)點(diǎn)，即使在低開(kāi)關(guān)頻率和較小的電感情況下也能滿(mǎn)足電流諧波衰減要求，而且濾波器的電容也沒(méi)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L(fǎng)CL濾波器通常用于較低開(kāi)關(guān)頻率的中大功率場(chǎng)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(duì)織造生產(chǎn)的影響、投梭力對(duì)織造生產(chǎn)的影響（1）投梭力太?。┩端罅μ?梭子飛行速度較低，出梭口時(shí)間較遲，出梭口梭子飛行速度較低，出梭口時(shí)間較遲，出梭口時(shí)擠壓度較大，增加斷邊、邊跳花等疵點(diǎn)。時(shí)擠壓度較大，增加斷邊、邊跳花等疵點(diǎn)。 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

4、力不足而軋梭。 梭子速度太低，緯紗張力不足，造成無(wú)故緯停，梭子速度太低，緯紗張力不足，造成無(wú)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(guò)大）投梭力過(guò)大 梭子出梭口時(shí)間早，出梭口時(shí)擠壓度小，斷梭子出梭口時(shí)間早，出梭口時(shí)擠壓度小，斷邊、跳花等疵點(diǎn)較少。邊、跳花等疵點(diǎn)較少。 增加動(dòng)力和機(jī)物料的消耗，增加織機(jī)的振動(dòng)增加動(dòng)力和機(jī)物料的消耗，增加織機(jī)的振動(dòng)和噪聲，投梭機(jī)構(gòu)容易因部件松動(dòng)和損壞而和噪聲，投梭機(jī)構(gòu)容易因部件松動(dòng)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(shí)易軋梭。若制梭力也較大，

5、則梭子進(jìn)梭箱時(shí)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(jì) 參數(shù)條件： 直流母線(xiàn)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(kāi)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swesfCLLLLff2121102121r1 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(jì)LCL濾波器的諧振頻率時(shí)，應(yīng)該大于在電網(wǎng)頻率的10 倍，小于開(kāi)關(guān)頻率的

6、一半，即LCL濾波器中濾波電容上串聯(lián)的無(wú)源阻尼電阻來(lái)抑制諧振尖峰，一般選取阻尼電阻為諧振頻率電容阻抗的1/3sCsTtdtUTtdt)(1)()()(U-UCa1.1.逆變器側(cè)電感設(shè)計(jì) 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(shí)，電感電流增減量相等，故有SLIi*%15max1SCaLTtdLUUi)(t11）（化簡(jiǎn)得當(dāng)Uc(t)=Ua 時(shí)，iL1最大，即已知 故有 代入計(jì)算得 L11mh ，電感L1=2mh2.濾波電容設(shè)計(jì) 根據(jù)電容的無(wú)功功率來(lái)設(shè)計(jì)，一般

7、選取濾波電容C上的無(wú)功功率低于10%，可得代入計(jì)算得 C20uf ， 電容C=20uF SaLfLUi1pp14222*%10*%10SSfUPUPCmax112LLiippSaCCaLTUtULtUUi*)(*)(11SSaSLafIUfiUL*%15*88max113.網(wǎng)側(cè)電感的設(shè)計(jì)逆變器側(cè)電流的諧波主要分布在開(kāi)關(guān)頻率處，因此網(wǎng)側(cè)電感可以根據(jù)在開(kāi)關(guān)頻率處電流諧波的衰減度進(jìn)行設(shè)計(jì)國(guó)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)11)()(d22CLhihisswswgmhCfs13. 02d112L2）（ 不同文獻(xiàn)對(duì)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

8、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(jì)算出LCL濾波器諧振頻率mHIfUmSS67. 4*2*%10H4 . 2LL21K1021K221500102121r1swesfCLLLLff)(*21LLIUSL設(shè)電感L1及L2上總壓降為 ,其總壓降不能超過(guò)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(xiàn)尺寸達(dá)到下述設(shè)計(jì)要求：(a) 電感值為2mH (b) 額定電流值為15A1.選擇磁芯 在開(kāi)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(jiǎn)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

9、渦流損耗低，非線(xiàn)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，低飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，熱穩(wěn)定性差，價(jià)格低廉。在大功率開(kāi)關(guān)電源裝置中，如果開(kāi)關(guān)頻率30kHz以下，因?yàn)殍F氧體的磁通密度低，磁芯體積、重量加大，其優(yōu)勢(shì)無(wú)法顯露，故廣泛應(yīng)用在高頻場(chǎng)合。 磁芯材料性能簡(jiǎn)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(chǎng)。但價(jià)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

10、，是最廣泛應(yīng)用在低頻場(chǎng)合的磁芯材料。 設(shè)計(jì)逆變輸出濾波器高頻電感時(shí)，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)境、材料的價(jià)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(lèi)：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(kāi)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(jià)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(jì)手冊(cè)來(lái)選取磁芯型號(hào)。(1) 計(jì)算產(chǎn)品的LI2 L=2mH ,I=15A，故LI2=450 mHA2(2) 通過(guò)KoolM的LI2圖，水平軸

11、上的數(shù)值選定為450mHA2。按照對(duì)應(yīng)的縱向坐標(biāo)，即可知道77735是滿(mǎn)足上述要求的最佳選擇。2.確定繞組匝數(shù)(1)計(jì)算初始繞組匝數(shù)： 通過(guò)77735磁芯數(shù)據(jù)頁(yè)，可發(fā)現(xiàn)該磁芯的電感因子(AL)為88nH/T2，計(jì)算空載繞組匝數(shù)，L為所需電感值。采用2個(gè)磁環(huán)，故每個(gè)所需的電感值為1mH： ，取整數(shù)為107匝(2) 計(jì)算額定電流時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度 (3)確定初始磁導(dǎo)率滿(mǎn)載時(shí)的下降百分比，計(jì)算出滿(mǎn)載時(shí)電感值 根據(jù)磁導(dǎo)率-磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線(xiàn)，確定磁導(dǎo)率為初始磁導(dǎo)率的88%，額定電流時(shí)的電感值：L=1mH*88%=0.88mH （電感變化量低于20%） 繞組匝數(shù)滿(mǎn)足要求。 若電感變化量高于20%，需要調(diào)整匝數(shù)，繼而調(diào)

12、整電感值，重新步驟(2)、(3)驗(yàn)證，直至電感值滿(mǎn)足要求。6 .106/nH88nH10ALN6LT4 .8675.1815*108NIHl 電感的制作3. 選擇繞線(xiàn)（銅線(xiàn)）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(xiàn)圈的磁場(chǎng)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(xiàn)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(xiàn)中流過(guò)高頻電流，變化的 電流產(chǎn)生的變化磁場(chǎng)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(dòng)。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

13、（b到a、g到h）。這導(dǎo) 致導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)的電流相互抵消，所有電流集中在 導(dǎo)線(xiàn)的表面。 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(guò)導(dǎo)線(xiàn)的全部電流，而在層以外的導(dǎo)體完全不流過(guò)電流，銅導(dǎo)線(xiàn)溫度20、不同頻率下的穿透深度, f=20kHz，代入公式計(jì)算得=0.4673mm。為使導(dǎo)線(xiàn)均勻流過(guò)電流，所選導(dǎo)線(xiàn)的直徑應(yīng)小于2倍的集膚深度，即 D2。 故選取導(dǎo)線(xiàn)規(guī)格為AWG23，直徑為0.57mm的銅線(xiàn)。 ）（cm6 . 6f 高頻時(shí)，繞線(xiàn)直徑越大，其損耗越大，因此往往采用多股線(xiàn)并聯(lián)來(lái)取代同樣面積的單股線(xiàn)，一般銅線(xiàn)電流密度J為5A/mm2，則每根直徑0.57mm的導(dǎo)線(xiàn)通過(guò)的電流為n=I/Im=11.6,取n=12，即12股導(dǎo)線(xiàn)作為一匝，可通過(guò)電流15A。 107匝、每匝12股直徑為0.57mm的導(dǎo)線(xiàn)，可攜帶電流15A，總繞線(xiàn)面積為413.57mm2。77735的窗口面積為1550mm2，計(jì)算窗口填充率27% 。77735磁