毕业设计论文-三相pwm逆变器lcl滤波电路的设计

毕业设计论文-三相pwm逆变器lcl滤波电路的设计内容摘要：

LCL滤波元件的设计方法及 设计原则。 谐振频率约束 由第二章中对逆变电路的谐波分析可知，三相 PWM逆变电路的谐波主要分布在开关频率 fs及其倍数段附近。 但在 fs/2范围内，有相对较小的输出电压谐波幅值。 同时，由文献 [5]可知， LCL 滤波电路会产生谐振，零阻抗谐振点的存在可能会导致永磁同步电机定子电流发生畸变，导致其运行不稳定。 因此，在设计逆变器侧电感参数时，本文本着约束谐振频率的原则， 使 L1 的取值尽量避免谐振频率的敏感频段，设计在 fs/2的安全范围内。 为了进一步稳定系统，提高滤波效果，抑制谐振，文献 [7]提出了两种方法 避免零阻抗谐振，其一是通过改变控制算法的主动阻尼法，其二是通 过在滤波电容支路并联或者串联额外电阻的无阻尼法。 相比主动阻尼法，无阻尼法额外加入的电阻，会损耗能量，消耗额外功率。 若减小阻尼电阻值，又达不到预期的抑制谐振的效果。 但是无阻尼法实现起来比较简单，本问在后面的章节中对无阻尼的特性进行了阐述。 电感约束 根据文献 [11]，假设 PWM逆变电路的输出电压谐波 Vi为 n阶，记为Vi(n),谐波的限制电流值为 Ii(n)，电路感抗为 nL。 对于一阶电路，所需滤波电感的表达式为 )( )(m a x)(m a x nIn nVnLL ii (31) 这里，取 )()(max nIn nVL ii ， n=2,3,4… (3 2) 当电流谐波最大为 n*时，电感 L的表达式为     nnI nVL ii ,)( )(m a x (33) 对于三阶电路，简化图 28，可得如下电路图。 L 3L 1CU i ’ii ’I i ’I i 图 31 LCL滤波器单相等效电路图 此图为 LCL滤波电路，忽略阻尼电 阻的单相等效电路图。 L3=L2+L1，可得 Ii(n)与 Ui(n)之间的关系如下   )()(1)()(1 1)( 3123132 nUCLLnLLjnnICLnnI iii   (34) 即负载侧等效谐波阻抗为   23131231 1)()( )( r e siie q u nLLCLLnLLnIn nUL   (35) 由上文中以谐振频率为约束条件的原则，选取 resf fs/2,即， res=*/2,L 与 LCL滤波器想要得到相同的滤波效果，对于 n*次谐波， LCL滤波器负载侧等效阻抗  LLequ ，则有  31231 31)( LLLLLLr e se q u     (36) 根据式 (35)可知，当满足相同的抑制谐波标准时， L滤波器的电感总值近似为 LCL滤波器的三倍，从总电感约束的原则考虑，选取 LCL滤波器更加经济，需要的电感总值更小。 谐振衰减约束 本节主要通过分析逆变器侧输出电流与电机定子电流之间的关系，验证 LCL滤波器对永磁同步电机定子电流谐波的抑制规律。 进而合理的选取滤波元件的参数。 根据图 28，可知逆变器侧输出电流与电机定子电流之间的关系为 )(1)(1)()(131232 nILLLnCLnnInIir e sii   (37) 则 ， iI 与 Ii之间的关系如下 )()(110)()(1113121312nInILLLnnInILLLniir e siir e s (38) 对式 (38)化简可得 r e sii ii LL LnInIn nInIn   31 12,)()( )()(    (39) 其中，  是 LCL滤波器转折频率，由式 (39)可知，当谐振频率大于转折频率  时，电机定子电流衰减。 当谐振频率小于转折频率  时，电机定子电流反而升 高。 文献 [7]指出，若要减小 n  的影响，可以通过增大电机定子电感 L 或者负载侧滤波电感 L2 的参数。 但是，这又意味着增加了LCL 滤波电路总电感值，增加了功率损耗。 这一问题还需研究人员进一步 的探讨解决。 LCL滤波元件参数设计 逆变器侧电感的设计 三相 PWM逆变电路侧电感 L1主要用来抑制逆变器侧的纹波电流，根据定子电流的期望纹波电流值可以计算出电感 L1。 逆变器侧电流纹波 i 的表达式为 [11,12] sdci LfUi 8 (310) 取定子额定电流的 20%（一般在 10%25%之间）作为最大纹波电流，则可以得到 nsdci ILfUi %208  (311) 其中， dcU 为直流母线电压 300V。 sf 为 PWM 开关频率 20kHZ。 nI 为定子额定电流值。 根据式 (311)可以得到滤波电感 L1 的值为。 为了便于对比Ｌ滤波器与 LCL滤波器的滤波效果，本文在 L滤波电路中的滤波电感 L 也设定为。 滤波电容的设计 在三相 PWM逆变器的工作状态下，希望逆变器工作在单位功率因数，但是加入滤波电容后，无法控制 C 所吸收的无功功率，逆变器工作的功率因数会降低 [7,11,12]。 因此，我们要选择合适的电容值，使其一部分能够满足滤波要求 ，一部分不会使逆变器的功率因数下降很多，现取 3%计算（应限制在 5%以内）。 假设永磁同步电机的额定功率为 P=10kVA,则加入滤波电容后，电路中下降的无功功率 Q为 Q = 3 % P 0 .0 3 1 0 0 0 0 3 0 0 V a r   (312) 根据式 (312)，可以计算出滤波电容的表达式为 2 2 2Q 30 0 = 6. 58 uF3 E 3 E 2 6 22 0 50n n n nQC wf       (313) 其中， En 为永磁同步电机额定电压 380V， fn为电机额定频率 50Hz。 负载侧电感的设计 根据所设计出的逆变器侧电 感 L1和滤波电容 C的值，可以通过系统单相电路图得出定子电流的纹波与逆变器侧电流纹波的关系式，如下  3Lfiiii  (314) 根据式 (314)可以设计合理的滤波电感值，不仅达到要求滤波效果，而且尽量使电路电感值很小。 忽略阻尼电阻的影响，根据图 31，可得 233111 L CsaaI sCI sLsC  (315) 将 ss jw 代入式 (315)中得 2311saa CLII  (316) 代入设计参数 1L =,C=, 2 = 2 2 0 1 2 5 6 6 3 . 7 0 6ssfk    ，可得 311 10 39 07 .19 5aaI LI   (317) 基于 MATLAB，可以得到 iiii 与 L3 的关系图如图 32所示。 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 100 . 511 . 522 . 533 . 544 . 5L3 图 32 iiii 与 L3 的关系图 在图中取点（ ,0,01238），即 3L =， aaII=， 3L为电机侧滤波电感与电机定子电感之和，则 2L =,由图可知，此时滤波效果很好。 根据 L滤波器及 LCL滤波器的传递函数，即式 (212)和 (216)，代入以上所设计的参数，可 得系统传递函数的幅频特性对比，用 MATLAB画出其伯德图，如图 33所示。 8 0 6 0 4 0 2 00Magnitude (dB) 102103104105106 2 7 0 2 2 5 1 8 0 1 3 5 9 0 4 50Phase (deg)B o d e D i a g r a mF r e q u e n c y ( r a d / s )L 滤波电路L C L 滤波电路 图 33 L及 LCL滤波电路传递函数频域特性图 在 Bode图中，我们可以看到，在低频时，两种滤波电路频率响应的斜率都是 20dB/dec,而在高频段， LCL滤波电路以 60dB/dec衰减， L滤波电路仍然以 20dB/dec衰减，由此可知， LCL滤波电路对高频率电流谐波具有更好的衰减效果。 但可以看到， LCL滤波电路虽然较 L滤波电路对高频具有有更好的滤波效果，但 LCL滤波电路具有谐振发生点，需要加入阻尼电阻抑制谐振，否则电路发生谐 振影响系统的稳定性。 这将在下一节的设计中详细介绍。 阻尼电阻的设计 LCL 滤波电路中，设计滤波元件的参数时，需要遵循的一个原则是尽量使电路的谐振频率 fres在 1/2倍 PWM开关频率与十倍电机额定频率范围 内 [1],根据图 31，可得 LCL滤波电路的总阻抗 ZLCL表达式为 132313311)1(LjCLLjLjCjLjCjLjZL C L   CL CLLLLj 32 312311 )(     (318) 令总阻抗 ZLCL等于零，即使式 (318)等于零则可知 CLL LLres 31 31  (319) 代入参数可知 LCL滤波电路的谐振频率为 fres为 1313+L1 = 2 6 9 9 . 0 7 H z2 2 L L Cr e sr e s wLf  (320) resf 在 10 nf =500Hz和 sf =10kHz之间，符合滤波电路参数设计原则。 根据图 28，给出有阻尼电阻的 A相等效电路图，如图 34。 L 3L 1CU a ’AA ’I a ’I aR 1 图 34 有阻尼电阻的 LCL滤波电路单相分析图 文献 [7]提出了阻尼电阻的设计方法，本文不做详细的阐述，根据公式如下   6 9923 13 1 61  CR r e s (321) 即加入的抑制谐振的阻尼电阻为 3Ω。 根据图 34，得出有阻尼电阻的滤波电路图，如图 35所示。 L 2L 1MCU a ’NN ’AA ’ +I a ’I aR 1I a 1 图 35 有阻尼电阻的 LCL滤波电路单相分析图 建立数学模型，其中 A相定子电压 Ua 表达式为 eRiisLU aaa  3 (322) 滤波电容支路电流 1ai 表达式为 sCR eRiisLsCRsC eRiisLi aaaaa 13131 1 )(1    (323) 逆变器侧单相输出电流 ai 表达式为 aaaaaa isCR C s esR C isiCLiii   1231 1 (324) 逆变器侧单相输出电压 aU 表达式为 CsR e C ssR C isiCLsLisLeRiisLU aaaaaa 123113 1 )(   (325) 则电路的传递函数 G3（ s）表达式为  CsRR C ssCLsLsLRsLsG123113311)(      R。