单相pwm逆变器的滤波器的一种设计方法.doc

单相PWM逆变器的滤波器的一种设计方法 摘要：文章介绍了一种单相电压型PWM逆变器的滤波器设计方法，该方法综合考虑了频率特性、功率因数和体积等要素，据此可提高逆变器的功率因数。 A Method to Design of Filter for Single-phase PWM Inverter Abstract:A designed approach of filter for single-phase voltage pulse width modulated inverter is proposed in this paper.This approach has been considered multi-element such as frequency characteristic ,power factor and volume. The filter designed by proposed approach can improve power density. Keywords:filter sinle-phase inverter power factor 1 引言 目前逆变技术主要采用脉宽调制（PWM）方式，由于PWM波本身的特性决定着功放器件的输出电压含有较多的谐波分量，因而若负载的滤波效果达不到要求，则必须加装专用滤波器。该滤波器的频率特性、体积等要素对逆变器的功率密度、重量、性能价格比等指标都有很大的影响。 逆变器运行时，负载的大小及其功率因数亦不是一成不变的。为了充分发挥电力电子器件的功能，提高整机功率密度，就应该强调逆变器在带各种负载时，系统的功率因数都较高。因而，必须重视专用滤波器的设计。 2 滤波器的拓扑结构及其数学模型 为了再现角频率为ω1的正弦波，需将输出电压的高次谐波滤去，则滤波器传函的转折频率应远小于ωs。而且PWM逆变器中输出侧专用滤波器应是低通滤波器。因而本文的设计可采用由L,C元件构成如图1a所示的拓扑结构。另外，为了使该滤波器具有很好的线性特性，其中的电感采用空芯结构。若不计电感线圈的内阻及电容器的漏电阻，则滤波器在纯阻性负载时的转移函数为 (1) 式中：ωn为无阻尼自振荡频率, ；为阻尼比， ，Z为纯阻性负载。 3 滤波器参数的确定 3.1 从系统对控制对象频率特性的要求选择滤波器的L,C 由二阶系统的频域特性可知，滤波器的期望转折频率ωc应远小于PWM波的谐波频率，为得到更好的滤波效果，本文选择ωc=2500rad/s，则由式（1）可得 LC=1/ω2c=1/（2500）3.2 从负载变化时系统功率因数最高的角度选择滤波器的L,C 3.2.1 负载类型与系统功率因数 众所周知，负载功率因数变化时，逆变器系统的功率因数将受到影响，下面将负载分别等效为图1b，图1c，图1d形式进行讨论。 1） LC滤波器采用图1a结构，逆变器带如图1b所示的纯阻性负载时，系统功率因数cos如下所示 (3) 由于市场上销售电容器的电容量是按特定规律分布的，而电感器的电感量却是可以随意加工的，故考察系统功率因数随电感L的变化关系。因此用式（3）对L求偏导数可得 （4） 当时，式（4）等于零，系统功率因数为；当时，式（4）大于零，所以系统功率因数随着L的上升而单调上升；当时，式（4）小于零，所以系统功率因数随着L的上升而单调下降；当负载功率因数中的时，此变化趋势如图2中的曲线②所示。 2） 1c所示的阻感性负载时，cos如下所示 （5） 式中：,,。 式（5）中，系统功率因数cos与L的关系与式（4）相同，当负载功率因数cos中的在+60°时，可得到其变化趋势如图2中的曲线①所示。 3） 1d所示的阻容性负载时，cos如下所示 （6） 式中：,;。 式（6）中，系统功率因数与L的关系与式（4）相同，当负载功率因数中的在-60°时，可得到其变化趋势如图2中的曲线③所示。 绿色（①）：阻感性负载 蓝色（②）：纯阻性负载 红色（③）：阻容性负载 图2 系统功率因数与滤波器电感L的关系曲线 3.2.2 负载功率因数变化时的系统功率因数 由于负载的功率因数不是常数，为了使负载功率因数中的在常用的-60°~+60°的范围内，系统的功率因数都较