CN103856176B - 采用耦合电感的lcl滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用耦合电感的LCL滤波器,属于电力电子装置设计领域。本发明的滤波器的交流电压侧电感的输入端与交流电压源相连接,抵消电感与滤波电容串联后与交流电压侧电感的输出端并联,阻尼电阻可与滤波电容串联或并联,也可不采用阻尼电阻,交流电压侧滤波电感与整流或逆变侧滤波电感耦合且顺向串联,整流或逆变侧滤波电感的输出端与整流或逆变桥臂中点相连。本发明的采用耦合电感的LCL滤波器一方面可以减小滤波器体积,另一方面可以改善滤波效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于单相、三相或者多相整流和逆变电路的采用耦合电感的LCL滤波器,属于电力电子装置设计领域。
背景技术
在开关电源中,磁性器件(简称磁件,如:电感、变压器)是重要的组成部分。它起着电能存储、转换、电气隔离等作用。据统计,磁件的重量一般是整个装置总重的30~40%,体积则占总体积的20~30%,而对于高频、模块化设计的电源,磁件重量、体积所占的比例还要更高。人们通常采用提高频率的方法减小磁件及系统的体积、重量,但提高频率会增大功率器件的开关损耗,影响系统效率,因此,研发人员还研究应用磁集成技术,在不改变频率的条件下,继续优化磁件的性能。
所谓磁集成技术,是指将两个或多个分立磁件绕制在一副磁芯上,从结构上集中在一起。分立磁件集中后的磁件被称为集成磁件。
采用磁集成技术后,能有效减小磁件的重量、体积以及损耗,提高功率密度。在某些场合,若设计得当,还能减小电流纹波,甚至实现零纹波。
磁件的集成方式,通常分为两大类:解耦集成和耦合集成。
解耦集成,顾名思义,是指集成后分立磁件之间不存在耦合作用,或者耦合作用很小可以忽略。解耦集成的主要方法分为两种:提供低磁阻磁路实现解耦、或者通过抵消绕组间的耦合作用来解耦。一般而言,解耦集成并不改善电气性能,但有利于减小磁件体积、重量;耦合集成相比解耦集成设计分析更加困难,但合理的集成方案不仅有利于减小磁件体积、重量,还能改善电路的电气性能。电感与电感耦合集成后,电感之间有耦合作用,集成的磁件又称为耦合电感。本文所述的耦合电感就是指耦合集成后的电感。
目前LCL滤波器在并网逆变、PWM整流器中应用较多,对于LCL滤波器的优化和设计技术的研究是目前的技术热点之一,其中就包括采用磁集成技术来优化LCL滤波器的性能。华中科技大学2012年发表的文章“并网逆变器中LCL滤波器的磁集成”:潘冬华,阮新波,王学华,鲍陈磊,李巍巍.并网逆变器中LCL滤波器的磁集成[J].中国电机工程学报,2012.文章中分析了LCL滤波器的两电感耦合对滤波性能的影响,指出耦合削弱了高频滤波性能,应选用解耦集成方案,并据此提出了LCL滤波器中两电感顺向串联解耦集成的方案。由于绕组顺向串联,两电感在低磁阻公共磁路中产生的磁通相互抵消,减少用铁量,达到减小电感体积、重量的效果。显然,采用解耦集成,不影响滤波器的滤波性能,不利于充分发挥磁集成技术在改善电气性能上的技术优势。如何得到一种新的采用耦合电感的LCL滤波器的技术方案,既能减小电感体积,又能改善滤波效果,成为本发明设计的重点。
发明内容
本发明的目的是提出一种新的采用耦合电感的LCL滤波器,减小滤波电感体积的同时,改善其滤波效果。
一种采用耦合电感的LCL滤波器,连接于交流电压源与整流或逆变电路之间,它包括交流电压侧滤波电感、整流或逆变侧滤波电感和滤波电容;其中交流电压侧滤波电感的输入端与交流电压源相连,交流电压侧滤波电感与整流或逆变侧滤波电感耦合且顺向串联,整流或逆变侧滤波电感的输出端与整流或逆变电路桥臂中点相连;交流电压侧滤波电感输出端并联电容支路,电容支路内串有所述滤波电容;其特征在于:上述电容支路内还串有抵消电感。
本发明相比现有技术有如下优点:
现有LCL滤波器中两电感的磁集成方案为解耦集成,通过提供低磁阻公共磁路,使得顺向串联的两电感在公共磁路中的磁通相互抵消,减少电感用铁量,进而减小电感体积、重量。但是采用解耦集成不能改善滤波器的滤波特性;本发明的一种采用耦合电感的LCL滤波器,在减小滤波电感体积的同时,改善低频滤波效果,并能解决耦合电感高频段滤波效果变差的问题。
附图1为采用常规LCL滤波器的通用电路结构。低频时,因电容支路近似于开路,该电路的低频等效电路如图2所示。可以看出,低频等效滤波电感为两电感之和;高频时电容支路阻抗变小,高频谐波主要经由电容支路,故对高频的滤波能力变强,高频等效电路如附图3所示。本发明的一种采用耦合电感的LCL滤波器,两电感耦合且顺向串联,等效电路如附图4所示,应用耦合电感的互感消去法可以将图4所示的等效电路进一步简化,如图5所示,同样道理,低频时电容支路近似于开路,该电路的低频等效电路如图6所示。显然,由于交流电压侧滤波电感和整流或逆变侧滤波电感正向耦合,低频段等效滤波电感值增大,有利于改善系统的低频滤波效果;高频时,电容支路不能忽略,等效电路如附图7所示,而此时由于交流电压侧滤波电感和整流或逆变侧滤波电感同向耦合,在电容支路增加一个等效负感,导致电容支路阻抗变大,不利于高频谐波的衰减,导致系统在高频段的滤波能力大幅下降,且不能通过增加电容来改善,因此,本发明通过加入抵消电感的方式,如附图8所示,抵消掉电容支路产生的负感,从而降低电容支路等效阻抗,改善滤波效果,同时,由于电容支路流过的电流很小,所以抵消电感的制作上可以将体积、重量做的更小。本发明采用耦合电感的LCL滤波器,通过两电感耦合集成可以减少用铁量,减小电感体积,重量;同时,低频段等效电感增大,可以减少用铜量。通过添加抵消电感抵消由于两电感耦合而在电容之路产生的负感,可以解决高频段滤波效果恶化的缺陷。
所述的采用耦合电感的LCL滤波器,其特征在于:上述电容支路内还包括阻尼电阻,阻尼电阻与滤波电容或/和电容支路串联或并联。阻尼电阻用于抑制LCL滤波器的谐振尖峰,有益于系统的稳定。
所述的采用耦合电感的LCL滤波器,其特征在于:所述抵消电感与交流电压侧滤波电感或/和整流或逆变侧滤波电感为耦合电感或者独立电感。
所述的采用耦合电感的LCL滤波器,其特征在于:滤波电容可以采用单电容,也可以采用多电容串并联。
所述的采用耦合电感的LCL滤波器,其特征在于:所述交流电压侧滤波电感、整流或逆变侧电感和抵消电感的磁芯采用铁磁材料如硅钢片、铁氧体、微晶、超微晶、坡莫合金或铁钴钒。
所述的采用耦合电感的LCL滤波器,其特征在于:所述交流电压侧滤波电感、整流或逆变侧电感和抵消电感绕组选用实心导线、Litz线、铜皮或者PCB绕组形式。
所述的采用耦合电感的LCL滤波器,其特征在于:交流电压源可以为单相、三相或者多相,整流或逆变电路中整流电路可以采用桥式、半波、全波、倍压或倍流整流滤波,逆变电路可以采用桥式、半波、单相、多相逆变电路。
利用n个采用耦合电感的LCL滤波器,应用于n相整流或逆变电路中。
附图说明
附图1是常规LCL滤波器通用电路结构;
附图2是常规LCL滤波器低频等效电路;
附图3是常规LCL滤波器高频等效电路;
附图4是本发明的采用耦合电感的LCL滤波器电路结构;
附图5是本发明的采用耦合电感的LCL滤波器采用互感消去法得到的等效电路;
附图6是本发明的采用耦合电感的LCL滤波器在互感消去法基础上得到的低频等效电路;
附图7是本发明的采用耦合电感的LCL滤波器在互感消去法基础上得到的高频等效电路;
附图8是本发明的采用耦合电感的LCL滤波器添加抵消电感的等效电路;
附图9是LCL滤波器两电感同向耦合滤波特性仿真曲线;
附图10是LCL滤波器单电感特性测试曲线;
附图11是LCL滤波器同向耦合电感特性测试曲线;
附图12是加入不同大小抵消电感效果仿真曲线;
附图13加入抵消电感为0.4M实际测试曲线;
附图14加入抵消电感为0.6M实际测试曲线;
附图15是本发明示意图;
图中标号名称:—交流电压源,—整流或者逆变侧等效电压源,1—交流电压源,2—交流电压侧滤波电感,3—整流或逆变侧滤波电感,4—抵消电感,5—滤波电容,6—整流或逆变电路,7—阻尼电阻,M—交流电压侧滤波电感互感与整流或逆变侧滤波电感的互感值,—滤波电容,—阻尼电阻,—抵消电感,n—表示n个LCL滤波器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及测试实例对本发明进一步说明。
LCL滤波器两电感耦合且顺向串联方式如附图4,采用互感消去法得到的等效电路如附图5,低频、高频等效电路如附图6、7。附图9为两电感无耦合与同相耦合不加抵消电感时的仿真幅频特性图,附图10、11分别为为采用铁氧体磁芯绕制的LCL两电感无耦合和同向耦合实物,通过网络分析仪测试得到的结果。其中绕制的交流电压侧电感,整流或逆变侧电感,滤波电容,阻尼电阻;测试仪器选择安捷伦--4395A网络分析仪进行测试。附图10为LCL无耦合情况下的测试结果,附图11为两电感耦合系数为0.06时的测试结果,与仿真结果相同。附图10和附图11中,在谐振峰值点以前,两电感同向耦合幅频曲线低于无耦合的幅频曲线,耦合后的增益小于无耦合时的增益,LCL滤波器的等效电感增大。此时电容支路相当于开路,系统等效电感为。但是,谐振峰值点之后,进入高频,相比无耦合的LCL系统,LCL滤波器的增益变大,衰减率变小,滤除高频谐波能力变差;附图9的仿真结果和附图11的测试结果均可以说明。
两电感同相耦合的LCL滤波器,由附图5等效电路可知,其等效电路会在电容支路上增加一个互感-M,进入高频以后,由于耦合电感的存在,电容支路的阻抗依然很大,耦合的LCL滤波器衰减率只有-20db,相比两电感无耦合时的LCL滤波器,系统高频段的滤波能力变差;本发明提出了可以通过加入抵消电感La,抵消由于耦合产生的互感,减小电容支路在高频时的支路阻抗,可以解决高频段滤波能力衰减的缺点,添加抵消电感后的等效电路如附图8。
附图12的仿真结果可以看出,在两电感同向耦合的LCL滤波器电容支路中加入抵消电感之后,当添加的抵消电感大于0且小于交流电压侧滤波电感2与整流或逆变侧滤波电感3的耦合电感M时,随着抵消电感的增大,两电感同向耦合的LCL滤波器在高频处增益逐渐减小,增益曲线逐渐接近无耦合的LCL滤波器的增益曲线。通过附图13和附图14的实际测试结果可以看到,当抵消电感La从0.4M上升到0.6M的过程中,谐振点之后的增益曲线逐渐下移,增益逐渐减小,高频衰减能力增强。附图12可以看到,继续增大到当La=M时,同向耦合的LCL滤波器恢复无耦合时的LCL滤波特性,且系统增益小于无耦合时的LCL滤波器的高频增益,滤波能力得到提升;当La大于M时,增益曲线继续下降,超过了无耦合时的LCL滤波增益曲线,同时,系统会出现两个谐振峰,该谐振峰由抵消后的互感剩余值与电容产生,在两个谐振峰值间,系统对该范围内的高频谐波衰减率大于无耦合的LCL滤波器,随着抵消电感值的增大,第二个谐振峰值点逐渐减小,第二谐振峰值点的出现容易导致系统不稳定。由附图12可以看出。
两电感耦合且顺向串联的LCL滤波器,在低频段等效电感增大;在高频段,增加抵消电感小于耦合电感M时,随着抵消电感的增大,系统在高频处的增益逐渐减小,增益曲线逐渐向无耦合的LCL滤波器增益曲线靠拢,滤波能力得到改善;当增加的抵消电感等于M时,同向耦合的LCL滤波器恢复无耦合时的LCL滤波特性,且等效电感增大,在滤波能力方面优于无耦合的LCL滤波器。实现了本发明预期的采用耦合电感的LCL滤波器可以减小电感体积,同时改善了低频段的滤波效果,通过添加抵消电感的方法解决高频段滤波能力大幅减小的缺陷。
Claims (7)
1.一种采用耦合电感的LCL滤波器,连接于交流电压源(1)与整流或逆变电路(6)之间,它包括交流电压侧滤波电感(2)、整流或逆变侧滤波电感(3)和滤波电容(5);其中交流电压侧滤波电感(2)的输入端与交流电压源(1)相连,交流电压侧滤波电感(2)与整流或逆变侧滤波电感(3)耦合且顺向串联,整流或逆变侧滤波电感(3)的输出端与整流或逆变电路(6)桥臂中点相连;交流电压侧滤波电感(2)输出端并联电容支路,电容支路内串有所述滤波电容(5);其特征在于:上述电容支路内还串有抵消电感(4)。
2.根据权利要求1所述的采用耦合电感的LCL滤波器,其特征在于:上述电容支路内还包括阻尼电阻(7),阻尼电阻(7)与滤波电容(5)或/和电容支路串联或并联。
3.根据权利要求1所述的采用耦合电感的LCL滤波器,其特征在于:所述抵消电感(4)与交流电压侧滤波电感(2)或/和整流或逆变侧滤波电感(3)为耦合电感或者独立电感。
4.根据权利要求1所述的采用耦合电感的LCL滤波器,其特征在于:所述滤波电容(5)为单电容,或多电容串并联。
5.根据权利要求1所述的采用耦合电感的LCL滤波器,其特征在于:所述交流电压侧滤波电感(2)、整流或逆变侧电感(3)和抵消电感(4)的磁芯采用硅钢片、铁氧体、微晶、超微晶、坡莫合金或铁钴钒。
6.根据权利要求1所述的采用耦合电感的LCL滤波器,其特征在于:所述交流电压侧滤波电感(2)、整流或逆变侧电感(3)和抵消电感(4)绕组采用实心导线、Litz线、铜皮或者PCB绕组形式。
7.根据权利要求1所述的采用耦合电感的LCL滤波器,其特征在于:所述交流电压源(1)为单相、三相或者多相,整流或逆变电路(6)中整流电路采用桥式、半波、全波、倍压或倍流整流滤波,逆变电路采用桥式、半波、单相、多相逆变电路。
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