用于pwm波的emi滤波频变电感电路的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于PWM波的EMI滤波频变电感电路，其特征在于包括由电流传感器、低通滤波电路，幅相调理电路、功率放大电路、共磁芯的补偿绕组和滤波绕组组成的频变电感、PWM电源、负载；所述电流传感器的输入端与滤波绕组的输出端连接，电流传感器输出端连接低通滤波电路的输入端，低通滤波电路的输出端连接幅相调理电路的输入端；幅相调理电路的第一输出端连接功率放大电路的输入端；幅相调理电路的第二输出端经调整电阻接地；所述滤波绕组与PWM波电源和负载串联，功率放大电路的输出端经补偿绕组和调整电阻接地。本发明的目的就是实现PWM波的EMI滤波。
【专利说明】
用于PWM波的EM I滤波频变电感电路
技术领域
[0001]本发明涉及基于磁通补偿原理的频变电感滤波技术，具体涉及一种用于HVM波的 EMI滤波频变电感电路。【背景技术】
[0002]滤波技术在电力电子变流系统中始终是一项核心技术，电力变换过程中开关频率及其谐波的出现无法避免。以逆变技术为例，PWM波中不仅包含基波的工频分量，而且包含电力电子器件产生的开关频率及其谐波干扰分量;其原始波形基本为方波形式，包含很宽的频谱分量，由电感和电容构成的LC滤波电路会产生谐振问题，对滤波器件及装备构成危害。若滤波电路只采用串联电感滤波，则可以避免谐振问题。
[0003]在简单串联电感滤波情况下，电感量值越大，对开关频率及其谐波的滤除效果就越好;但由于电感对基波的工频分量也有一定的分压作用，负载获得的基波工频电压也会随着电感量值的增大而衰减。所以只能在谐波衰减与负载电压之间进行折中处理。
[0004]由于大功率电力电子变流器件的开关频率有限，要实现PWM波的正弦化，即最大限度滤除开关频率及其谐波，同时又不降低负载的基波工频电压，只采用简单的串联电感滤波器无法实现。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种用于PWM波的EMI滤波频变电感电路，实现PWM波的EMr滤波。
[0006]本发明提供了一种用于PWM波的EMI滤波频变电感电路，其特征在于包括由电流传感器、低通滤波电路，幅相调理电路、功率放大电路、共磁芯的补偿绕组和滤波绕组组成的频变电感、PWM电源、负载;所述电流传感器的输入端与滤波绕组的输出端连接，电流传感器输出端连接低通滤波电路的输入端，低通滤波电路的输出端连接幅相调理电路的输入端； 幅相调理电路的第一输出端连接功率放大电路的输入端;幅相调理电路的第二输出端经调整电阻接地;所述滤波绕组与PWM波电源和负载串联，功率放大电路的输出端经补偿绕组和调整电阻接地。
[0007]所述PWM波电源经滤波绕组滤波后PWM开关频率及其谐波分量发生衰减，负载经滤波绕组滤波后负载所需的基波工频分量发生衰减；电流传感器提取滤波绕组的负载电流信号，输入到低通滤波电路和幅相调理电路，低通滤波电路滤波和幅相调理电路调理后输出基波工频补偿信号，经功率放大电路输出至频变电感的补偿绕组。
[0008]所述通过设置低通滤波电路的参数，使补偿绕组中基波工频电流与频变电感补偿绕组中基波工频电流相位相反，降低频变电感中的基波工频磁通，降低滤波绕组的低频电感量;经过补偿减小滤波绕组上的基波工频电压降，负载获得最大基波工频电压的同时衰减负载的PWM开关频率及其谐波电压，实现PWM波的EMI滤波。
[0009]所述补偿绕组电流通过滤波绕组中负载电流进行低通滤波和幅相调理获得，补偿频变电感中的基波工频磁通并保留PWM开关频率及其谐波的磁通，使频变电感对PWM开关频率及其谐波分量的等效电感量值增大，而对PWM波中基波工频分量的等效电感量值减小，最终获得PWM波EMI滤波所需的频变电感的电感量值频变特性。
[0010]所述幅相调理电路包括电容、电阻以及放大器，电容的一端电连接于低通滤波电路的第一输出端，电容的另一端连接于放大器的负极输入端，电阻的一端连接于低通滤波电路的第二输出端，电阻另一端经调整电阻接地；电阻包括相互串联的第一电阻和第二电阻;放大器的负极输入端连接于第一电阻和第二电阻之间；放大器的输出端连接于功率放大电路的输入端;通过改变幅相调理电路的第二电阻的值，调节幅相调理部分输出幅值;通过改变调整电阻控制功率放大电路改变放大增益K。
[0011]本发明可在衰减PWM开关频率及其谐波，保证负载获得的基波工频电压不降低；同时实现PWM波的正弦化滤波。本发明通过补偿，使频变电感的磁芯中基波工频磁通基本为零，频变电感滤波绕组和补偿绕组的工频感应电压均较小，所需的补偿功率也较小。当PWM 波电源经过频变电感的滤波绕组滤波时，因为滤波电感的电感量值较大，不仅对PWM开关频率及其谐波分量有很大衰减，同时对负载所需的基波工频分量也有较大程度的衰减。此时， 通过电流传感器提取频变电感滤波绕组的负载电流信号，输入到低通滤波电路和幅相调理电路，经过低通滤波和幅相调理后获得需要的基波工频补偿信号，再通过功率放大电路输出至频变电感的补偿绕组;通过合理设置低通滤波调理电路的参数，可使频变电感补偿绕组中基波工频电流与频变电感补偿绕组中基波工频电流相位相反，从而降低频变电感中的基波工频磁通，使频变电感的低频“等效”电感量值降低，即降低滤波绕组的低频电感量，最终经过补偿减小频变电感滤波绕组上的基波工频电压降，在负载获得最大基波工频电压的同时极大地衰减负载的PWM开关频率及其谐波电压，实现PWM波的EMI滤波。
[0012]由于频变电感的补偿绕组电流通过对频变电感的滤波绕组中负载电流进行低通滤波和幅相调理获得，因此可以补偿频变电感中的基波工频磁通，而保留PWM开关频率及其谐波的磁通，从而使频变电感对PWM开关频率及其谐波分量的等效电感量值较大，而对PWM 波中基波工频分量的等效电感量值很小，最终获得PWM波EMI滤波所需的频变电感的电感量值频变特性。本发明应用于PWM波EMI滤波电路，相比简单串联电感滤波器，在衰减PWM开关频率及其谐波分量的同时，提高了负载获得的基波工频电压，实现了频变电感对基波工频接近零阻抗的要求。【附图说明】
[0013]图1是本发明的原理结构图。
[0014]图2是频变电感与简单串联电感滤波器的性能对比。【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
[0016]如图1所示，本发明提供了一种用于PWM波的EMI滤波频变电感电路，其特征在于包括由电流传感器、低通滤波电路，幅相调理电路、功率放大电路、共磁芯的补偿绕组和滤波绕组组成的频变电感、PWM电源、负载;频变电感中共磁芯绕制的滤波绕组和补偿绕组电感量均为40mH。[〇〇17] 所述电流传感器选用QNENG QBC2.0-A02霍尔型电流传感器，额定输入电流2A，输出电压为4V，在输入电流为±2A范围内，输出电压与输入电流成线性关系；实际与负载串联的频变电感补偿绕组中电流范围为± 〇.1A，电流传感器的输出电压范围U1为± 0.2V。电流传感器电源电压为±15V、G端接地;输入电流与输出电压成线性关系，输出端接取样电阻 Rs〇[〇〇18] 所述低通滤波电路选用二阶RC滤波电路，由电阻R1、R2、R3和电容Cl、C2构成;所述幅相调理电路由电容C41、第一电阻R41、第二电阻R42和运算放大器LM324N构成。所述功率放大电路包含运算放大器LM324N和三极管2N5551 (NPN型)和2N5401 (PNP型)两种，三极管 2N5551和2N5401电源电压为± 24V;其输入端为运算放大器LM324N的3号引脚，运算放大器输出的1号引脚经过电阻R5连接三极管T1和T2的基极B，三极管T1和T2的发射E连接电阻R4 作为功率放大器部分的输出端，电阻R8和R7用于调整放大倍数，电阻R6和RT为偏置电阻。运算放大器LM324N的电源电压为±15V。电流传感器输出端连接低通滤波调理电路的输入端 (R1左端)，低通滤波电路的输出端连接功率放大电路输入端(LM324N的3号引脚)，功率放大电路输出端连接频变电感的补偿绕组。PWM波电源采用单相桥式逆变器结构，输入直流电压为IV，基波频率为50Hz，调制比M=0.8，开关频率为1 kHz。
[0019]所述电流传感器的输入端与滤波绕组的输出端连接，电流传感器输出端连接低通滤波电路的输入端，低通滤波电路的输出端连接幅相调理电路的输入端;幅相调理电路的第一输出端连接功率放大电路的输入端;幅相调理电路的第二输出端经调整电阻接地;所述滤波绕组与PWM波电源和负载串联，功率放大电路的输出端经补偿绕组和调整电阻接地。
[0020]当PWM波通过频变电感的滤波绕组时，PWM波形经过频变电感的滤波作用，由PWM波转化为正弦波，PWM波电源的开关频率及其谐波分量会被滤波绕组滤除;通过提取滤波绕组的负载电流信号，经过低通滤波电路、幅相调理电路和功率放大电路后得到的基波工频电流被反向注入频变电感的补偿绕组，通过补偿绕组的补偿消除滤波绕组对基波工频电压的衰减作用，完成频变电感的滤波过程。[0021 ]所述PWM波电源经滤波绕组滤波后PWM开关频率及其谐波分量发生衰减，负载经滤波绕组滤波后负载所需的基波工频分量发生衰减；电流传感器提取滤波绕组的负载电流信号，输入到低通滤波电路和幅相调理电路，低通滤波电路滤波和幅相调理电路调理后输出基波工频补偿信号，经功率放大电路输出至频变电感的补偿绕组。
[0022]所述通过设置低通滤波电路的参数，使补偿绕组中基波工频电流与频变电感补偿绕组中基波工频电流相位相反，降低频变电感中的基波工频磁通，降低滤波绕组的低频电感量;经过补偿减小滤波绕组上的基波工频电压降，负载获得最大基波工频电压的同时衰减负载的PWM开关频率及其谐波电压，实现PWM波的EMI滤波。
[0023]所述补偿绕组电流通过滤波绕组中负载电流进行低通滤波和幅相调理获得，补偿频变电感中的基波工频磁通并保留PWM开关频率及其谐波的磁通，使频变电感对PWM开关频率及其谐波分量的等效电感量值增大，而对PWM波中基波工频分量的等效电感量值减小，最终获得PWM波EMI滤波所需的频变电感的电感量值频变特性。[〇〇24] 所述幅相调理电路包括电容、电阻以及放大器，电容的一端电连接于低通滤波电路的第一输出端，电容的另一端连接于放大器的负极输入端，电阻的一端连接于低通滤波电路的第二输出端，电阻另一端经调整电阻接地；电阻包括相互串联的第一电阻和第二电阻;放大器的负极输入端连接于第一电阻和第二电阻之间；放大器的输出端连接于功率放大电路的输入端。
[0025]所述电流传感器的输出至低通滤波电路的信号经过低通滤波电路的二阶RC滤波电路后，输入幅相调理电路的信号只含有基波成分。经过幅相调理电路的幅值和相位调理， 使得到频变电感补偿绕组的电流与频变电感滤波绕组的基波工频电流相位相反，其中改变第二电阻R42的值，可以调节幅相调理电路输出电压幅值;通过改变调整电阻控制功率放大电路改变其放大增益K。
[0026]所述低通滤波电路和幅相调理电路主要是滤除PWM波信号中的开关频率及其谐波分量，而保留基波工频分量;通过设置电阻:R1 = R2 = IK Q、R3 = 1.306K Q和电容C1 = 0.278 yF、C2 = 5Cl = 1.390yF，R41 = 1.061KQ、R42 = 0.707KQ、C42 = 0.711yF、补偿绕组和滤波绕组均为48mH。使低通滤波的截止频率位于基波工频和开关频率之间，采用上述参数时截止频率为224Hz。所述磁通补偿技术，共磁芯的补偿绕组中基波工频电流12与滤波绕组中II相位相反;若滤波绕组与补偿绕组的匝数比为1:1，磁芯的基波工频磁通为零，频变电感对基波工频电流不产生电压降。例如，频变电感共磁芯滤波绕组为10匝，补偿绕组为10匝，要求 12 = 11。
[0027]下面结图2对频变电感达到的技术指标进行说明。[〇〇28]如图2所示:经过频变电感滤波与普通单电感滤波相比，其中RL.V为PWM波直接连接负载，波形为P丽波;RL11.V为串联12mH的小电感滤波所显示的滤波波形;RL1.V为串联 48mH的大电感滤波所显示的波形;RL2.V为经过频变电感滤波的波形，L21和L22均为48mH。 RL2.V与RL1.V相比:谐波幅值没有明显变化，但是基波压降基本为零，同时相位与RL11.V基本相同。说明频变电感在基波工频的感抗基本为零。
[0029]本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【主权项】
1.一种用于PWM波的EMI滤波频变电感电路，其特征在于包括由电流传感器、低通滤波 电路，幅相调理电路、功率放大电路、共磁芯的补偿绕组和滤波绕组组成的频变电感、PWM电 源、负载;所述电流传感器的输入端与滤波绕组的输出端连接，电流传感器输出端连接低通 滤波电路的输入端，低通滤波电路的输出端连接幅相调理电路的输入端;幅相调理电路的 第一输出端连接功率放大电路的输入端;幅相调理电路的第二输出端经调整电阻接地;所 述滤波绕组与PWM波电源和负载串联，功率放大电路的输出端经补偿绕组和调整电阻接地。2.根据权利要求1所述的用于PWM波的EMI滤波频变电感电路，其特征在于PWM波电源经 滤波绕组滤波后PWM开关频率及其谐波分量发生衰减，负载经滤波绕组滤波后负载所需的 基波工频分量发生衰减；电流传感器提取滤波绕组的负载电流信号，输入到低通滤波电路 和幅相调理电路，低通滤波电路滤波和幅相调理电路调理后输出基波工频补偿信号，经功 率放大电路输出至频变电感的补偿绕组。3.根据权利要求1所述的用于PWM波的EMI滤波频变电感电路，其特征在于通过设置低 通滤波电路的参数，使补偿绕组中基波工频电流与频变电感补偿绕组中基波工频电流相位 相反，降低频变电感中的基波工频磁通，降低滤波绕组的低频电感量;经过补偿减小滤波绕 组上的基波工频电压降，负载获得最大基波工频电压的同时衰减负载的13??开关频率及其 谐波电压，实现PWM波的EMr滤波。4.根据权利要求1所述的用于HVM波的EMI滤波频变电感电路，其特征在于补偿绕组电 流通过滤波绕组中负载电流进行低通滤波和幅相调理获得，补偿频变电感中的基波工频磁 通并保留PWM开关频率及其谐波的磁通，使频变电感对PWM开关频率及其谐波分量的等效电 感量值增大，而对PWM波中基波工频分量的等效电感量值减小，最终获得PWM波EMI滤波所需 的频变电感的电感量值频变特性。5.根据权利要求1所述的用于pmi波的EMI滤波频变电感电路，其特征在于幅相调理电 路包括电容、电阻以及放大器，电容的一端电连接于低通滤波电路的第一输出端，电容的另 一端连接于放大器的负极输入端，电阻的一端连接于低通滤波电路的第二输出端，电阻另 一端经调整电阻接地；电阻包括相互串联的第一电阻和第二电阻;放大器的负极输入端连 接于第一电阻和第二电阻之间；放大器的输出端连接于功率放大电路的输入端;通过改变 幅相调理电路的第二电阻的值，调节幅相调理部分输出幅值;通过改变调整电阻控制功率 放大电路改变放大增益K。
【文档编号】H02M1/12GK105978307SQ201610422074
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】赵治华, 李建轩, 谷雨帅, 腾腾, 苟川杰, 孟进, 张磊, 李毅, 何方敏, 唐健, 张向明, 陶涛, 李文禄, 葛松虎
【申请人】中国人民解放军海军工程大学