50/60-Hz-Wechselrichter-Ausgangsinduktor-Design

Ich werde eine halbwegs gebildete Vermutung zu einem geeigneten Ferritmaterial (und einer Kernform) anstellen, um zu sehen, wie es sich entwickelt. Ich habe keine Ahnung, ob ich auf einen Kern stoßen werde, der für die Anforderungen des OP geeignet ist, aber der Prozess wird derselbe sein, egal ob es sich um einen Ferrit-, Eisen- oder Pulverkern handelt. Ich gehe die Ferritroute hinunter, weil ich weiß, dass die Verluste bei der PWM-Schaltfrequenz besser sein werden, und ich habe dies bereits bei ähnlichen Jobs getan.

Das Design der Ausgangsinduktivität hängt von einigen Dingen ab, und für mich möchte ich feststellen, wie hoch die PWM-Schaltfrequenz ist. Daher gehe ich vorerst davon aus, dass sie 50 kHz beträgt - diese Frequenz muss viel höher als die 50-Hz-Wellenform sein Sie versuchen zu rekonstruieren, weil der Induktor-Ausgangsfilter zwei Aufgaben erfüllen muss: -

• Entfernen Sie die 50-kHz-PWM-Reste und hinterlassen Sie eine glatte (ish) 50-Hz-Wellenform
• Die Netzfrequenz von 50 Hz nicht dämpfen

Beide sind gegensätzlich - Sie möchten größere Induktivitätswerte, um die PWM loszuwerden, aber Sie möchten kleinere Induktivitätswerte, damit die Wechselstromwellenform frei durch sie fließen kann. Die Tiefpass-Grenzfrequenz des Filters muss von 50 Hz genauso weit entfernt sein wie von 50 kHz, und dies kann bestimmt werden durch: -

$F_C = \sqrt{50\times 50,000} = 1581Hz$

Als nächstes wird über die L- und C-Filterwerte entschieden. Was hier in den Sinn kommt, ist, dass C nicht so groß sein soll, dass ein erheblicher zusätzlicher 50-Hz-Strom durch die Induktivität fließt, da der Kondensator große Blindströme aufnimmt. Wie groß darf C vernünftigerweise sein? Ich werde einen wilden Stich ins Dunkel machen und 10 uF sagen - dies ist eine Impedanz bei 50 Hz von 318 Ohm und bedeutet, dass der Blindstrom bei einer 250-V-RMS-Sinuswellenform etwa 786 mA beträgt.

Im Vergleich zu den 20 A, die von der Last benötigt werden, ist dies ziemlich niedrig, sodass die Kapazität möglicherweise auf 30 uF erhöht werden kann. An dieser Stelle ist es ein kleiner Kompromiss - ich weiß, dass zu viel Blindstrom zum tatsächlichen Laststrom beiträgt und den Induktorkern früher sättigt. Dies verursacht Probleme bei der Wärmeableitung und kann in Extremsituationen dazu führen, dass die Resonanzfrequenz des LC in Richtung der PWM-Frequenz ansteigt und eine massive Stromaufnahme und möglicherweise massive Wellenformspitzen erzeugt. Denken Sie daran, dass der LC auch als Reihen-LC-Schaltung zum Rückleiter fungiert und bei Resonanz wie ein Kurzschluss mit extrem hohen PWM-Frequenzspitzen über dem Kondensator aussieht.

Jetzt können wir die Induktivität berechnen, indem wir eine Umordnung von: -

$F_C = \dfrac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$

${F_C}^2 = \dfrac{1}{4\pi^2 LC}\therefore L=\dfrac{1}{4\pi^2\cdot {F_C}^2\cdot C}$= 337$\mu H$

Als nächstes kommt die Auswahl des Kernmaterials, und ich werde mir dafür etwas Ferritmaterial ansehen (mit der Annahme, dass dies mit Ferriten möglich ist).

Natürlich sind 337 uH kein Problem für Ferrite, aber der Sättigungsstrom kann ein Problem sein. Der dominante Sättigungsstrom liegt bei 50 Hz und dieser beträgt 20 A RMS (Spitzenwert von 28 A). Sie müssen sich die BH-Kurven verschiedener Ferrite ansehen, um zu sehen, ob 28A eine signifikante Sättigung verursachen wird.

Wie machst Du das?

B ist die Flussdichte und H ist die magnetische Feldstärke. H ist Ampere-Windungen pro Meter und "Meter" bezieht sich auf die mittlere Länge des Kerns. Diese so groß wie möglich zu machen, reduziert H und reduziert daher die Sättigung. Durch möglichst kleine "Wendungen" wird auch H reduziert. An den Amps können wir natürlich nichts ändern.

Ich werde Material 3C92 von ferroxcube auswählen - dies wird von ferroxcube für Leistungsinduktivitäten empfohlen. Hier sind die wichtigsten Details: -

Wenn Sie sich das Diagramm unten rechts ansehen, zeigt es die BH-Kurve, und ich würde sagen, dass ein H-Wert von nicht mehr als 100 Amperewindungen pro Meter ein guter Anfang ist. Es wird gesättigt, aber nicht so sehr, dass es sich übermäßig erwärmt, die Induktivität reduziert und PWM-Frequenzen durchlässt.

Der nächste Schritt besteht darin, einen Kern aus 3C92-Material zu finden. Ich habe einen Typ gewählt, mit dem ich vertraut bin, den planaren Ferrit E64: -

Wenn Sie sich eine der obigen Tabellen ansehen, sehen Sie, dass die effektive Länge von zwei Kernhälften 79,9 mm beträgt. Jetzt haben Sie alle Zahlen, um festzustellen, ob die Sättigung ein Problem darstellt, aber zuerst müssen Sie die verwenden$A_L$Abbildung, um zu bestimmen, wie viele Umdrehungen erforderlich sind, um 337uH zu erreichen. Ungapped 3C92 hat eine$A_L$Zahl von 11.200 nH pro Windung (im Quadrat) und mit 5 Windungen erhalten Sie eine Induktivität von 25 x 11,2 uH = 280 uH. 6 Umdrehungen erzeugen 403uH.

Nehmen wir an, 6 Windungen sind optimal (dies reduziert die oben berechnete Kapazität von 30 uF). Es zeichnet sich jedoch ein großes Problem ab - 28 A und 6 Windungen geteilt durch 0,08 Meter ergeben ein H-Feld von 2100 - viel größer als die angestrebten 100 Ampere-Windungen/Meter.

Als nächstes muss ein Luftspalt eingebracht werden. Dies reduziert die effektive Permeabilität des Materials und senkt die Sättigung für ein gegebenes H-Feld. Wenn Sie sich die obige Tabelle für das Material 3C90 ansehen, können Sie sehen, dass es Versionen mit Lücken gibt, und diese geben Ihnen eine Vorstellung davon, wie stark sich die Durchlässigkeit bei einer bestimmten Lücke verringert. Da die Verringerung der Permeabilität B bei gleichem H-Wert direkt reduziert, wird die Einführung eines Spalts von beispielsweise 1,1 mm die Permeabilität um etwa den Faktor 23 verringern (unter Verwendung ungefährer Zahlen für 3C90). Das bedeutet, dass H um das 23-fache ansteigen kann, um den gleichen Sättigungsgrad zu erreichen.

Jetzt können wir also einen H-Wert von 2300 Amperewindungen pro Meter verwenden, ABER,$A_L$hat sich auf 0,63 uH pro Windung (im Quadrat) reduziert. Um die erforderliche Induktivität "wiederzuerlangen", benötigen wir ungefähr 23 Windungen. Aber die Erhöhung der Umdrehungen von 6 auf 23 ist ungefähr eine 4:1-Faktor-Steigerung im H-Feld, also wird es jetzt offensichtlich, dass der Kern, den ich gewählt habe, nicht "männlich" genug für den Job sein wird.

Zusammenfassend für einen E64-Planarkern aus 3C92-Material: -

Ich kann ungefähr 337 uH mit 23 Windungen und einer Lücke von 1,1 mm erhalten, aber das H-Feld in Ampere-Windungen pro Meter beträgt 28 x 23 / 0,08 = 8050, und bei einer Lücke von 1,1 mm sollte ich den Kern nicht antreiben mit ein H-Feld größer als 2300.

Als nächstes würde ich nach einem Kern suchen, dessen effektive Länge viermal länger ist als die 80 mm, die von zwei planaren E64-Kernen erzeugt werden. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass es mehrere Iterationen von "suck it and see" geben wird, bevor ein Ferrit ausgewählt werden kann, der die Spezifikation erfüllt. Eine zu überdenkende Sache ist die Kapazität von 30 uF - wenn 100 uF gewählt werden, sinkt die Induktivität auf etwa 100 uH und erfordert weniger Windungen. Es gibt viele Dinge zu probieren und zu sehen.

Es wird der gleiche Prozess für andere Arten von Kernen sein - die Anzahl der Windungen berechnen, um die Induktivität zu erreichen, und dann das H-Feld berechnen, um zu sehen, ob der Kern gesättigt ist. Das Herumspielen mit dem Kapazitätswert und der Lücke wird die Dinge optimieren, aber für Ferrit ist es klar, dass eine Lücke benötigt wird. Wenn die Anforderung des OP 5 A RMS wäre, ist dies mit dem E64-Kernsatz mit einer Lücke von etwa 1 mm machbar.

BEARBEITEN

Mit etwas sorgfältiger Überlegung ist es möglich, die LC-Resonanzfrequenz auf 5 kHz (ein Zehntel der PWM-Frequenz) zu drücken. Dies bedeutet, dass die Induktivität (früher 337uH) auf 33,7uH reduziert wird: -

$F_C = \dfrac{1}{2\pi\sqrt{33.7\times 10^{-6}\times 30\times 10^{-6}}}$= 5005Hz.

Die Anzahl der Windungen auf einem 1-mm-Kern mit Lücke beträgt jetzt 7 und dies ist eine 3,3-fache Reduzierung des H-Felds - zuvor wurden 23 Windungen verwendet, was bedeutet, dass der Kern mit 3,3-mal so laufen kann, um die gleiche B-Feld-Sättigung zu erreichen aktuell. Dies bedeutet, dass die "arbeitenden" Amperewindungen pro Meter sind: -

$\dfrac{28\times 7}{0.08}$= 2450 und das kommt ziemlich nahe an das heran, was ein E64-Kern mit 1 mm Lücke tolerieren kann. Vielleicht würde es funktionieren, wenn die Kapazität auf 60 uF verdoppelt würde, aber ich wäre immer noch versucht, einen größeren Ferritkern zu wählen.