Modellieren eines Tiefpassfilters auf LTSpice zum Filtern einer Eingangsrechteckwelle bei 50 kHz, um eine sinusförmige Ausgabe bei 50 Hz zu erhalten

Ich versuche, einen Filter zu erstellen, der den Ausgang eines Wechselrichters bei 50 kHz PWM (nach dem Lesen der Kommentare bin ich mir nicht sicher, ob ich dies die Schaltfrequenz nennen sollte?) in einen sinusförmigen bei 50 Hz mit einem THD von filtert weniger als 2 % für die Wellenform der Ausgangsspannung (die Ausgangsspannung sollte 230 Vrms betragen). Diese Schaltung soll einen invertierten DC-AC-Ausgang modellieren, wobei an diesen Ausgang ein Filter angeschlossen ist.

Die bereitgestellten Schaltpläne sollten den Wechselrichter mit einem Ausgang von 50 kHz PWM modellieren, obwohl ich mir beim Lesen der Kommentare nicht sicher bin, ob die Spannungsquelle diese Simulation zulässt?

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Ich experimentiere wenn möglich mit einem einfachen LCR-Einstufenfilter. Ich verstehe, dass ein Tiefpassfilter den Shunt-Kondensator benötigt, um die hohen Frequenzen kurzzuschließen, aber ich bin mir nicht sicher, warum das Design die Verwendung einer Reiheninduktivität empfohlen hat. In den bereitgestellten Schaltplänen kann R2 als parasitärer Widerstand der Schaltung angesehen werden, und R1 ist der Lastwiderstand. Ich bin mir nicht sicher, wie ich die L- und C-Werte berechnen soll, die verwendet werden sollen, um den angegebenen THD-Wert zu erhalten.

Ich habe versucht, eine Reihe von Werten durchzugehen, bin mir aber nicht sicher, welche Kombination aus L und CI verwendet werden sollte. Die Ausgangswellenform (ein wenig chaotisch wegen der Anzahl der Simulationen, die ich ausgeführt habe.)

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Die idealen Werte für L und C liegen möglicherweise nicht im angegebenen Bereich. Bitte beraten.

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Ich habe die Inverterschaltung eingeschlossen, damit ich eine PWM-Wellenform ausgeben kann. Ich habe die Schalter so modelliert, dass sie ein- und ausgeschaltet werden, um eine Dreieckswelle auszugeben

Sie müssen die Spannungs- und/oder Stromspezifikationen und -konformitäten der Eingangsfrequenz angeben. Das fehlt in dem was du geschrieben hast. Ich nehme auch an, dass Sie eine Netzspannung mit 50 Hz erzeugen möchten . Außerdem benötigen wir Ihre Angaben zum 50-Hz-Ausgang und Genauigkeitsangaben zur Frequenz der Eingangsquelle und Ausgangsfrequenz.
Wenn Sie den Ausgangsstufenfilter eines Wechselrichters modellieren, sollte THD nicht Ihre Sorge sein, das liegt an der Steuerschaltung. Die Rolle des Ausgangs-LC besteht darin, einige der hochfrequenten Schaltharmonischen gemäß den Spezifikationen des Designers herauszufiltern und gleichzeitig die Stromwelligkeit zu berücksichtigen. Nicht THD, nur Dämpfung. Was Sie dort testen, ist einfach ein Wandstecker mit einem LC-Filter, so testen Sie nicht die Leistung eines Wechselrichters. Dazu müssen Sie die Schaltbrücke modellieren. Siehe dies für ein mögliches Szenario.
@ Jonk, Die Eingangsfrequenz ist die Schaltfrequenz bei 50 kHz. Die Eingangsspannung ist nicht spezifiziert, kann aber angepasst werden, um eine Ausgangsspannung von 230 Vrms bereitzustellen. Es kann also entsprechend erhöht/verringert werden. Sie sind sich nicht sicher, was Sie mit genauen Angaben zur Eingangsquellenfrequenz/Ausgangsfrequenz meinen? Ich glaube nicht, dass ich die notwendigen Informationen dafür habe, da der Eingang zu dieser Filterstufe von einer invertierten DC-AC-Wellenform kommen soll
@ ein besorgter Bürger, ich denke, der THD wurde in den Konstruktionsanforderungen angegeben, weil diese Filterschaltung den Ausgang des Wechselrichters „reinigt“ und mit 50 Hz in das Netz ausgibt. Ja, ich möchte die hochfrequenten Schaltharmonischen filtern - nur um zu überprüfen, unterscheidet sich dies von der Reduzierung der Spannungs-THD? Ich habe eine separate Schaltung für die Schaltbrücke, aber ich lasse das vorerst beiseite, da ich jedes Subsystem separat testen möchte, bevor ich sie kombiniere (obwohl ich auch Probleme mit meiner Schaltbrücke vorhersehe).
Können wir die Frage bitte klären (dh die Frage bearbeiten). Die Frage lautet, als ob Sie eine 50-kHz-Rechteckwelle verwenden und diese filtern möchten, um 50 Hz zu erzeugen. Dies ist unmöglich (wo ist die 50-Hz-Komponente in diesem Signal). DENNOCH Aspekte der Kommentare lauten, dass dies ein Ausgangsfilter eines Wechselrichters sein soll, der mit 50-kHz-PWM läuft, um eine 50-Hz-Wellenform zu synthetisieren. Wenn dies der Fall ist, ist das Design eines Ausgangs-RLC-Sinusfilters gut verstanden, aber Sie müssen sich darüber im Klaren sein, was Sie haben, was Sie tun und vor allem, was Sie wollen
Okay, ich habe die Frage bearbeitet, entschuldigen Sie die Verwirrung. Hoffe das klärt die Frage. Die Spannungsquelle hier soll den Ausgang des Wechselrichters bei 50 kHz modellieren, und aus dieser Wellenform möchte ich eine sinusförmige 50-Hz-Wellenform mit höchstens 2 % THD erhalten. Wäre dies machbar?
Ja, mit welcher Dämpfung kann man aber lieben,

Antworten (3)

Modellieren eines Tiefpassfilters auf LTSpice zum Filtern einer Eingangsrechteckwelle bei 50 kHz, um eine sinusförmige Ausgabe bei 50 Hz zu erhalten

Eine solche Problemstellung besteht aus drei Teilen

  1. Modellieren Sie den Wechselrichter
  2. Entwerfen Sie den Filter
  3. Modellieren Sie das System

Modellieren Sie den Wechselrichter

Im OP wurde ein einfacher 50-kHz-Impuls in einem RLC-"Filter" verwendet. So würde ein Wechselrichter jedoch nicht funktionieren, um eine Grundwelle von 50 Hz (mit einer PWM von 50 kHz) zu erzeugen.

Was benötigt wird, ist eine 50-Hz-Sinuswellenform, die über einen 50-kHz-Träger moduliert wird.

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Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, dies durchzuführen. Die klassische Methode besteht darin, die gewünschte 50-Hz-Wellenform zu erzeugen und diese mit einem Komparator mit einem 50-kHz-Dreiecksträger zu vergleichen, um das gewünschte Modulationsmuster in Echtzeit zu erzeugen.

Eine weitere Option besteht darin, die PWM-Muster vorzuberechnen und in einer Nachschlagetabelle zu speichern. Eine solche Lösung ist sehr praktisch für billige Festfrequenz-Wechselrichter

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Mit der erstellten PWM-Generierung können der Wechselrichter und eine einfache ohmsche Last angezeigt werden. In solchen Beispielen wird eine ohmsche Last bevorzugt, da eine induktive Last die Ströme glättet

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schön geschaltete Spannung und Strom, aber Sie können eine zugrunde liegende Harmonische sehen. HINWEIS: Eine induktive Last hätte die Ströme geglättet, aber die Spannung würde immer noch zerhackt aussehen

Entwerfen Sie den Filter Es gibt eine Reihe von Methoden, die damit verbunden sind. Typischerweise arbeiten sie, indem sie die Resonanzfrequenz des Filters auf die logarithmische Hälfte der Grund- und Umschaltfrequenz einstellen. In diesem Fall etwa 1,5 kHz

Wie Sie den LC ausgleichen, basiert auf Ihren Designkriterien. Arbeiten durch eine solche Methode

L = 672uH

C = 16 uF

Ziel 15kW (10R pro Phase)

Modellieren Sie das System

Mit laufendem PWM-Wechselrichtermodell und Aspekten des entworfenen Ausgangsfilters. Sie können angeschlossen werden, um die Funktionalität zu bestätigen

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LTspice .

Um geeignete PWM-Muster zu erzeugen, werden zwei Spannungsquellen (Impuls und Sinus) zur Erzeugung des Dreiecksträgers und des modulierten Signals benötigt. Ein Schmitt-Komparator kann verwendet werden, um die PWM-Signale zu erzeugen, um sie dann dem Wechselrichter zuzuführen

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Danke, das hat einiges geklärt. Ich habe einen Wechselrichter mit dem vorgeschlagenen Filter umgebaut (ich werde dies später ändern, um ihn an meine Lastspezifikation anzupassen), aber ich bin mir nicht sicher, ob mein PWM funktioniert, die Wellenform, die dieser Schaltplan ausgibt, sieht nicht richtig aus. Ich habe versucht, einen dreieckigen Träger bei 50 kHz zu erzielen, aber ich habe keine 50-Hz-Sinuskurve, um ihn zu überlagern, da meine Quelle eine Gleichstromquelle sein soll. Ich werde meine Frage bearbeiten, um meine Schaltpläne zu posten
Sie senden die Dreieckswelle an die Wechselrichter. Sie müssen die PWM 1. erzeugen

Wie geschrieben: "Eine Rechteckwelle mit einer Schaltfrequenz von 50 kHz" kann nicht über einen Filter in eine andere Frequenz umgewandelt werden.

Was Sie wahrscheinlich wirklich fragen, ist, wie man eine PWM-Wellenform mit einer Frequenz von 50 kHz und einem mit 50 Hz modulierten Tastverhältnis in eine 50-Hz-Sinuswelle umwandelt.

Jetzt gibt es zwei Beiträge zum THD in der Ausgangswellenform:

  1. Fehler in der Modulation, die dem Tastverhältnis auferlegt werden
  2. Harmonischer Inhalt, der sich aus dem 50-kHz-PWM-Verhältnis ergibt (die tausendste Harmonische der Grundwelle und ihre Vielfachen).

Ich weiß nicht, wie Sie Ihr Fehlerbudget zwischen diesen beiden aufteilen möchten, also werde ich für letzteres willkürlich einen Oberwellengehalt von 1% wählen.

Sie haben also eine grobe Spezifikation für einen Tiefpassfilter, bestehend aus:

  1. Minimale (idealerweise null) Dämpfung bei der Grundfrequenz von 50 Hz
  2. Besser als 40 dB Dämpfung über Ihr Sperrband, beginnend bei 50 kHz.

Wählen Sie also eine Grenzfrequenz, die viel höher als 50 Hz, aber ausreichend niedriger als 50 kHz ist, damit Sie problemlos eine Sperrbanddämpfung von 40 dB erreichen können. Sie dürfen einen L/C-Filter verwenden (der die Last als Abschlusswiderstand behandelt), also einen Filter zweiter Ordnung, der eine Dämpfung von 40 dB/Dekade ergibt, daher muss die Grenzfrequenz unter (idealerweise weit unter) 5 kHz liegen.

Beachten Sie, dass der Filter Ihre Ziele über den Bereich möglicher Lastimpedanzen (RL in Ihrem Schaltplan) erfüllen muss, der durch die von Ihnen benötigte Ausgangsleistung definiert ist.

Dies ist ein einfaches Filterdesign, das einer bewährten Praxis folgt, also machen Sie sich daran.

Sie können diese Zahl von 1 % wahrscheinlich erheblich verbessern, während Sie den Verlust in den parasitären Komponenten des Filters gering halten.

Danke schön. Darf ich wissen, was der Zweck der Induktivität in diesem Fall ist? Hilft es beim Filtern oder dient es einem anderen Zweck? Auch als ich versuchte, die Potentialteilermethode zu verwenden, um nach L und C zu lösen, dh (R1//ZC)/(R2+ZL+(R1//Zc)) = 2/100 (da THD auf 2% begrenzt ist), es gibt mir das Verhältnis zwischen L und C. Ich habe mich gefragt, ob es eine andere Gleichung gibt, die ich verwenden kann, um L und C einzeln zu lösen, oder bleibt es als Verhältnis?
Laut Antwort handelt es sich um standardmäßiges passives (LC) Filterdesign. Die Induktivität ist Teil des Filters.

Was Sie fordern, kann nicht getan werden.

Ein linearer Filter wie der, den Sie mit einem sinusförmigen Eingang gezeichnet haben, gibt immer einen Ausgang mit der gleichen Frequenz wie der Eingang. Er kann das Signal je nach Frequenz unterschiedlich dämpfen, ändert aber nicht die Frequenz.

Um einen 50-Hz-Ausgang aus einer 50-kHz-Referenz zu erzeugen, benötigen Sie einen Frequenzteiler oder eine Phasenregelkreisschaltung, die wesentlich komplizierter sind als Ihr RLC-Filter und außerdem irgendeine Art von aktiven Elementen benötigen.

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In Kommentaren, die Sie geschrieben haben,

Nach meinem Verständnis besteht eine Rechteckwelle aus vielen sinusförmigen Harmonischen - die Dämpfung der Harmonischen höherer Ordnung führt nicht zu einer sinusförmigen 50-Hz-Wellenform?

Die Harmonischen einer Rechteckwelle sind ungeradzahlige Vielfache der Grundwelle. Eine 50-kHz-Rechteckwelle hat also Harmonische bei 150 kHz, 250 kHz, 350 kHz usw. Wenn das Tastverhältnis nicht genau 50 % beträgt, gibt es auch Komponenten bei den geraden Harmonischen: 100 kHz, 200 kHz, ... Dort ist kein Frequenzinhalt unterhalb der Grundwelle.

Sie könnten möglicherweise mit einer 50-Hz-Rechteckwelle beginnen und die Harmonische bei 49,95 kHz oder 50,05 kHz herausfiltern (natürlich würde das Herausgreifen nur einer dieser Frequenzen einen Filter sehr hoher Ordnung erfordern). Aber Sie können nicht mit 50 kHz beginnen und eine Harmonische bei 50 Hz auswählen, weil 50 Hz keine Harmonische von 50 kHz ist.

Mit nur Open-Loop-Division fühlt es sich fast so an, als wäre ein 4060 beteiligt. Aber wie auch immer, wenn ich eine Division durch 1000 annehme, sehe ich auch einen Filter 4. Ordnung. Etwas wie 20 ⋅ Protokoll 10 ⁡ ( 2 % ) Protokoll 10 ⁡ ( 3 ) = − 71 dB Jahrzehnt zu schnippeln 3 F Frequenz zurück genug. Das ist eine notwendige 4. Ordnung, denke ich.
Danke, okay sieht so aus, als müsste ich diese Schaltung drastisch ändern. Funktioniert eine offene 4. Ordnung? Ich nehme an, das bedeutet 4 Sätze von RLC-Filtern nacheinander? Oder ändert sich die Ausgangsfrequenz immer noch nicht?
Außerdem besteht nach meinem Verständnis eine Rechteckwelle aus vielen sinusförmigen Harmonischen - die Dämpfung der Harmonischen höherer Ordnung führt nicht zu einer sinusförmigen 50-Hz-Wellenform? Wird es bei 50 kHz nur eine ungefähr sinusförmige erzeugen?
Ja. Eine Rechteckwelle besteht aus einer Frequenz höherer Ordnung, also besteht eine reine Rechteckwelle aus unendlichen Sinuswellen, aber die niedrigste Freq ist die ihrer Grundwelle. Wenn Sie nun die Rechteckwelle modulieren, um eine niedrigere Freq-Komponente zu überlagern, können Sie filtern, um diese niedrigere Freq-Komponente zu rekonstruieren
Danke, jetzt habe ich es verstanden. Ich hätte den Begriff Rechteckwelle von 50 kHz nicht verwenden sollen, da diese 50 kHz die Grundfrequenz darstellten.
Modellieren eines Tiefpassfilters auf LTSpice zum Filtern einer Eingangsrechteckwelle bei 50 kHz, um eine sinusförmige Ausgabe bei 50 Hz zu erhalten
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