Modelado de un filtro de paso bajo en LTSpice para filtrar una onda cuadrada de entrada a 50 kHz para obtener una salida sinusoidal a 50 Hz

Estoy tratando de crear un filtro que filtre la salida de un inversor a 50 kHz PWM (al leer los comentarios, no estoy seguro de si debería llamar a esto la frecuencia de conmutación) a uno sinusoidal a 50 Hz con un THD de menos del 2 % para la forma de onda del voltaje de salida (el voltaje de salida debe ser de 230 Vrms). Se supone que este circuito modela una salida CC-CA invertida, con un filtro conectado a esta salida.

Los esquemas proporcionados deberían modelar el inversor con una salida de 50 kHz PWM, aunque al leer los comentarios, no estoy seguro de si la fuente de voltaje permite esta simulación.

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Estoy experimentando con un filtro LCR simple de una etapa si es posible. Entiendo que un filtro de paso bajo requiere que el condensador de derivación acorte las frecuencias altas, pero no estoy seguro de por qué el diseño recomienda el uso de un inductor en serie. En los esquemas proporcionados, R2 puede verse como la resistencia parásita del circuito y R1 es la resistencia de carga. No estoy seguro de cómo calcular los valores L y C que se utilizarán para obtener el valor THD especificado.

Intenté ejecutar un rango de valores, pero no estoy seguro de qué combinación de L y CI debería usar. La forma de onda de salida (un poco desordenada debido a la cantidad de simulaciones que ejecuté).

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Los valores ideales para L y C podrían no estar en el rango proporcionado. Por favor avise.

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Incluí el circuito inversor para poder generar una forma de onda PWM. He modelado los interruptores para encender y apagar para generar una onda triangular

Debe especificar cuáles son las especificaciones y los cumplimientos de voltaje y/o corriente de la frecuencia de entrada. Eso falta en lo que has escrito. También deduzco que está buscando producir un voltaje de red a 50 Hz. También necesitamos sus especificaciones sobre la salida de 50 Hz y los detalles de precisión sobre la frecuencia de la fuente de entrada y la frecuencia de salida.
Si está modelando el filtro de etapa de salida de un inversor, entonces THD no debería ser su preocupación, eso depende del circuito de control. La función del LC de salida es filtrar algunos de los armónicos de conmutación de alta frecuencia dentro de las especificaciones del diseñador, al mismo tiempo que se ocupa de la ondulación actual. No THD, solo atenuación. Lo que está probando allí es simplemente un enchufe de pared con un filtro LC, no es así como prueba la salida de un inversor. Para eso necesitarás modelar el puente de conmutación. Vea esto para un posible escenario.
@ jonk, la frecuencia de entrada será la frecuencia de conmutación a 50 kHz. El voltaje de entrada no se especifica, pero se puede ajustar para proporcionar el voltaje de salida a 230 Vrms. Por lo tanto, se puede aumentar/disminuir en consecuencia. ¿No está muy seguro de lo que quiere decir con detalles de precisión sobre la frecuencia de la fuente de entrada/frecuencia de salida? No creo que tenga la información necesaria para eso porque se supone que la entrada a esta etapa de filtro proviene de una forma de onda DC-AC invertida
@ un ciudadano preocupado, creo que el THD se especificó en el requisito de diseño porque este circuito de filtro 'limpia' la salida del inversor y sale a la red a 50 Hz. Sí, estoy buscando filtrar los armónicos de conmutación de alta frecuencia, solo para verificar, ¿es esto diferente de reducir el THD de voltaje? Tengo un circuito separado para el puente de conmutación, pero lo dejo de lado por ahora, ya que busco probar cada subsistema por separado antes de combinarlos (aunque también preveo problemas con mi puente de conmutación)
¿Podemos obtener alguna aclaración en la pregunta por favor (es decir, editar la pregunta). La pregunta se lee como si quisiera usar una onda cuadrada de 50 kHz y filtrarla para producir 50 Hz. Esto es imposible (¿dónde está el componente de 50 Hz en esta señal?). SIN EMBARGO, algunos aspectos de los comentarios indican que se trata de un filtro de salida de un inversor que funciona a 50 kHz PWM para sintetizar una forma de onda de 50 Hz. Si este es el caso, el diseño de un filtro sinusoidal RLC de salida se entiende bien, pero debe tener claro lo que tiene, lo que está haciendo y especialmente lo que quiere.
Bien, he editado la pregunta, disculpas por cualquier confusión. Espero que eso aclare la pregunta. Se supone que la fuente de voltaje aquí modela la salida del inversor a 50 kHz y, a partir de esta forma de onda, me gustaría obtener una forma de onda sinusoidal de 50 Hz con un THD del 2 % como máximo. ¿Sería esto factible?
Sí, ¿con qué atenuación puedes amar?

Respuestas (3)

Modelado de un filtro de paso bajo en LTSpice para filtrar una onda cuadrada de entrada a 50 kHz para obtener una salida sinusoidal a 50 Hz

Hay tres partes en tal enunciado del problema

  1. Modele el inversor
  2. Diseña el filtro
  3. Modelar el sistema

Modele el inversor

En el OP, se usó un pulso simple de 50 kHz en un "filtro" RLC. Sin embargo, no es así como funcionaría un inversor para generar una fundamental de 50 Hz (con un PWM de 50 kHz).

Lo que se necesita es una forma de onda sinusoidal de 50 Hz modulada a través de una portadora de 50 kHz.

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Hay varias formas de realizar esto. El método clásico consiste en generar la forma de onda deseada de 50 Hz y usar un comparador, comparar esto con una portadora triangular de 50 kHz para generar el patrón de modulación deseado en tiempo real.

Otra opción es calcular previamente los patrones de PWM y almacenarlos en una tabla de búsqueda. Tal solución es muy conveniente para inversores baratos de frecuencia fija.

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Con la generación PWM creada, se puede mostrar el inversor y una carga resistiva simple. En tales ejemplos, se prefiere una carga resistiva porque una carga inductiva suavizará las corrientes.

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buen voltaje y corriente conmutados, pero se puede ver un armónico subyacente. NOTA: una carga inductiva habría suavizado las corrientes, pero el voltaje aún se vería cortado

Diseñe el filtro Hay varios métodos asociados con esto. Por lo general, funcionan configurando la frecuencia de resonancia del filtro en el logarítmico a mitad de camino entre la fundamental y la conmutación. En este caso, alrededor de 1,5 kHz.

La forma en que equilibra el LC se basa en sus criterios de diseño. Trabajando a través de uno de esos métodos

L = 672uH

C = 16 uF

apuntando a 15kW (10R por fase)

Modelar el sistema

Con el modelo inversor pwm funcionando y aspectos del filtro de salida diseñado. Se pueden conectar para confirmar la funcionalidad.

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LTspice .

Para generar patrones pwm adecuados, se necesitan dos fuentes de voltaje (pulso y sinusoidal) para crear la portadora triangular y la señal modulada. Se puede usar un comparador Schmitt para generar las señales PWM para luego alimentar al inversor

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Gracias, eso aclaró mucho. Remodelé un inversor con el filtro sugerido (cambiaré esto después para que se ajuste a mi especificación de carga), pero no estoy seguro de si mi PWM está funcionando, la forma de onda que genera este esquema no se ve bien. Probé una portadora triangular a 50 kHz, pero no tengo una sinusoidal de 50 Hz para superponerla, ya que se supone que mi fuente es una fuente de CC. Editaré mi pregunta para publicar mis esquemas.
Estás enviando la onda triangular a los inversores. Necesitas generar el PWM primero

Como está escrito: "una onda cuadrada a una frecuencia de conmutación de 50 kHz" no se puede convertir mediante ningún filtro a otra frecuencia.

lo que probablemente esté preguntando es cómo convertir una forma de onda PWM, con una frecuencia de 50 kHz y una relación de espacio de marca modulada a 50 Hz, en una onda sinusoidal de 50 Hz.

Ahora habrá dos contribuciones a THD en la forma de onda de salida:

  1. Errores en la modulación impuesta a la relación espacio-marca
  2. Contenido armónico derivado de la relación PWM de 50kHz (el milésimo armónico de la fundamental y sus múltiplos).

No sé cómo desea repartir su presupuesto de error entre estos dos, así que elegiré arbitrariamente un 1% de contenido armónico para el último.

Entonces tiene una especificación de esquema para un filtro de paso bajo, que comprende:

  1. Atenuación mínima (idealmente cero) a la frecuencia fundamental de 50 Hz
  2. Atenuación superior a 40dB en su banda de parada a partir de 50 kHz.

Por lo tanto, elija una frecuencia de corte mucho más alta que 50 Hz, pero lo suficientemente más baja que 50 kHz para que pueda lograr fácilmente una atenuación de banda de parada de 40 dB. Se le permite un filtro L/C (que trata la carga como una resistencia de terminación), por lo que un filtro de segundo orden proporciona una atenuación de 40 dB/década, por lo tanto, la frecuencia de corte debe estar por debajo (idealmente muy por debajo) de 5 khz.

Tenga en cuenta que el filtro debe cumplir con sus objetivos en el rango de posibles impedancias de carga (RL en su esquema) definidas por la potencia de salida que necesita.

Este es un diseño de filtro simple que sigue una práctica bien establecida, así que hazlo.

Probablemente pueda mejorar sustancialmente esa cifra del 1% mientras mantiene una baja pérdida en los componentes parásitos del filtro.

Gracias. ¿Puedo saber cuál es el propósito del inductor en este caso? ¿Ayuda a filtrar o sirve para algún otro propósito? Además, cuando intenté usar el método del divisor de potencial para resolver L y C, es decir, (R1//ZC)/(R2+ZL+(R1//Zc)) = 2/100 (ya que THD está limitado al 2 %). me da la razón entre L y C. Me preguntaba si hay otra ecuación que pueda usar para resolver L y C individualmente, ¿o permanecerá como una razón?
Según la respuesta, este es un material de diseño de filtro pasivo (LC) estándar. El inductor es parte del filtro.

Lo que pides no se puede hacer.

Un filtro lineal como el que dibujaste con una entrada sinusoidal siempre da una salida a la misma frecuencia que la entrada. Puede atenuar la señal de manera diferente dependiendo de la frecuencia, pero no cambia la frecuencia.

Para producir una salida de 50 Hz a partir de una referencia de 50 kHz, necesita un divisor de frecuencia o un circuito de bucle de bloqueo de fase, que son sustancialmente más complicados que su filtro RLC y también requieren elementos activos de algún tipo.

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En los comentarios que escribiste,

Según tengo entendido, una onda cuadrada se compone de muchos armónicos sinusoidales: ¿atenuar los armónicos de orden superior no dará como resultado una forma de onda sinusoidal de 50 Hz?

Los armónicos de una onda cuadrada son múltiplos impares de la fundamental. Entonces, una onda cuadrada de 50 kHz tiene armónicos a 150 kHz, 250 kHz, 350 kHz, etc. Si el ciclo de trabajo no es exactamente del 50 %, también habrá componentes en los armónicos pares: 100 kHz, 200 kHz, ... Hay no hay contenido de frecuencia por debajo de la fundamental.

Posiblemente podría comenzar con una onda cuadrada de 50 Hz y filtrar el armónico a 49,95 kHz o 50,05 kHz (por supuesto, seleccionar solo uno de estos requeriría un filtro de orden muy alto). Pero no puede comenzar con 50 kHz y seleccionar un armónico a 50 Hz, porque 50 Hz no es un armónico de 50 kHz.

Con solo una división de bucle abierto, casi se siente como si estuviera involucrado un 4060. Pero de todos modos, suponiendo una división por 1000, también veo un filtro de cuarto orden. Algo como 20 ⋅ registro 10 ⁡ ( 2 % ) registro 10 ⁡ ( 3 ) = − 71 dB década para cortar el 3 F frecuencia hacia atrás lo suficiente. Ese es un cuarto orden necesario, creo.
Gracias, está bien, parece que tendré que modificar drásticamente este circuito. ¿Funcionará un cuarto orden de bucle abierto? Supongo que eso significa 4 juegos de filtro RLC, uno tras otro. ¿O todavía no cambiará la frecuencia de salida?
Además, según tengo entendido, una onda cuadrada se compone de muchos armónicos sinusoidales: ¿atenuar los armónicos de orden superior no dará como resultado una forma de onda sinusoidal de 50 Hz? ¿Producirá simplemente uno aproximadamente sinusoidal a 50 kHz?
Sí. Una onda cuadrada está formada por una frecuencia de orden superior, por lo que una onda cuadrada pura estará formada por infinitas ondas sinusoidales, pero la frecuencia más baja es la de su fundamental. Ahora, si modula la onda cuadrada para superponer un componente de frecuencia inferior, puede filtrar para reconstruir este componente de frecuencia inferior.
Gracias, ahora entiendo. No debería haber usado el término onda cuadrada de 50kHz ya que 50kHz representaba la frecuencia fundamental.
Modelado de un filtro de paso bajo en LTSpice para filtrar una onda cuadrada de entrada a 50 kHz para obtener una salida sinusoidal a 50 Hz
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