厲 孟，楊 森

應(yīng)用研究

一種單相H橋輸出LC濾波器的參數(shù)設(shè)計方法研究

厲 孟1，楊 森2

(1.海裝駐北京地區(qū)第四軍事代表室，北京 100000；2. 中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100000）

為了改善兩電平H橋結(jié)構(gòu)變頻器輸出諧波大、電壓上升率快等缺點，設(shè)計了變頻器輸出濾波器——LC濾波器。討論了LC濾波器對輸出的影響，以及LC參數(shù)的選取原則。最后經(jīng)過MATLAB仿真驗證得出了LC濾波器參數(shù)選取的最佳值。

諧波 LC濾波器 MATLAB

0 引言

推進變頻器采用SPWM調(diào)制方法實現(xiàn)永磁推進電機的調(diào)速控制，由于變頻器采用兩電平H橋結(jié)構(gòu)，其輸出諧波較大，為提高其輸出電壓波形質(zhì)量，擬在變頻器輸出加裝輸出濾波器，一方面可以提高波形質(zhì)量，另一方面對于d/d有抑制作用，同時可以提高變頻器的電磁兼容性。目前LC濾波器應(yīng)用比較廣泛，該濾波器的引入帶來了一些新問題：如設(shè)計不當(dāng)，濾波器的存在會導(dǎo)致諧振，引起變頻器和電機的過電壓；當(dāng)變頻器封鎖驅(qū)動脈沖、停止運行時[1]，LC濾波器的濾波電容可能使電機進入自激發(fā)電狀態(tài)，嚴重時會損害電機的絕緣，損壞逆變器；濾波器的存在引入了無功電流，會額外增大逆變器的輸出容量，這點在變頻器對電機的控制時尤其需要考慮。

因此，LC濾波器的設(shè)計有如下幾個方面的問題需要研究：

1）LC濾波器截止頻率及參數(shù)的選擇；

2）LC濾波器的存在是否會引起諧振；

3）LC濾波器的存在是會使電機發(fā)生自激。

1 理論分析

帶LC濾波器的H橋逆變電路如圖1所示。

圖1中電感、電容組成一個二階LC濾波器，電阻起到阻尼作用，可得該二階電路的傳遞函數(shù)如下所示：

圖1 帶LC濾波器的H橋逆變器

式（2）進行拉普拉斯反變換得到（3）式。

所以式（3）可以寫成如下的形式:

式（4）等號右方第一項為響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)分量；第二項為響應(yīng)的瞬態(tài)分量，下列所述的性能指標，將定量地描述LC濾波器的性能。

1）上升時間r

當(dāng)被控量首次由零值上升到其穩(wěn)態(tài)值所需的時間，稱為上升時間，用r表示。根據(jù)r上述的定義，得：

由上式求得：

2）峰值時間p

瞬態(tài)響應(yīng)第一次出現(xiàn)峰值的時間稱為峰值時間，用p表示。將式（4）對求導(dǎo)，并令其導(dǎo)數(shù)等于零，化簡可得：

3）超調(diào)量p

超調(diào)量是描述系統(tǒng)相對穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標，它用下式定義：

式（9）中，(p)表示響應(yīng)的峰值，μ為穩(wěn)態(tài)值，p常用百分數(shù)來表示。由式（4）和（8）可得：

（4）電阻R損耗r

LC濾波器有功損耗即電阻R上的損耗，它用下式定義：

2 輸出LC濾波器設(shè)計

2.1 截止頻率與諧振頻率

LC濾波器中電阻R起阻尼作用防止或抑制諧振的產(chǎn)生，當(dāng)選擇的諧振頻率在截止頻率之外時，可以不用阻尼電阻R。

在二電平逆變器電路中，變頻器輸出脈沖電壓的頻率等于開關(guān)頻率。其截止頻率為：

為使電機輸入電壓更接近正弦同時又不會引起諧振問題，故c最好滿足[2]：101

2.2 輸出側(cè)短路保護與電機自激

濾波電感值越大，負載電流變化越緩慢，特別是當(dāng)負載發(fā)生短路時，大的濾波電感可抑制電流上升率，保證電流上升至器件最大可關(guān)斷電流前，控制系統(tǒng)能夠?qū)δ孀兤鬟M行保護[3]。根據(jù)電感特性，有：

式中：I為 IGCT 最大可關(guān)斷電流；O為負載短路前的相電流；T為控制系統(tǒng)允許動作時間。

考慮系統(tǒng)過載運行等嚴重情況，取O=O_max，那么上式變?yōu)椋?/p>

系統(tǒng)中，感應(yīng)電機在停機或制動時為發(fā)電狀態(tài)，此時易引起逆變器輸出等效電容與電機之間的自激。故濾波器參數(shù)確定后，還需結(jié)合電機負載核算自激電壓峰值，以保證系統(tǒng)安全允許。

綜上所述，輸出短路保護需要選取較大的濾波電感抑制自激[5]，且當(dāng)濾波電感較大時，其功率因數(shù)與電壓跌落變化均較為平緩。因此，適當(dāng)放大濾波電感值，保證可靠的短路保護時間。

3 仿真分析

為了驗證LC濾波器參數(shù)的最佳取值，下面使用MATLAB進行了仿真驗證。主要是正弦濾波與d/d濾波兩種濾波方式進行了仿真分析，最后根據(jù)仿真結(jié)果找到了兩種濾波方式最佳的參數(shù)取值。

3.1 正弦濾波

1）當(dāng)dc=1 000 V，=170mH，=1W，=5～10mF時，正弦濾波后性能指標如圖2所示。

圖2 電容變化時性能指標變化

2）當(dāng)dc=1 000 V，=170mH，=0.5～1W，=10mF時，正弦濾波后性能指標如圖3所示。

3）當(dāng)dc=1 000 V，=120～170mH，=0.6W，=10mF時，正弦濾波后性能指標如圖4所示。

3.2 dv/dt濾波

1）當(dāng)dc=1 000 V，=170mH，=50W，=0.2～1mF時，正弦濾波后性能指標如圖5所示。

2）當(dāng)dc=1 000 V，=170mH，=60～90W，=0.05mF時，正弦濾波后性能指標如圖6所示。

圖6 電阻變化時性能指標變化

接下來為了找到LC濾波器在d/d濾波方式下最佳取值，達到最理想的濾波效果。因此下面在單位階躍響應(yīng)下進行了上升時間和超調(diào)量的分析。

由圖7可得上升時間和超調(diào)量如表1所示。

表1 超調(diào)量和上升時間

4 結(jié)論

根據(jù)仿真得出如下結(jié)論：

1）采用正弦濾波時，LC濾波器的參數(shù)選擇為=170mH，=0.6W，=10mF，為宜。

2）采用d/d濾波時，LC濾波器的參數(shù)選擇為=170mH，=50W，=0.05mF，為宜。

[1] 何翼. H橋型高壓變頻器輸出濾波器設(shè)計[J]. 電力電子技術(shù), 2010, 44（5）: 84-85.

[2] 俞萬能, 褚建新, 顧偉. 船舶電力推進變頻輸出電壓諧波抑制研究[J]. 中國造船, 2007, 48（4）: 71-76.

[3] 周令琛. 降低變頻器輸出電壓變化率的 LC 濾波器設(shè)計[J]. 電力電子技術(shù), 2003, 37（5）: 59-61.

[4] 徐勇. 低壓變頻器中的濾波器設(shè)計[J]. 電機與控制應(yīng)用, 2007, 34（12）: 36-39.

[5] 張凱, 陳景熙, 袁鵬. 變頻器 LC 濾波器引起的異步電機自激及其抑制[J]. 電力電子技術(shù), 2006, 40（6）: 27-29.

[6] 裘喬安, 俞萬能, 褚建新. 通用變頻器輸出濾波電路設(shè)計[J].上海海事大學(xué)學(xué)報, 2007, 28（4）: 45-49.

[7] 王云河.中壓變頻器輸出濾波器的研究[J]. 船電技術(shù), 2012, 32（5）: 15-17.

Research on parameter design method of a single-phase H-bridge Output LC filter

Li Meng1, Yang Sen2

(1.The Forth Navy Representative Office in Beijing, Beijing 100000, China; 2. China Shipbuilding Industry System Engineering Research Institute, Beijing 100000; China)

TM464

A

1003-4862（2022）05-0048-04

2021-10-20

厲孟（1985-），男，工程師。研究方向：動力系統(tǒng)。E-mail: ai_sheng@163.com