单相大功率变流器同步信号数字滤波器设计

凌云　青小渠

摘要：依据单相大功率变流器的特点，介绍了PWM整流器的运行原理，分析了其网侧谐波，设计出一种同步信号数字滤波器。对模拟电路设计方案及合理性进行了讨论，使用双线性变换对滤波器数字化并进行了详细分析和计算，在此基础上对该数字滤波器进行了现场试验，分析表明该数字滤波器有效可行。

[关键词]单相大功率变流器同步信号数字滤波器

单相变流器常用于铁路牵引网，有源滤波系统，能量回馈系统中。与传统相控整流器相比，PWM整流器因其谐波含量低，功率因数高，四象限运行等特性在大功率变流器中得到了诸多应用。在实际运行中，PWM整流器的同步电压信号往往取自变压器的次级，且由于开关频率较低，会产生大量的谐波，使采集的同步信号中也会含有大量的谐波及噪声，波形畸变严重。为保证系统的正常运行，需要滤波器对采集的同步信号进行处理，但在模拟滤波电路中，由于电阻电容的容差或放大器寄生参数的影响，往往使带通滤波器中心频率偏移，使同步信号产生较大的动态误差且不方便进行批量生产。在三相系统中，可以采用基于二阶广义积分器的数字滤波器来滤除噪声，但在单相系统中，不方便进行坐标变换。故本文提出一种频率自适应的数字带通滤波器。

1单相PWM变流器及其谐波

如图1所示，单相PWM整流器的每个桥臂由一个全控开关器件和与其反并联的续流二极管组成。Cj为直流侧滤波电容。U，为交流电源，L为网侧电感，起平衡电压，支撑无功功率和储能的作用。PWM整流器的控制原理是通过控制UAB，实现控制网侧电流的大小与相位。单相PWM整流器常用的调制方式一般为单极性SPWM。与双极性控制方式相比，单极性的优点在于UAB只在+U。与0或0与一U间变化。从输出电压波形上来看其通、断频率等效地增加了一倍，而电压跳动量减小了一倍。假设开关器件均为理想模型，在换相过程中没有功率损失和能量存储，则交流功率与直流功率相等。则直流侧输出电压可表示为：

其中，I，为网侧电流有效值;θ为电流滞后电压相位角;1U，d0为输出电压平均值。

可以看出输出电压U;中存在两倍于电网频率的谐波。变流器一"般采用双闭环控制，电压外环，电流内环。外环电压与正弦信号相成作为内环的给定值，则网侧电流谐波必以电网频率3，5，7倍的边带出现。

从文献[1]中可以看出当开关频率降低到200Hz时，网侧电流谐波幅值可能会超过基波幅值的55%。

2数字带通滤波器

二阶带通滤波器传递函数如下所示：

其中A（oo）为滤波器增益，0o为中心角频率，Q为品质因数。

文献[2]中所提出的状态变量带通滤波器，其增益为1，中心频率50Hz，品质因数为8，传递函数为：

由于需要对50Hz电网精确的提取，故此滤波器通带区间设计的很窄，在状态变量滤波器具体的模拟电路实现中，常常会因电阻、电容的容差或器件的寄生参数，板件的设计不当导致带通滤波器中心频率偏移，使同步信号出现相移误差。鉴于目前数字处理器性能的提升，故将此滤波器数字化，即可避免外在因素影响滤波器的滤波效果。

首先将式（2）离散化，由于脉冲响应变换会产生频谱的混叠，而双线性变换频谱无混叠，只会在高频处产生失真。为保证数字滤波器与模拟滤波器在中心频率处一致，本文采用双线性变换将带通滤波器离散化。

双线性变换是自然对数的一阶估计法，其基本思想是用式（4）将将整个s平面压缩到区间

，其中T为采样频率。后用式（5）将此区间变换到整个z平面，由此建立s平面与z平面的映射关系。

将变换公式带入滤波器传递函数式（2）中，得到带通滤波器在z平面的一般表达式为：

其中θ=w。T，带入式（3）参数，设采样频率为5KHz，得到数字带通滤波器的离散传递函数为：

如图2所示，从离散化前后伯德图对比中可以看出双线性变换前后，带通滤波器在中心频率50Hz处频率响应一致。

从式（10）和图3可以看出，数字滤波器进行一次计算最多仅需五次乘法与三次加法。在28335等高速处理器中，一次采样与计算仅需几个微秒，实时性高。并且通过计时器或锁相环得到的网侧角频率0。可以带入式（8）进行在线计算或者离线查表，实现带通滤波器中心频率的自适应。

3前置电路及验证

传感器采集的同步信号一般不宜直接送入处理器中，故本文设计了一种处理器ADC采集前置电路。利用反相放大器U1隔离采集器输入电压并抑制共模信号。普通数字处理器ADC输入电压为0至3V，利用加法器U2抬升输出正弦电压零点。此前置电路只是跟隨反向并平移电压，并不会造成中心频率处波形失真和相移。如图4所示。

在开关频率500Hz，功率为100Kw的单相PWM整流器的实验结果如图5所示。实验表明，单相大功率变流器中同步信号波形畸变严重，经数字滤波器滤波后得到50Hz标准同步正弦信号。实验证明说设计的数字滤波器能够有效滤除同步信号中的谐波与噪声，达到了预期目标，保证了同步信号的精度。

4结论

考虑模拟器件的误差与寄生参数，选择了适合同步信号精准滤波的数字带通滤波器，设计了配合处理器采集的前置输入电路。此数字滤波器与其输入前置电路避免了外在因素对滤波效果的影响。在DSP中完成了程序设计，最后在单相大功率PWM整流器中完成实验验证。实验表明所设计的数字带通滤波器可以有效的滤除开关管在低开关频率下网侧同步信号中的谐波与噪声，对单相大功率变流系统控制性能的提升具有重要意义。

参考文献

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