一种单相H桥输出LC滤波器的参数设计方法研究

厉 孟，杨 森

应用研究

一种单相H桥输出LC滤波器的参数设计方法研究

厉 孟1，杨 森2

(1.海装驻北京地区第四军事代表室，北京 100000；2. 中国船舶工业系统工程研究院，北京 100000）

为了改善两电平H桥结构变频器输出谐波大、电压上升率快等缺点，设计了变频器输出滤波器——LC滤波器。讨论了LC滤波器对输出的影响，以及LC参数的选取原则。最后经过MATLAB仿真验证得出了LC滤波器参数选取的最佳值。

谐波 LC滤波器 MATLAB

0 引言

推进变频器采用SPWM调制方法实现永磁推进电机的调速控制，由于变频器采用两电平H桥结构，其输出谐波较大，为提高其输出电压波形质量，拟在变频器输出加装输出滤波器，一方面可以提高波形质量，另一方面对于d/d有抑制作用，同时可以提高变频器的电磁兼容性。目前LC滤波器应用比较广泛，该滤波器的引入带来了一些新问题：如设计不当，滤波器的存在会导致谐振，引起变频器和电机的过电压；当变频器封锁驱动脉冲、停止运行时[1]，LC滤波器的滤波电容可能使电机进入自激发电状态，严重时会损害电机的绝缘，损坏逆变器；滤波器的存在引入了无功电流，会额外增大逆变器的输出容量，这点在变频器对电机的控制时尤其需要考虑。

因此，LC滤波器的设计有如下几个方面的问题需要研究：

1）LC滤波器截止频率及参数的选择；

2）LC滤波器的存在是否会引起谐振；

3）LC滤波器的存在是会使电机发生自激。

1 理论分析

带LC滤波器的H桥逆变电路如图1所示。

图1中电感、电容组成一个二阶LC滤波器，电阻起到阻尼作用，可得该二阶电路的传递函数如下所示：

图1 带LC滤波器的H桥逆变器

式（2）进行拉普拉斯反变换得到（3）式。

所以式（3）可以写成如下的形式:

式（4）等号右方第一项为响应的稳态分量；第二项为响应的瞬态分量，下列所述的性能指标，将定量地描述LC滤波器的性能。

1）上升时间r

当被控量首次由零值上升到其稳态值所需的时间，称为上升时间，用r表示。根据r上述的定义，得：

由上式求得：

2）峰值时间p

瞬态响应第一次出现峰值的时间称为峰值时间，用p表示。将式（4）对求导，并令其导数等于零，化简可得：

3）超调量p

超调量是描述系统相对稳定性的一个动态指标，它用下式定义：

式（9）中，(p)表示响应的峰值，µ为稳态值，p常用百分数来表示。由式（4）和（8）可得：

（4）电阻R损耗r

LC滤波器有功损耗即电阻R上的损耗，它用下式定义：

2 输出LC滤波器设计

2.1 截止频率与谐振频率

LC滤波器中电阻R起阻尼作用防止或抑制谐振的产生，当选择的谐振频率在截止频率之外时，可以不用阻尼电阻R。

在二电平逆变器电路中，变频器输出脉冲电压的频率等于开关频率。其截止频率为：

为使电机输入电压更接近正弦同时又不会引起谐振问题，故c最好满足[2]：101

2.2 输出侧短路保护与电机自激

滤波电感值越大，负载电流变化越缓慢，特别是当负载发生短路时，大的滤波电感可抑制电流上升率，保证电流上升至器件最大可关断电流前，控制系统能够对逆变器进行保护[3]。根据电感特性，有：

式中：I为 IGCT 最大可关断电流；O为负载短路前的相电流；T为控制系统允许动作时间。

考虑系统过载运行等严重情况，取O=O_max，那么上式变为：

系统中，感应电机在停机或制动时为发电状态，此时易引起逆变器输出等效电容与电机之间的自激。故滤波器参数确定后，还需结合电机负载核算自激电压峰值，以保证系统安全允许。

综上所述，输出短路保护需要选取较大的滤波电感抑制自激[5]，且当滤波电感较大时，其功率因数与电压跌落变化均较为平缓。因此，适当放大滤波电感值，保证可靠的短路保护时间。

3 仿真分析

为了验证LC滤波器参数的最佳取值，下面使用MATLAB进行了仿真验证。主要是正弦滤波与d/d滤波两种滤波方式进行了仿真分析，最后根据仿真结果找到了两种滤波方式最佳的参数取值。

3.1 正弦滤波

1）当dc=1 000 V，=170mH，=1W，=5～10mF时，正弦滤波后性能指标如图2所示。

图2 电容变化时性能指标变化

2）当dc=1 000 V，=170mH，=0.5～1W，=10mF时，正弦滤波后性能指标如图3所示。

3）当dc=1 000 V，=120～170mH，=0.6W，=10mF时，正弦滤波后性能指标如图4所示。

3.2 dv/dt滤波

1）当dc=1 000 V，=170mH，=50W，=0.2～1mF时，正弦滤波后性能指标如图5所示。

2）当dc=1 000 V，=170mH，=60～90W，=0.05mF时，正弦滤波后性能指标如图6所示。

图6 电阻变化时性能指标变化

接下来为了找到LC滤波器在d/d滤波方式下最佳取值，达到最理想的滤波效果。因此下面在单位阶跃响应下进行了上升时间和超调量的分析。

由图7可得上升时间和超调量如表1所示。

表1 超调量和上升时间

4 结论

根据仿真得出如下结论：

1）采用正弦滤波时，LC滤波器的参数选择为=170mH，=0.6W，=10mF，为宜。

2）采用d/d滤波时，LC滤波器的参数选择为=170mH，=50W，=0.05mF，为宜。

[1] 何翼. H桥型高压变频器输出滤波器设计[J]. 电力电子技术, 2010, 44（5）: 84-85.

[2] 俞万能, 褚建新, 顾伟. 船舶电力推进变频输出电压谐波抑制研究[J]. 中国造船, 2007, 48（4）: 71-76.

[3] 周令琛. 降低变频器输出电压变化率的 LC 滤波器设计[J]. 电力电子技术, 2003, 37（5）: 59-61.

[4] 徐勇. 低压变频器中的滤波器设计[J]. 电机与控制应用, 2007, 34（12）: 36-39.

[5] 张凯, 陈景熙, 袁鹏. 变频器 LC 滤波器引起的异步电机自激及其抑制[J]. 电力电子技术, 2006, 40（6）: 27-29.

[6] 裘乔安, 俞万能, 褚建新. 通用变频器输出滤波电路设计[J].上海海事大学学报, 2007, 28（4）: 45-49.

[7] 王云河.中压变频器输出滤波器的研究[J]. 船电技术, 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

厉孟（1985-），男，工程师。研究方向：动力系统。E-mail: ai_sheng@163.com