三相可控整流電源FIR濾波器設計*

伍 豐

（湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學院，湖南 株洲 412000）

三相橋式可控整流因直流波形平穩(wěn)、濾波容易、電源電壓利用率高、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點被廣泛應用。為控制整理后輸出電壓的波形，需控制功率器件的導通相位角，因而需要檢測交流側(cè)輸入信號的零點，常規(guī)的零點檢測方法是采用硬件比較器電路，將交流側(cè)輸入信號與零電壓比較輸出方波脈沖作為同步信號，在實際應用中常出現(xiàn)交流側(cè)電壓波形受到干擾發(fā)生畸變，使得一個周期內(nèi)出現(xiàn)波形多次過零點，從而造成整流后的輸出電壓不穩(wěn)定。本文設計一種濾波器，其可先將交流電壓經(jīng)過有限長單位沖激響應（Finite Impulse Response，F(xiàn)IR）濾波器數(shù)字濾波，再利用濾波后的數(shù)字波形產(chǎn)生同步脈沖的方法[1]。

1 三相整流原理與存在的問題

本文以地鐵三相整流電源為例進行研究，該電源的主要功能是將三相工頻電壓整流成直流電壓，整流輸出電壓用于對列車蓄電池進行浮充，以及給車上的控制電路供電[2]，此外當主電源供電出現(xiàn)故障時，還可提供應急照明。此時列車電能來源是蓄電池，地鐵三相整流電源的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 地鐵三相整流電源的結(jié)構(gòu)圖

圖1中主電路采用三相橋式全控晶閘管整流，輸出電壓110 V是蓄電池溫度的函數(shù)，根據(jù)蓄電池的不同溫度值，其數(shù)值會有所不同；輸入105 V交流電來源是1 500 V直流母線電壓經(jīng)過逆變之后產(chǎn)生的三相工頻電壓經(jīng)過變壓之后得來的，該電壓的主要特點是波形質(zhì)量差，特別是空載時，三相波形會發(fā)生畸變，要用常規(guī)的硬件比較電路的方法產(chǎn)生三相同步脈沖信號會出現(xiàn)過零點判斷不準確而引起輸出電壓波動的情況，見圖2。本文采用了一種全新的通過軟件產(chǎn)生同步脈沖的方法，可直接將A相的電壓輸入數(shù)字信號處理（Digital Signal Process，DSP）進行采樣，然后將采樣得到的信號經(jīng)過FIR濾波器進行濾波，再通過檢測零點來產(chǎn)生同步脈沖。

圖2 采用硬件電路產(chǎn)生的同步信號

2 F I R濾波器原理與設計

2.1 FIR濾波器概述

數(shù)字濾波是在數(shù)字信號處理中被廣泛使用的一種基本線性處理模塊，它可以實現(xiàn)模擬器件很難達到的準確線性相位關(guān)系特性，而FIR濾波器運算速度快，不含反饋環(huán)路，結(jié)構(gòu)簡單。此外FIR濾波器在保證幅度特性滿足技術(shù)要求的同時，很容易做到有嚴格的線性相位，因而被廣泛使用。

2.2 FIR濾波器原理

FIR濾波器的差分方程及其系統(tǒng)傳遞函數(shù)分別為

由式（2）可知，F(xiàn)IR濾波器的單位沖激響應h（n）是一個有限長序列，系統(tǒng)函數(shù)H（z）是z-1的（M-1）次多項式，它在Z平面有（M-1）個零點，同時原點Z=0是（M-1）階重極點，因此H（z）永遠穩(wěn)定。FIR濾波器結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 FIR濾波器結(jié)構(gòu)

此外，式（2）的幅頻響應特性函數(shù)的表達式為

由式（3）可知，系統(tǒng)的相位θ（ω）是ω的線性函數(shù)，表達式為

式中：λ為常數(shù)。

2.3 濾波器延時分析

由三相橋式晶閘管整流理論可知，當觸發(fā)角α=0°時，晶閘管導通起點正好落后A相零點60°，又由于FIR濾波器是線性相位濾波器，因而只要濾波能在60°所占的時間（Ts=（1/300）s）內(nèi)完成，將不影響晶閘管的導通。因此需要合理選擇濾波器的參數(shù)，選取的原則是使延時能滿足上述要求，根據(jù)實際情況，采用Fs=4 200Hz的采樣頻率，濾波器的階數(shù)M的計算公式為

2.4 使用MATLAB軟件設計FIR低通濾波器

MATLAB軟件信號處理工具箱里提供了一個濾波器設計與分析工具（Filter Design&Analysis Tool，F(xiàn)DATool），它可以設計幾乎所有基本的常規(guī)濾波器，包括FIR和IIR（IIR digital filter）的各種設計方法，同時具有操作簡單、方便靈活等特點[3]，本文需要設計一個前面所研究的FIR低通濾波器，濾波參數(shù)為：濾波器階數(shù)14，采樣頻率Fs=4 200 Hz，中心頻率50 Hz。采用窗函數(shù)法設計，在FDATool界面中填入上述參數(shù)便可以設計出滿足要求的濾波器，所設計的濾波器幅頻響應見圖4。

圖4 F I R濾波器幅頻響應圖

3 仿真研究

為了驗證該方法的有效性和所設計的濾波器的濾波效果，利用軟件MATLAB/Simulink作了仿真研究[4]，以受到干擾的交流信號波形作為FIR濾波器的輸入，采用濾波后的輸出波形產(chǎn)生同步脈沖信號[5]，仿真結(jié)果見圖5。由圖5可知，交流信號經(jīng)過FIR濾波之后，還原出較為理想的正弦波，用還原出的正弦波產(chǎn)生同步脈沖不存在無效的重復觸發(fā)[6]。

圖5 濾波后產(chǎn)生同步信號

4 結(jié)論

以地鐵三相整流電源為例，根據(jù)整流電源存在三相交流電壓畸變而造成整流同步脈沖輸出不穩(wěn)定的特點，本文采用了一種引入使用FIR濾波器對交流信號濾波的方法產(chǎn)生同步脈沖，從仿真結(jié)果來看，同步脈沖不穩(wěn)定的現(xiàn)象得到了消除，本文的研究內(nèi)容為三相可控整流電源的設計提供了參考。