三相不控整流器輸入LC濾波器分析

　　對于電網(wǎng)而言，傳統(tǒng)交-直-交變頻器均為非線性負(fù)載，即網(wǎng)側(cè)電流含有大量的低次和較高次諧波電流，造成輸入功率因數(shù)降低和電流thd增高，不符合諧波電流發(fā)射限度標(biāo)準(zhǔn)：iec61000-3-2和iec61000-3-12。諧波電流的危害不言而喻，為此必須采取諧波電流抑制措施。對于三相供電的傳統(tǒng)交直-交-變頻器系統(tǒng)，除了改善輸入電流波形和減少基波功率因數(shù)角外，另一項重要的目標(biāo)是維持直流電壓相對負(fù)載的硬度，即要有較高的負(fù)載調(diào)整率，還要有較高的平均值和較低的紋波電壓峰峰值，以便提高后級逆變器-電動機(jī)系統(tǒng)的恒轉(zhuǎn)矩范圍，提升輸出功率等級。

　　到目前為止，出現(xiàn)了非常多的濾波原理和濾波方法，對諧波源的分析也較為深入。常用方法包括無源濾波、有源濾波以及混合濾波，又可以劃分為調(diào)諧的濾波器、高通濾波法、各種有源電力濾波器法、各種三相可控整流器、各種無源電力濾波器，等等。對于有源濾波或校正技術(shù)，雖然濾波或校正效果好，但技術(shù)復(fù)雜，成本較高，在某些場合和一定的階段時期不適于推廣應(yīng)用。無源濾波技術(shù)發(fā)展最早，在抑制設(shè)備諧波方面效果較好，好的無源濾波方式，不僅可以抑制諧波電流，還具有無功補(bǔ)償作用。據(jù)了解目前三相交流電壓供電的商用變頻空調(diào)尚未采用三相有源pfc，仍然采用lcl濾波方式，生產(chǎn)機(jī)型全部出口歐洲國家。對三相供電的交直交變頻器，目前已經(jīng)出現(xiàn)了大量不同的無源濾波技術(shù)，如單級LC濾波器、多級lc濾波器、多種3次諧波注入的濾波器、變壓器耦合濾波器、電感耦合濾波器等。本文旨在針對性價比高的單級lc濾波器-整流橋-電阻負(fù)載系統(tǒng)進(jìn)行理論分析、仿真分析和實驗測試，確定最佳lc濾波器設(shè)計方法，同時解決單級lc濾波器的幾個關(guān)鍵問題，如直流電壓提升原理、整流橋最佳輸入線電壓波型等，為單級lc濾波器在整流橋這類非線性負(fù)載中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

　　2 三相l(xiāng)c濾波器-不控整流橋系統(tǒng)的關(guān)鍵問題

　　2.1 諧波源與特性問題

　　非線性負(fù)荷的諧波源型式可以大致劃分為三種：諧波電壓源、諧波電流源和混合諧波源。對于可控硅整流器、矩陣整流器以及電流源型pwm整流器，由于輸出直流側(cè)后接較大感值的平波電抗器，在網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)諧波電流源特性，感性越強(qiáng)與負(fù)載越大，諧波電流源特性越顯著，需要采取整流橋前并聯(lián)補(bǔ)償。對于三相不控整流器、電壓源整流器，由于輸出直流側(cè)后接較大容值的濾波電解電容器，在網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)諧波電壓源特性，容性越強(qiáng)負(fù)載越大，諧波電壓源特性越顯著，尖峰電流越高，需要采取整流橋前串聯(lián)補(bǔ)償。對于較大功率輸出的三相不控整流器的直流側(cè)一般都后接lc濾波器，電抗器的作用是平滑直流側(cè)電流，對于非無窮大供電系統(tǒng)當(dāng)電感量不足時，諧波源特性介于諧波電流源與諧波電壓源特性之間。

　　供電線路上串入濾波電感之后，諧波電壓源特性的三相不控整流橋-電解電容-負(fù)載系統(tǒng)具有了諧波電流源特性，諧波電流的頻率越高越有利于抑制，電感量越大越體現(xiàn)電流諧波源特性，因而可以考慮線路間并聯(lián)電容來旁路產(chǎn)生的諧波電流，諧波電流的頻率越高越有利于旁路?？梢哉J(rèn)為單級lc濾波器-三相不控整流橋-電解電容-負(fù)載系統(tǒng)的諧波等效電路具有混合諧波源特性，其等效電路應(yīng)該為諧波電流源與諧波電壓源的綜合，這一點符合諾頓定理，如圖1所示。

　　圖1 單級lc濾波器-三相不控整流橋-電解電容-負(fù)載系統(tǒng)諧波等效電路

　　對于不控整流橋諧波源特，當(dāng)忽略電網(wǎng)分布感抗時，典型的輸入相電壓、線電壓、相電流以及直流電壓的關(guān)系見圖2(a)，輸入電流的thd很大，正弦度不高，不符合諧波電流發(fā)射限度標(biāo)準(zhǔn)：iec61000-3-2和iec61000-3-12，為此必須采取適當(dāng)?shù)臒o源濾波措施，以便提高網(wǎng)側(cè)電流的位移因數(shù)和波形因數(shù)。在眾多的無源濾波方案中，單級輸入lc濾波器是一種簡單易行、成本低廉、濾波效果好的措施，通過合理的參數(shù)配置可以獲得接近1的輸入功率因數(shù)，此時輸入相電壓、線電壓、相電流以及直流電壓的關(guān)系見圖2(b)。

　　(a)無輸入濾波器

　　(b)單級lc輸入濾波器

　　圖2 輸入相電壓、線電壓、相電流以及直流電壓的關(guān)系

　　圖2來源于濾波電感l(wèi)=25mh、濾波電容c=35mf(y接法)、電解電容680mf、電阻負(fù)載45w時的單級lc濾波器-三相整流電路。從圖2b)可以看出，網(wǎng)側(cè)電流與網(wǎng)側(cè)相電壓基本同步，波形基本一致，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1。還可以看出，整流橋輸入側(cè)相電壓與線電壓波形畸變，且其相位均滯后相應(yīng)的網(wǎng)側(cè)相電壓與線電壓，其幅值也遠(yuǎn)高于相應(yīng)的網(wǎng)側(cè)相電壓與線電壓幅值，直接導(dǎo)致整流橋直流側(cè)電壓的平均值升高，紋波峰峰值也得到抑制，因此引出了單級lc濾波器-整流器電路的幾個關(guān)鍵問題：等效諧波源問題、lc最佳參數(shù)配置問題、整流器最佳線電壓波形問題、直流電壓升高與直流紋波電壓降低問題等。