三相不控整流器输入LC滤波器分析

  对于电网而言，传统交-直-交变频器均为非线性负载，即网侧电流含有大量的低次和较高次谐波电流，造成输入功率因数降低和电流thd增高，不符合谐波电流发射限度标准：iec61000-3-2和iec61000-3-12。谐波电流的危害不言而喻，为此一定要采取谐波电流抑制措施。对于供电的传统交直-交-变频器系统，除了改善输入电流波形和减少基波功率因数角外，另一项重要的目标是维持直流电压相对负载的硬度，即要有较高的负载调整率，还要有较高的平均值和较低的纹波电压峰峰值，以便于提高后级逆变器-电动机系统的恒转矩范围，提升输出功率等级。

  到目前为止，出现了非常多的滤波原理和滤波方法，对谐波源的分析也较为深入。常用方法有无源滤波、有源滤波以及混合滤波，又可以划分为调谐的滤波器、高通滤波法、各种有源电力滤波器法、各种三相可控整流器、各种无源电力滤波器，等等。对于有源滤波或校正技术，虽然滤波或校正效果好，但技术复杂，成本比较高，在某一些场合和一定的阶段时期不适于推广应用。无源滤波技术发展最早，在抑制设备谐波方面效果较好，好的无源滤波方式，不但可以抑制谐波电流，还具有无功补偿作用。据了解目前三相交流电压供电的商用变频空调尚未采用三相有源pfc，仍然采用lcl滤波方式，生产机型全部出口欧洲国家。对三相供电的交直交变频器，目前已然浮现了大量不同的无源滤波技术，如单级LC滤波器、多级lc滤波器、多种3次谐波注入的滤波器、变压器耦合滤波器、电感耦合滤波器等。本文旨在针对性能好价格低的单级lc滤波器-整流桥-电阻负载系统来进行理论分析、仿真分析和实验测试，确定最佳lc滤波器设计方法，同时解决单级lc滤波器的几个核心问题，如直流电压提升原理、整流桥最佳输入线电压波型等，为单级lc滤波器在整流桥这类非线性负载中的应用打下基础。

  非线性负荷的谐波源型式可以大致划分为三种：谐波电压源、谐波电流源和混合谐波源。对于可控硅整流器、矩阵整流器以及电流源型pwm整流器，由于输出直流侧后接较大感值的平波电抗器，在网侧呈现谐波电流源特性，感性越强与负载越大，谐波电流源特性越显著，需要采取整流桥前并联补偿。对于三相不控整流器、电压源整流器，由于输出直流侧后接较大容值的滤波电解电容器，在网侧呈现谐波电压源特性，容性越强负载越大，谐波电压源特性越显著，尖峰电流越高，需要采取整流桥前串联补偿。对于较大功率输出的三相不控整流器的直流侧一般都后接lc滤波器，电抗器的作用是平滑直流侧电流，对于非无穷大供电系统当电感量不足时，谐波源特性介于谐波电流源与谐波电压源特性之间。

  供电线路上串入滤波电感之后，谐波电压源特性的三相不控整流桥-电解电容-负载系统具有了谐波电流源特性，谐波电流的频率越高越有利于抑制，电感量越大越体现电流谐波源特性，因而可优先考虑线路间并联电容来旁路产生的谐波电流，谐波电流的频率越高越有利于旁路。可以认为单级lc滤波器-三相不控整流桥-电解电容-负载系统的谐波等效电路具有混合谐波源特性，其等效电路应该为谐波电流源与谐波电压源的综合，这一点符合诺顿定理，如图1所示。

  对于不控整流桥谐波源特，当忽略电网分布感抗时，典型的输入相电压、线电压、相电流以及直流电压的关系见图2(a)，输入电流的thd很大，正弦度不高，不符合谐波电流发射限度标准：iec61000-3-2和iec61000-3-12，为此一定要采取适当的无源滤波措施，以便于提高网侧电流的位移因数和波形因数。在众多的无源滤波方案中，单级输入lc滤波器是一种简单易行、成本低廉、滤波效果好的措施，通过合理的参数配置能够得到接近1的输入功率因数，此时输入相电压、线电压、相电流以及直流电压的关系见图2(b)。

  图2来源于滤波电感l=25mh、滤波电容c=35mf(y接法)、电解电容680mf、电阻负载45w时的单级lc滤波器-三相整流电路。从图2b)能够准确的看出，网侧电流与网侧相电压基本同步，波形基本一致，网侧功率因数接近于1。还能够准确的看出，整流桥输入侧相电压与线电压波形畸变，且其相位均滞后相应的网侧相电压与线电压，其幅值也远高于相应的网侧相电压与线电压幅值，直接引发整流桥直流侧电压的平均值升高，纹波峰峰值也得到抑制，因此引出了单级lc滤波器-整流器电路的几个核心问题：等效谐波源问题、lc最佳参数配置问题、整流器最佳线电压波形问题、直流电压升高与直流纹波电压降低问题等。