三相不控整流器輸入LC濾波器分析

　　對于電網而言，傳統交-直-交變頻器均為非線性負載，即網側電流含有大量的低次和較高次諧波電流，造成輸入功率因數降低和電流thd增高，不符合諧波電流發射限度標準：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交直-交-變頻器系統，除了改善輸入電流波形和減少基波功率因數角外，另一項重要的目標是維持直流電壓相對負載的硬度，即要有較高的負載調整率，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-電動機系統的恒轉矩范圍，提升輸出功率等級。

　　到目前為止，出現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，雖然濾波或校正效果好，但技術復雜，成本較高，在某些場合和一定的階段時期不適于推廣應用。無源濾波技術發展最早，在抑制設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，還具有無功補償作用。據了解目前三相交流電壓供電的商用變頻空調尚未采用三相有源pfc，仍然采用lcl濾波方式，生產機型全部出口歐洲國家。對三相供電的交直交變頻器，目前已經出現了大量不同的無源濾波技術，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-電阻負載系統進行理論分析、仿真分析和實驗測試，確定最佳lc濾波器設計方法，同時解決單級lc濾波器的幾個關鍵問題，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載中的應用打下基礎。

　　2 三相lc濾波器-不控整流橋系統的關鍵問題

　　2.1 諧波源與特性問題

　　非線性負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，由于輸出直流側后接較大感值的平波電抗器，在網側呈現諧波電流源特性，感性越強與負載越大，諧波電流源特性越顯著，需要采取整流橋前并聯補償。對于三相不控整流器、電壓源整流器，由于輸出直流側后接較大容值的濾波電解電容器，在網側呈現諧波電壓源特性，容性越強負載越大，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補償。對于較大功率輸出的三相不控整流器的直流側一般都后接lc濾波器，電抗器的作用是平滑直流側電流，對于非無窮大供電系統當電感量不足時，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-負載系統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，電感量越大越體現電流諧波源特性，因而可以考慮線路間并聯電容來旁路產生的諧波電流，諧波電流的頻率越高越有利于旁路。可以認為單級lc濾波器-三相不控整流橋-電解電容-負載系統的諧波等效電路具有混合諧波源特性，其等效電路應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-負載系統諧波等效電路

　　對于不控整流橋諧波源特，當忽略電網分布感抗時，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，不符合諧波電流發射限度標準：iec61000-3-2和iec61000-3-12，為此必須采取適當的無源濾波措施，以便提高網側電流的位移因數和波形因數。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，通過合理的參數配置可以獲得接近1的輸入功率因數，此時輸入相電壓、線電壓、相電流以及直流電壓的關系見圖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系

　　圖2來源于濾波電感l=25mh、濾波電容c=35mf(y接法)、電解電容680mf、電阻負載45w時的單級lc濾波器-三相整流電路。從圖2b)可以看出，網側電流與網側相電壓基本同步，波形基本一致，網側功率因數接近于1。還可以看出，整流橋輸入側相電壓與線電壓波形畸變，且其相位均滯后相應的網側相電壓與線電壓，其幅值也遠高于相應的網側相電壓與線電壓幅值，直接導致整流橋直流側電壓的平均值升高，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鍵問題：等效諧波源問題、lc最佳參數配置問題、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。