1、三相不控整流器输入 LC 滤波器的研究时间：2011-09-01 18:40:26 来源： 作者：1 引言随着相关技术的不断进步，交-直-交变频器技术得到了长足发展，变频器-电动机传动系统广泛应用在各行各业，其中由于单相供电的局限性，目前较大功率的变频空调等电器均采用三相交流电源供电。由于传统交-直-交变频器的前级 ac-dc 变换器为不控二极管整流桥，众所周知，只要对于三相供电系统采用不控整流桥，后级为任何电路型式，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：iec6100
2、0-3-2 和 iec61000-3-12。谐波电流的危害不言而喻，为此必须采取谐波电流抑制措施。对于三相供电的传统交直-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。常用方法包括无源滤波、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
3、术，虽然滤波或校正效果好，但技术复杂，成本较高，在某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，不仅可以抑制谐波电流，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，目前已经出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。本文旨在针对性价比高的单级 lc 滤波器-整流桥-电阻负载系统进行理论分析、仿真分析和实验测试，确定最佳 l
4、c 滤波器设计方法，同时解决单级 lc 滤波器的几个关键问题，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。2 三相 lc 滤波器-不控整流桥系统的关键问题2.1 谐波源与特性问题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
5、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，因而可以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
6、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。图 1 单级 lc 滤波器-三相不控整流桥-电解电容-负载系统谐波等效电路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，为此必须采取适当的无源滤波措施，以便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可以获得接近 1
7、 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)。(a)无输入滤波器(b)单级 lc 输入滤波器图 2 输入相电压、线电压、相电流以及直流电压的关系图 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)可以看出，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。还可以看出，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，直接导致整流桥直流侧电压的平均值升高，纹波峰峰
8、值也得到抑制，因此引出了单级 lc 滤波器- 整流器电路的几个关键问题：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。2.2 最佳滤波效果问题采用单级 lc 滤波器后，网侧不能获得单位功率因数。原因是：如果输入电流波形为与相电压同步的正弦波电流，则滤波电感的端电压为超前相电流 90的正弦电压，桥前相电压为电网相电压与电感端电压之和，桥前线电压也将为正弦电压波形，桥前相电流也将为电流脉冲状态，二极管的导通角小于 120，又回到了没有 lc 滤波器的状态，这些情况均与实际不符。为了合理配置 l、c 参数，获得高输入功率因数，有必要建立单级
9、lc 滤波器-三相整流桥-电解电容- 负载系统的回路电压与节点电流方程，并设定输入电流特征指标，如给定允许位移角 1、 thd 与谐波电流限度，在设定好额定输出功率的前提下，给出利用 matlab 或其他仿真平台，采用数值计算和对 l 与 c 参数扫描的方法，确定电感与电容的参数，可以得到多组满足条件的解。在这些解中，尽量选择参数配置均衡的解，尽量选择 lc 乘积小的解，这样才可能便于器件的设计与制作，并控制成本和体积与重量。在确保有余量地满足谐波电流标准的前提下，适当调节位移角 1 的大小与超前滞后程度、适当增加电网电流的thd，可以大大降低 lc 乘积。设定额定负载为 7.5kw，经过数值
10、计算和对 l 与 c 参数的扫描，发现当l=25mh、c=105mf( 接法) 时，位移角 1=2，thd=5.0%，输入功率因数 =0.99，认为此时的 l、 c 参数就是一组可以获得最佳滤波效果的滤波器参数。首先建立整流电路的节点电流与回路电压方程，根据桥前线电压不同与整流桥二极管导通规律，划分 6 个区间，绘制等效电路，见图 3，并建立相关方程。图 3 不同二极管导通区间的等效电路图 3 中 dh 与 dl 表示同时导通的一组二极管，dh 为上管， dl 为下管，ux 与 uy 表示对应的一组电网相电压。经过分析，在各个区间内满足方程 1 和 2。(1)(2)其中，ud 表示一个二极管的
11、导通压降，取 2.0v，ulb 表示桥前线电压，即滤波电容的端电压，uxy 表示电网线电压。经过求解方程(1)(2)，得到桥前线电压 ulb 的表达式(3)和电网电流 a 相的表达式(4)。(3)式中各系数为：(4)式中各系数为 a1=29.41，b1=314.4，c1=-12.54。接着，采用相同的过程，求解出桥前相电压、直流输出电压、滤波电容电流、桥前电流、桥后电流、电解电容电流、负载电阻电流的表达式，绘制各自的波形，将其与采用同样参数经过仿真分析得到的相应波形进行相似性比较，和图 2(b)比对，结果发现相似度基本上为 1，说明这种寻找 l、c 最佳参数的方法是有效的，推导出的有关表达式是
12、较为精确的，可以作为实际选择参数的依据。2.3 桥前最佳线电压波形问题如果想获得最佳的功率因数校正效果，认为必须获得最佳的线电压波形。不同的输入滤波器型式，桥前的最佳线电压波形不一定相同。对于单纯串联的输入滤波器型式，最佳线电压波形一定相同。对于单级与两级 lc 滤波器型式，最佳的线电压波形一定不相同。对于单级 lc 滤波器型式，最佳的线电压波形的特点是：(1)电感端电压并非正弦波形，而是 6 段 60的依次相连的弦波片断，反映了整流桥二极管每 60一次换相的过程，每个过程内整个线路为线性电路，换相过程为非线性电路。电感端电压包含基波压降以及 5、7、11、13 等低次谐波压降，基波压降滞后基
13、波电流 90；(2)电感电流具有较高的正弦度，但不是真正的正弦波形，反映了整流桥二极管的换相过程；(3)桥前相电压波形滞后电网相电压波形大约 30，其原因是滤波电感端电压滞后电网相电压大约 90；(4)桥前线电压波形与电网相电压几乎同步，呈现交变梯形波，波形平顶大约占 120，波形底部大约占 180，幅值大大提高，其原因是滤波电容通过了并联谐振容性电流和部分谐波电流，前者比重较小，后者比重较大，本例中为几乎全部的谐波电流。在半个周期内，中间 60时间电流近似为零，两端 60时间谐波电流呈指数规律上升，这种谐波电流的分布，通过积分作用，使得桥前线电压呈现这种特殊的波形，其有效值和平均值大大增加，
14、超过电网线电压的有效值和平均值。这种桥前线电压与电网相电压同步，有利于二极管导通角为 120。以上分析，解释了单级 lc 滤波器-三相整流桥-电解电容- 负载系统的几个关键问题：最佳桥前线电压问题，直流电压升高问题，纹波电压峰峰值下降问题。3 仿真与实验验证3.1 仿真验证采用仿真软件 matlab/simulink 对单级 lc 滤波器-三相不控整流桥-电解电容-电阻负载系统进行了较全面和细致的仿真分析，给定额定负载为 7.5kw 的恒功率负载，折算到三相电阻负载为 45，三相 lc 滤波电路，滤波电感 25mh，滤波电容 35mf(y 接法)，系统原理如图4 所示。图 4 单级 lc 滤波
15、器 -三相不控整流桥-电解电容-电阻负载系统仿真原理滤波电容的端电压表达式为：(5)式中：uc 为电容电压，us 为电源电压， rs 为电源电阻以及电抗器的分布电阻，rl 为负载电阻，1/rl 反映了负载功率。在负载功率不是很大时，由于 rs 为 mw 级别，可以忽略rs/rl，则电压增益为：(6)上式说明，在忽略线路压降的条件下，负载功率的增加，使后接整流器-电解电容-负载系统时降压的唯一原因。电压增益与滤波电感量的关系较为复杂，当电容容值不变时，电感量为 54mh 时电压增益为最大 1.527 倍，电感量小于 54mh 时单调增函数，电感量大于54mh 时单调减函数。电压增益随着滤波电容量
16、的增加呈现增函数。当负载为足够大时，电压增益趋近于零，当为空载时，电压增益如式(7)所示。(7)式中 ic 电容电流，xs 为感抗，xc 为电容容抗，rs 起到减少电容电压幅值的作用，在负载功率不是很大时，由于 rs 为 mw 级别，可以忽略 icrs。则：(8)上式说明，lc 滤波器的使用将产生并联谐振，能够提高输出电压，这也是后接整流器-电解电容-负载系统时能够升压的一个重要原因。仿真结果：滤波电容(d 接法 )线电压与电网线电压同步，正弦波形，工频 50hz，超前相电压 30，幅值为电网线电压幅值 1.35 倍，幅值为 727.0v，电网线电压幅值为 538.6v，电网相电压幅值为 31
17、1v。滤波电容(d 接法)相电压与电网相电压同步，正弦波形，工频50hz，幅值为电网相电压幅值 1.35 倍，幅值为 419.5v。滤波电感电压为正弦波形，工频50hz，幅值为电网相电压幅值 0.35 倍，幅值为 108.9v。电网电流为正弦波形，超前相电压 90，工频 50hz，幅值为 13.85a。电容(d 接法)电流为正弦波形，超前相电压 120，工频 50hz，幅值为 8.0a。以上仿真数据与理论分析结果相同。图 5 单级 lc 滤波器-三相不控整流桥-电解电容-电阻负载系统实验原理图3.2 实验验证为了验证单极 lc 滤波器在三相不控整流系统中谐波抑制的有效性，进行实验验证，系统原理
18、见图 5，图 5 中三相不控整流桥为 35a/1200v，硅钢电感取值 10mh35mh，cbb65 电容取值 5f35f/1200v，最大输出功率接近 7.5kw。实验结果与理论分析和仿真分析结果相符合。电感 25mh/y 接电容 35f 时输入与输出参数、谐波电流含量分别见表 12，电感 25mh/y 接电容 35f 时电网电流与直流电压的波形见图 6。(a)轻载(4.464a)(b)重载(10.03a)图 6 电网电流与直流电压波形注意事项：(1)采用单级 lc 滤波器时电感量不宜过小，而且不宜共铁芯，否则影响滤波效果，滤波电容应该置于电感与整流桥之间；(2)空载时 lc 并联谐振，产生
19、高压，除了考虑元器件选型耐压问题，还需要处理好后级变换器如逆变器- 电动机传动系统的启动问题，设计启动程序应该考虑软启动；(3)电网电压变化时输出直流电压相应变化，负载变化时输出直流电压也相应变化，这种跟随特性有利于 lc 参数选择。表 1 输入与输出参数( 电感 25mh/y 接电容 35f)表 2 谐波电流含量(电感 25mh/y 接电容 35f)4 结束语通过理论分析、仿真分析和实验验证，单级 lc 滤波器的使用将不控整流桥-电解电容-负载系统的谐波源特性由电压源特性移向电流源特性，电感取值越大电流源特性越强，谐波源特性可以改变；输出直流电压提升的原理在于 lc 产生并联振荡和谐波电流通
20、过滤波电容产生容性电压综合作用的结果，对于额定输出功率而言，可以通过理论分析和仿真分析找到最佳 lc 参数配置，得到近似交变梯形的最佳桥前线电压波形，并能够实现高输入功率因数；最大输出功率 7.5kw 的三相 lc 滤波器-整流桥-电解电容- 电阻负载系统实验结果也验证了三相不控整流器采用 lc 滤波器，可以在较宽的负载范围内获得较高的功率因数，同时也可以提高输出直流电压平均值；在空载与轻载下，电网产生的容性电流，还有利于补偿电网的滞后无功。单级 lc 滤波器结构简单，成本低廉，特别适合在三相供电的大功率变频空调等场合应用。作者简介杨喜军(1969-) 男 现为上海交通大学电气工程系副教授，专业为电力电子与电力传动，目前研究方向为多级交错单相有源 pfc、电力电子变压器等。
