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(多图) 三相不控整流器输入LC滤波器的研究

21ic 上海交通大学 杨喜军?? 2011年09月22日 ?? 收藏0

  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:iec61000-3-2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lc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。

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

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)。

输入相电压

(a)无输入滤波器

输入相电压

(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。


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