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45ω，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ωicrs。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311v。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，系统原理见图5，图5中三相不控整流桥为35a/1200v，硅钢电感取值10mh～35mh，cbb65电容取值5μf～35μf/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35μf时输入与输出参数、谐波电流含量分别见表1～2，电感25mh/y接电容35μf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35μf)
表2 谐波电流含量(电感25mh/y接电容35μf)
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。
