大功率UPS 6脉冲与12脉冲可控硅整流器原理与区别

  摘要：本文从理论推导、实测数据分析、谐波分析和改善对策、性能对比四个方面详细阐述6脉冲和12脉冲整流器的原理和区别。对大功率UPS的整流技术有一个深入全面的剖析。 一、理论推导 1、6脉冲整流器原理： 6脉冲指以6个可控硅（晶闸管）组成的全桥整流，由于有6个开关脉冲对6个可控硅分别控制，所以叫6脉冲整流。 当忽略三相桥式可控硅整流电路换相过程和电流脉动，假定交流侧电抗为零，直流电感为无穷大，延迟触发角a为零，则交流侧电流傅里叶级数展开为： (1-1) 由公式（1-1）可得以下结论： 电流中含6K1（k为正整数）次谐波，即5、7、11、13…等各次谐波，各次谐波的有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。 图1.1 计算机仿线脉冲A相的输入电压、电流波形 2、12脉冲整流器原理： 12脉冲是指在原有6脉冲整流的基础上，在输入端、增加移相变压器后在增加一组6脉冲整流器，使直流母线个可控硅整流完成，因此又称为12脉冲整流。 下图所示I和II两个三相整流电路就是通过变压器的不同联结构成12相整流电路。 12脉冲整流器示意图（由2个6脉冲并联组成） 桥1的网侧电流傅立叶级数展开为： (1-2) 桥II网侧线) 故合成的网侧线) 可见，两个整流桥产生的5、7、17、19、…次谐波相互抵消，注入电网的只有12k1（k为正整数）次谐波，即11、13、23、25等各次谐波，且其有效值与与谐波次数成反比，而与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。 图1.2 计算机仿线脉冲UPS A相的输入电压、电流波形 二、实测数据分析。 以上计算为理想状态，忽略了很多因数，如换相过程、直流侧电流脉动、触发延迟角，交流侧电抗等。因此实测值与计算值有一定出入。 理论计算谐波表： 谐波次数 5th 7th 11th 13th 17th 19th 23th 6脉冲谐波含量 20% 14% 9% 8% 6% 5% 4% 12脉冲谐波含量 0% 0% 9% 8% 0% 0% 4% 某型号大功率UPS谐波实测数据表： 谐波次数 5th 7th 11th 13th 17th 19th 23th 6脉冲谐波含量 32% 3% 8% 3% 4% 2% 2% 12脉冲谐波含量 1% 1% 9% 4% 1% 1% 2% 从以上两表对比可得，6脉整流器谐波含量最大为5次谐波、12脉整流器强度最大为11次谐波，与理论计算结果一致。6脉5次谐波实测值较计算值偏大，12脉11次谐波实测值与计算值相同。 三、谐波分析和改良对策 谐波会造成配电线缆、变压器发热，降低通话质量，空气开关误动作，发电机喘振等不良后果；谐波按电流相序分为+序（3k+1次，k为0和正整数）、-序（3k+2次，k为0和正整数）、0序（3k次，k为正整数）。 +序电流使损耗加重，-序电流使电机反转、发热，0序电流使中线电流异常增大。 从实测值可见，6脉整流器5次谐波最大，可加装5次滤波器来抑制谐波；12脉整流器11次谐波最大，可加装11次滤波器来抑制谐波。滤波器原理图如下： 图：常用的LC滤波器原理图 某型号大功率UPS加装滤波器后谐波对比表如下： 谐波次数 3th 5th 7th 11th 13th 17th 19th Total IEC6000-3-4指标要求 21.6% 10.7% 7.2% 3.1% 2% 1.2% 1.1% 25% 6脉冲谐波含量 32% 3% 8% 3% 4% 2% 30% 6脉整流器+5次滤波器 2% 1% 7% 2% 3% 2% 9% 12脉冲谐波含量 1% 1% 9% 4% 1% 1% 10% 12脉整流器+11次滤波器 1% 1% 3% 2% 1% 1% 4.5% 从上表能够准确的看出，加装滤波器对谐波抑制作用很明显。 需要非常指出的是：6脉冲+5次谐波滤波器的配置能够达到9％左右的谐波要求，但是由于5次谐波（250Hz）滤波器的电容容值较大，在UPS负载较轻（75%负载 6脉冲 86% 65% 50% 30% 6脉冲+5次滤波器 50% 30% 15~20% 10~12% 12脉冲 20% 15% 12% 9.5% 12脉冲+11次滤波器 12~15% 8 ~12% 5~8% 4.5% 附表2：某型号400KVA 12脉冲+11次滤波器 UPS输入电流总谐波含量表 负载百分比 电池谐波分量THDI% 总谐波电流绝对值 100% 4.5% 33A 75% 5% 28A 50% 8% 29A 40% 10% 29A 30% 12% 27A 影响电网的是谐波电流的绝对值，而不是谐波电流的百分比。由上表能够准确的看出，在满载情况下，谐波电流绝对值最大；在半载及轻载情况下，谐波电流绝对值均不超过100%满载谐波电流绝对值。12脉冲+11次谐波滤波器具有最小的效输入电流总谐波，同时还可避免有源滤波器“误补偿”、系统效率低等缺点，因12脉冲+11次谐波滤波器此对电网的污染最低，适用于可靠性要求比较高的场合使用。 四、性能对比： 项目 6脉整流器+5次滤波器 12脉整流器+11次滤波器 12脉整流器+11次滤波器的技术优势 1、辐射到电网的输入电流谐波含量 く10% く4.5% 由于整流滤波型负载引入市电电网会造成电网被“污染”，由此而造成大量的高次谐波电流流过整个供电系统。为此，将会造成流过中线的电流过流及电动机负载异常发热。为解决以上问题：建议配置12脉冲整流器加11次谐波滤波器，从而确保用户电网的供电质量达到“绿色电源”标准。 2．能耗 较大 较小 辐射到电网的输入电流谐波含量小 高次谐波会在输入电力变压器、电缆上产生附加热损，造成能源浪费。 3．发电机宕机 易 不会 避免了励磁绕组的正反馈效应 4．引起开关误动作 易 不易 5．UPS前端需发电机容量 大，要求按1.6~2倍配置发电机的容量 更小，按1.5~1.8倍配置发电机的容量 6脉冲整流器UPS需1.8倍以上油机容量 12脉冲整流器只需1.5倍油机容量 6．UPS输入开关、电缆容量配置 增加 不增加 由于6脉冲整流输入峰值电流比较大，变压器，断路器，电缆等均需降额使用，因此导致投资费用增加。 7.整流器输出纹波电压 较大 降低50% 12脉冲整流器输出的直流电压的纹波是6脉冲的50%，大幅度的降低了电池充电时的纹波影响，可有效延长电池的寿命。 从上表能看到，12脉冲整流器在多项性能指标上均优于6脉冲整流器。12脉冲整流技术自70年代诞生自今，经过一直在改进和完善，现已慢慢的变成为大功率UPS整流器的优选技术。全球主流的大功率UPS厂商均推出了12脉冲UPS产品。 终上所述，在投资额充许的情况下，尽量选用12脉整流器加11次滤波器的UPS配置。此种配置满足信息产业部UPS行业标准输入电流谐波成份I类要求（YD/T1095-2000）和国际电工委员会IEC61000-3-4的指标要求。