工频大功率UPS 6脉冲与12脉冲可控硅整流器原理与区别

大功率大功率 UPS 6 脉冲与脉冲与 12 脉冲可控硅整流器原理与区别脉冲可控硅整流器原理与区别 电源网 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 6K 1 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 19sin 19 1 17sin 17 1 13sin 13 1 11sin 11 1 7sin 7 1 5sin 5 1 sin 3 2 tttttttIi dA 图 1 1 计算机仿真的 6 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 使直流母线电流由 12 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 网侧线电压比桥 I 超前 30 因网侧线电流比桥 I 超前 30 19sin 19 1 17sin 17 1 13sin 13 1 11sin 11 1 7sin 7 1 5sin 5 1 sin 3 2 tttttttIi dIA 1 3 故合成的网侧线电流 1 4 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 12k 1 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 计算机仿真的 12 脉冲 UPS A 相的输入电压 电流波形 19sin 19 1 17sin 17 1 13sin 13 1 11sin 11 1 7sin 7 1 5sin 5 1 sin 3 2 tttttttIi dIIA 13sin 13 1 11sin 11 1 sin 3 4tttIiii dIIAIAA 二 实测数据分析 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 谐波次数谐波次数5th7th11th13th17th19th23th 6 脉冲谐波含量脉冲谐波含量20 14 9 8 6 5 4 12 脉冲谐波含量脉冲谐波含量0 0 9 8 0 0 4 某型号大功率 UPS 谐波实测数据表 谐波次数谐波次数5th7th11th13th17th19th23th 6 脉冲谐波含量脉冲谐波含量32 3 8 3 4 2 2 12 脉冲谐波含量脉冲谐波含量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三 谐波分析和改良对策 谐波可能造成配电线缆 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3th5th7th11th13th17th19thTotal IEC6000 3 4 指标要求指标要求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 从上表可以看出 加装滤波器对谐波抑制作用非常明显 需要特别指出的是 需要特别指出的是 6 脉冲脉冲 5 次谐波滤波器的配置可以达到次谐波滤波器的配置可以达到 9 左右的谐波 左右的谐波 要求 但是由于要求 但是由于 5 次谐波 次谐波 250Hz 滤波器的电容容值较大 在 滤波器的电容容值较大 在 UPS 负载较轻负载较轻 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 输入电流谐波在不同负载 下的绝对值 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 由上表可以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 由上表可以 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 绝对值均不超过绝对值均不超过 100 满载谐波电流绝对值 满载谐波电流绝对值 12 脉冲脉冲 11 次谐波滤波器具有最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小的效输入电流总谐波 同时还可避免有源滤波器 误补偿误补偿 系统效率低等缺 系统效率低等缺 点 因点 因 12 脉冲脉冲 11 次谐波滤波器此对电网的污染最低 适用于可靠性要求较高次谐波滤波器此对电网的污染最低 适用于可靠性要求较高 的场合使用 的场合使用 四 性能对比 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 10 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 为解决上述 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较大 变压器 断路器 电缆等均需降额使用 从而导致投资 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 大大降低了电池充电时的纹波影响 可有效延长电池的寿命 从上表可以看到 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 经过不断改进和完善 现已