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      2. 6脈沖、12脈沖可控硅整流器原理與區別

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      點擊次數:2480 更新時間:2016年10月04日21:08:44 打印此頁 關閉

      1.       6脈沖、12脈沖可控硅整流器原理與區別

      摘要:本文從理論推導、實測數據分析、諧波分析和改善對策、性能對比四個方面詳細闡述6脈沖和12脈沖整流器的原理和區別。對大功率UPS的整流技術有一個深入全面的剖析。

      一、理論推導

      1、6脈沖整流器原理:

          6脈沖指以6個可控硅(晶閘管)組成的全橋整流,由于有6個開關脈沖對6個可控硅分別控制,所以叫6脈沖整流。


          當忽略三相橋式可控硅整流電路換相過程和電流脈動,假定交流側電抗為零,直流電感為無窮大,延遲觸發角a為零,則交流側電流傅里葉級數展開為:


      (1-1)



      由公式(1-1)可得以下結論:

          電流中含6K?1(k為正整數)次諧波,即5、7、11、13...等各次諧波,各次諧波的有效值與諧波次數成反比,且與基波有效值的比值為諧波次數的倒數。


      圖1.1 計算機仿真的6脈沖A相的輸入電壓、電流波形

      2、12脈沖整流器原理:

          12脈沖是指在原有6脈沖整流的基礎上,在輸入端、增加移相變壓器后在增加一組6脈沖整流器,使直流母線電流由12個可控硅整流完成,因此又稱為12脈沖整流。

          下圖所示I和II兩個三相整流電路就是通過變壓器的不同聯結構成12相整流電路。


      12脈沖整流器示意圖(由2個6脈沖并聯組成)

      橋1的網側電流傅立葉級數展開為:


      (1-2)

      橋II網側線電壓比橋I超前30?,因網側線電流比橋I超前30?


      (1-3)

      故合成的網側線電流


      (1-4)

          可見,兩個整流橋產生的5、7、17、19、...次諧波相互抵消,注入電網的只有12k?1(k為正整數)次諧波,即11、13、23、25等各次諧波,且其有效值與與諧波次數成反比,而與基波有效值的比值為諧波次數的倒數。


      圖1.2 計算機仿真的12脈沖UPS A相的輸入電壓、電流波形

      二、實測數據分析。

          以上計算為理想狀態,忽略了很多因數,如換相過程、直流側電流脈動、觸發延遲角,交流側電抗等。因此實測值與計算值有一定出入。

      理論計算諧波表:

      某型號大功率UPS諧波實測數據表:

          從以上兩表對比可得,6脈整流器諧波含量最大為5次諧波、12脈整流器強度最大為11次諧波,與理論計算結果一致。6脈5次諧波實測值較計算值偏大,12脈11次諧波實測值與計算值相同。

      三、諧波分析和改良對策

          諧波可能造成配電線纜、變壓器發熱,降低通話質量,空氣開關誤動作,發電機喘振等不良后果;諧波按電流相序分為+序(3k+1次,k為0和正整數)、-序(3k+2次,k為0和正整數)、0序(3k次,k為正整數)。

      +序電流使損耗加重,-序電流使電機反轉、發熱,0序電流使中線電流異常增大。

          從實測值可見,6脈整流器5次諧波最大,可加裝5次濾波器來抑制諧波;12脈整流器11次諧波最大,可加裝11次濾波器來抑制諧波。濾波器原理圖如下:

      圖:常用的LC濾波器原理圖

          某型號大功率UPS加裝濾波器后諧波對比表如下:

      從上表可以看出,加裝濾波器對諧波抑制作用非常明顯。

          需要特別指出的是:6脈沖+5次諧波濾波器的配置可以達到9%左右的諧波要求,但是由于5次諧波(250Hz)濾波器的電容容值較大,在UPS負載較輕(<15%額定負載)時,整流器輸入電流會超前輸入電壓,如果發電機的勵磁繞組采用自勵方式,很容易產生電樞正反饋效應,發電機輸出電壓會異常升高,導致發電機進入保護狀態而停機。因此6脈沖+5次諧波濾波器方案不建議在UPS負載較輕時使用。當實際負載較輕時,可將5次諧波濾波器從整流器上脫出。

          而單獨的12脈整流器也可達到10%左右的電流諧波指標,但是沒有大電容的LC電路,避免了與發電機的勵磁正反饋效應。

          采用12脈沖整流器+11次諧波器可達到小于4.5%的電流諧波指標。單次諧波和總諧波含量均滿足IEC61000-3-4的指標要求。

      附表1:在配置不同負載條件下,輸入電流諧波總含量數據

      附表2:某型號400KVA 12脈沖+11次濾波器 UPS輸入電流總諧波含量表

          影響電網的是諧波電流的絕對值,而不是諧波電流的百分比。由上表可以看出,在滿載情況下,諧波電流絕對值最大;在半載及輕載情況下,諧波電流絕對值均不超過100%滿載諧波電流絕對值。12脈沖+11次諧波濾波器具有最小的效輸入電流總諧波,同時還可避免有源濾波器“誤補償”、系統效率低等缺點,因12脈沖+11次諧波濾波器此對電網的污染最低,適用于可靠性要求較高的場合使用。

      四、性能對比:

          從上表可以看到,12脈沖整流器在多項性能指標上均優于6脈沖整流器。12脈沖整流技術自70年代誕生自今,經過不斷改進和完善,現已逐漸成為大功率UPS整流器的優選技術。全球主流的大功率UPS廠商均推出了12脈沖UPS產品。

          終上所述,在投資額充許的情況下,盡量選用12脈整流器加11次濾波器的UPS配置。此種配置滿足信息產業部UPS行業標準輸入電流諧波成份I類要求(YD/T1095-2000)和國際電工委員會IEC61000-3-4的指標要求。

      上一條:UPS電池的工作原理和優缺點 下一條:電源技術標準
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