大功率UPS6脉与12脉可控硅整流器原理与区别.docx

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1、大功率UPS 6脉冲与12脉冲可控硅整流器原理与区别艾默生网络能源有限公司ups产品部 温顺理摘要：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（品闸管）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。负莪6脉冲饕流器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：一己 _.1 .一 1 .一 11 .一 1 .一 1

2、.i = 2xI x（smrnt- srn5wt- srn7wt + srn11Mt + srn13wt- sin1血- sm1知+.） a 兀 d 5711131719（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。2、600.0400.0 - 200.0- 流脚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：.3 . , .1 . _1 .一 1 .1 .1 .一_1 .、i = 2x一x I x (sinrot - sm知- s

3、rn7wt + sin1W + sm13t - sin1血- sin1知+.) ia 兀 d 5711131719(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。i = 2xIIA3/ .1. L 1. r 1.111. _、x I x (smMT + sin5口 + srn7wt + sm1M + sm13at + sm1血 +sm1知+.)兀d5711131719(1-3)故合成的网侧线电流3 , / .11、=i + i = 4x二 x I x (sinst +sm11t +srn13ot.)(1-4)ia iia 兀 d1113可见，两个整流桥产生的5、7、17

4、、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计算机仿真的12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5th7th11th13th17th19th23th6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5th7th11th

5、13th17th19th23th6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

6、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3th5th7th11th13th17th19thTotalIEC6000-3-4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%从上表可以看出，

7、加装滤波器对谐波抑制作用非常明显。需要特别指出的是：6脉冲+5次谐波滤波器的配置可以达到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 （15%额定负载）时，整流器输入电流会超前输入电压，如果发电机的励磁绕 组采用自励方式，很容易产生电枢正反馈效应，发电机输出电压会异常升高，导致发电机进入保护状态而停机。因此6脉冲+5次谐波滤波器方案不建议在UPS 负载较轻时使用。当实际负载较轻时，可将5次谐波滤波器从整流器上脱出。而单独的12脉整流器也可达到10%左右的电流谐波指标，但是没有大电 容的LC电路，避免了与发电机的励磁正反馈效应。采用12脉冲整流器+1

8、1次谐波器可达到小于4.5%的电流谐波指标。单次 谐波和总谐波含量均满足IEC61000-3-4的指标要求。附表1：在配置不同负载条件下，输入电流谐波总含量数据输入谐波总含量空载25%负载50%负载75% 负载6脉冲86%65%50%30%6脉冲+5次滤波器50%30%1520%1012%12脉冲20%15%12%9.5%12脉冲+11次滤波器1215%8 12%58%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%33A75%5%28A50%8%29A40%10%29A30%12%

9、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 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 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

10、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 1.62倍配 置发电机的 容量更小，按1.51.8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

11、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，现已逐渐成为大功率 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。