工频大功率UPS 6脉冲与12脉冲可控硅整流器原理与区别.doc

大功率UPS 6脉冲与12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
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。

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°
(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

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
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：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+11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%
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

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。