大功率UPS 6脈沖與12脈沖可控硅整流器原理與區(qū)別
一、理論推導(dǎo)
6脈沖指以6個(gè)可控硅(晶閘管)組成的全橋整流,由于有6個(gè)開關(guān)脈沖對(duì)6個(gè)可控硅分別控制,所以叫6脈沖整流。
當(dāng)忽略三相橋式可控硅整流電路換相過程和電流脈動(dòng),假定交流側(cè)電抗為零,直流電感為無窮大,延遲觸發(fā)角a為零,則交流側(cè)電流傅里葉級(jí)數(shù)展開為:
(1-1)
由公式(1-1)可得以下結(jié)論:
電流中含6K±1(k為正整數(shù))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(shù)成反比,且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。
圖1.1 計(jì)算機(jī)仿真的6脈沖A相的輸入電壓、電流波形
12脈沖是指在原有6脈沖整流的基礎(chǔ)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(gè)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(gè)三相整流電路就是通過變壓器的不同聯(lián)結(jié)構(gòu)成12相整流電路。
12脈沖整流器示意圖(由2個(gè)6脈沖并聯(lián)組成)
橋1的網(wǎng)側(cè)電流傅立葉級(jí)數(shù)展開為:
(1-2)
橋II網(wǎng)側(cè)線電壓比橋I超前30°,因網(wǎng)側(cè)線電流比橋I超前30°
(1-3)
故合成的網(wǎng)側(cè)線電流
(1-4)
可見,兩個(gè)整流橋產(chǎn)生的5、7、17、19、…次諧波相互抵消,注入電網(wǎng)的只有12k±1(k為正整數(shù))次諧波,即11、13、23、25等各次諧波,且其有效值與與諧波次數(shù)成反比,而與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。
圖1.2 計(jì)算機(jī)仿真的12脈沖UPS A相的輸入電壓、電流波形
二、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析。
以上計(jì)算為理想狀態(tài),忽略了很多因數(shù),如換相過程、直流側(cè)電流脈動(dòng)、觸發(fā)延遲角,交流側(cè)電抗等。因此實(shí)測(cè)值與計(jì)算值有一定出入。
理論計(jì)算諧波表:
諧波次數(shù) | 5th | 7th | 11th | 13th | 17th | 19th | 23th |
6脈沖諧波含量 | 20% | 14% | 9% | 8% | 6% | 5% | 4% |
12脈沖諧波含量 | 0% | 0% | 9% | 8% | 0% | 0% | 4% |
某型號(hào)大功率UPS諧波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表:
諧波次數(shù) | 5th | 7th | 11th | 13th | 17th | 19th | 23th |
6脈沖諧波含量 | 32% | 3% | 8% | 3% | 4% | 2% | 2% |
12脈沖諧波含量 | 1% | 1% | 9% | 4% | 1% | 1% | 2% |
從以上兩表對(duì)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(qiáng)度最大為11次諧波,與理論計(jì)算結(jié)果一致。6脈5次諧波實(shí)測(cè)值較計(jì)算值偏大,12脈11次諧波實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相同。
三、諧波分析和改良對(duì)策
諧波可能造成配電線纜、變壓器發(fā)熱,降低通話質(zhì)量,空氣開關(guān)誤動(dòng)作,發(fā)電機(jī)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(shù))、-序(3k+2次,k為0和正整數(shù))、0序(3k次,k為正整數(shù))。
+序電流使損耗加重,-序電流使電機(jī)反轉(zhuǎn)、發(fā)熱,0序電流使中線電流異常增大。
從實(shí)測(cè)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(hào)大功率UPS加裝濾波器后諧波對(duì)比表如下:
諧波次數(shù) | 3th | 5th | 7th | 11th | 13th | 17th | 19th | Total |
IEC6000-3-4指標(biāo)要求 | 21.6% | 10.7% | 7.2% | 3.1% | 2% | 1.2% | 1.1% | 25% |
6脈沖諧波含量 | 32% | 3% | 8% | 3% | 4% | 2% | >30% | |
6脈整流器+5次濾波器 | 2% | 1% | 7% | 2% | 3% | 2% | 9% | |
12脈沖諧波含量 | 1% | 1% | 9% | 4% | 1% | 1% | 10% | |
12脈整流器+11次濾波器 | 1% | 1% | 3% | 2% | 1% | 1% | 4.5% |
從上表可以看出,加裝濾波器對(duì)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(dá)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(fù)載較輕(15%額定負(fù)載)時(shí),整流器輸入電流會(huì)超前輸入電壓,如果發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組采用自勵(lì)方式,很容易產(chǎn)生電樞正反饋效應(yīng),發(fā)電機(jī)輸出電壓會(huì)異常升高,導(dǎo)致發(fā)電機(jī)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)而停機(jī)。因此6脈沖+5次諧波濾波器方案不建議在UPS負(fù)載較輕時(shí)使用。當(dāng)實(shí)際負(fù)載較輕時(shí),可將5次諧波濾波器從整流器上脫出。
而單獨(dú)的12脈整流器也可達(dá)到10%左右的電流諧波指標(biāo),但是沒有大電容的LC電路,避免了與發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁正反饋效應(yīng)。
采用12脈沖整流器+11次諧波器可達(dá)到小于4.5%的電流諧波指標(biāo)。單次諧波和總諧波含量均滿足IEC61000-3-4的指標(biāo)要求。
附表1:在配置不同負(fù)載條件下,輸入電流諧波總含量數(shù)據(jù)
輸入諧波總含量 | 空載 | 25%負(fù)載 | 50%負(fù)載 | >75%負(fù)載 |
6脈沖 | 86% | 65% | 50% | >30% |
6脈沖+5次濾波器 | >50% | 30% | 15~20% | 10~12% |
12脈沖 | 20% | 15% | 12% | 9.5% |
12脈沖+11次濾波器 | 12~15% | 8 ~12% | 5~8% | 4.5% |
附表2:某型號(hào)400KVA 12脈沖+11次濾波器 UPS輸入電流總諧波含量表
負(fù)載百分比 | 電池諧波分量THDI% | 總諧波電流絕對(duì)值 |
100% | 4.5% | 33A |
75% | 5% | 28A |
50% | 8% | 29A |
40% | 10% | 29A |
30% | 12% | 27A |
影響電網(wǎng)的是諧波電流的絕對(duì)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(duì)值最大;在半載及輕載情況下,諧波電流絕對(duì)值均不超過100%滿載諧波電流絕對(duì)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(shí)還可避免有源濾波器“誤補(bǔ)償”、系統(tǒng)效率低等缺點(diǎn),因12脈沖+11次諧波濾波器此對(duì)電網(wǎng)的污染最低,適用于可靠性要求較高的場(chǎng)合使用。
四、性能對(duì)比:
項(xiàng)目 | 6脈整流器+5次濾波器 | 12脈整流器+11次濾波器 | 12脈整流器+11次濾波器的技術(shù)優(yōu)勢(shì) |
1、輻射到電網(wǎng)的輸入電流諧波含量 | く10% | く4.5% | 由于整流濾波型負(fù)載引入市電電網(wǎng)會(huì)造成電網(wǎng)被“污染”,由此而造成大量的高次諧波電流流過整個(gè)供電系統(tǒng)。為此,將會(huì)造成流過中線的電流過流及電動(dòng)機(jī)負(fù)載異常發(fā)熱。為解決上述問題:建議配置12脈沖整流器加11次諧波濾波器,從而確保用戶電網(wǎng)的供電質(zhì)量達(dá)到“綠色電源”標(biāo)準(zhǔn)。 |
2.能耗 | 較大 | 較小 | 輻射到電網(wǎng)的輸入電流諧波含量小 高次諧波會(huì)在輸入電力變壓器、電纜上產(chǎn)生附加熱損,造成能源浪費(fèi)。 |
3.發(fā)電機(jī)宕機(jī) | 易 | 不會(huì) | 避免了勵(lì)磁繞組的正反饋效應(yīng) |
4.引起開關(guān)誤動(dòng)作 | 易 | 不易 | |
5.UPS前端需發(fā)電機(jī)容量 | 大,要求按1.6~2倍配置發(fā)電機(jī)的容量 | 更小,按1.5~1.8倍配置發(fā)電機(jī)的容量 | 6脈沖整流器UPS需1.8倍以上油機(jī)容量 12脈沖整流器只需1.5倍油機(jī)容量 |
6.UPS輸入開關(guān)、電纜容量配置 | 增加 | 不增加 | 由于6脈沖整流輸入峰值電流較大,變壓器,斷路器,電纜等均需降額使用,從而導(dǎo)致投資費(fèi)用增加。 |
7.整流器輸出紋波電壓 | 較大 | 降低50% | 12脈沖整流器輸出的直流電壓的紋波是6脈沖的50%,大大降低了電池充電時(shí)的紋波影響,可有效延長(zhǎng)電池的壽命。 |
從上表可以看到,12脈沖整流器在多項(xiàng)性能指標(biāo)上均優(yōu)于6脈沖整流器。12脈沖整流技術(shù)自70年代誕生自今,經(jīng)過不斷改進(jìn)和完善,現(xiàn)已逐漸成為大功率UPS整流器的優(yōu)選技術(shù)。全球主流的大功率UPS廠商均推出了12脈沖UPS產(chǎn)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(chǎn)業(yè)部UPS行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)輸入電流諧波成份I類要求(YD/T1095-2000)和國(guó)際電工委員會(huì)IEC61000-3-4的指標(biāo)要求。
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