12脈沖與IGBT高頻整流器

　　一、概述12脈沖整流器的由來

　　對(duì)于直流來說不存在什么功率因數(shù)問題，因?yàn)橹绷鞯碾娏骱碗妷河肋h(yuǎn)是同相的。而對(duì)于交流而言就出現(xiàn)了這個(gè)問題，功率因數(shù)是由于電壓電流不同相造成的，如圖1所示，電流和電壓有一個(gè)相位差q，圖中的黑粗線表示電流和電壓同相位時(shí)產(chǎn)生的有功功率，而其他部分則是無功功率，功率因數(shù)就是表征有功功率和無功功率含量情況的，它是相位差的函數(shù)，如式(1)所示。

　　Pf =cos? (1)

　　無功功率的出現(xiàn)不是一件好事，因?yàn)樽鳛樨?fù)載來說，它不能將由電網(wǎng)送來的能量全部吸收，只吸收有功功率部分，而無功功率部分則在電網(wǎng)線路中串來串去，白白占據(jù)著電網(wǎng)的有效線路而不做功。以后由于非線性負(fù)載的出現(xiàn)，如整流脈沖負(fù)載，雖然電流不是和電壓不同相的的正弦波，但由于對(duì)正弦電壓波形的破壞也同樣出現(xiàn)了無功功率，而且這種整流式脈沖負(fù)載已是當(dāng)前影響功率因數(shù)的主要來源。為了節(jié)能、有效利用能源和降低干擾，國(guó)家對(duì)企業(yè)的輸入功率因數(shù)限值做出了規(guī)定，如何提高用電設(shè)備的輸入功率因數(shù)已成當(dāng)務(wù)之急。

圖1 電流電壓不同相時(shí)的相對(duì)位置關(guān)系

　　二、12脈沖整流器的提出和解決方法

　　早期的IT設(shè)備供電電源多為單相220V，如果用電設(shè)備是電阻負(fù)載，其上面的電流和電壓波形是連續(xù)的，如圖2中的左邊波形。但一般IT設(shè)備又有內(nèi)部自備電源，這些電源的輸入都是一個(gè)整流濾波器，使得電流呈脈沖狀，使得對(duì)應(yīng)脈沖電流的電壓波形部分出現(xiàn)了失真，如圖2的中間波形就是單相整流時(shí)的破壞情況，這時(shí)的輸入功率因數(shù)只有0.6-0.7。但如果能夠?qū)⒅虚g圖形中的一個(gè)大電流脈沖變成布滿整個(gè)半周的小電流脈沖，也就相當(dāng)于與電壓同相的連續(xù)電流了，此時(shí)的電壓波形就幾乎沒有失真了，如圖中的右圖所示，此時(shí)的輸入功率因數(shù)九可以接近于1。

圖2 幾種負(fù)載情況對(duì)電壓正弦波形的影響情況

　　一般單相小功率UPS即使對(duì)電網(wǎng)有破壞，也不會(huì)造成大的損失，原因是功率不大。最嚴(yán)重的是三項(xiàng)大功率UPS，比如100-400kVA，目前一般標(biāo)配都是所謂6脈沖結(jié)構(gòu)輸入整流器，如圖3(a)所示。圖(b)是這種電路破壞輸入電壓波形的一種情況。盡管如此，但它比單相時(shí)好多了輸入功率因數(shù)可達(dá)0.8，原因是它將單相時(shí)的每半周一個(gè)脈沖增到3個(gè)，如圖

　　3(e)的“6脈沖整流電流輸入波形”所示。但此時(shí)如果前面配置發(fā)電機(jī)還是需要3比1的容量，即發(fā)電機(jī)的容量至少要3倍于UPS。而且諧波電流也達(dá)到30%，對(duì)外干擾嚴(yán)重，所以很多用戶提出了輸入功率因數(shù)大于0.9的要求。為了這個(gè)目的不得不再增加半周內(nèi)整流脈沖的數(shù)量，最簡(jiǎn)單的方法是將6脈沖增加到12脈沖，這就需要再增加和原UP