大功率UPS6脉与12脉可控硅整流器原理与区别.docx

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（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 脉冲整流罕罕罕 I6脉冲整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:3 iii i i 1i = 2x xI x（sinmt- sin5wt- sin7© + sinikot + sini3ot- sinITot- sini9tot+...） a 兀 〃 5 7 ii i3 i7 i9（i-i）由公式（i-i）可得以下结论：电流中含6K±i （k为正整数）次谐波，即5、7、ii、i3…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- < 0.0 - ^200.0--400.0-600.0-12 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：>3 111111i = 2x xI x(sinrot- sin5wt- sin7© + sinlkot + sinllot- sin17ot- sin1购+...)ia 兀 〃 5 7 11 13 17 19(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30i = 2xIIA3 111 1 1 1x I x (sinot + sin5wt + sin7ot + sin1iot + sin13ot + sin17at + sin19ot+...)兀 d 5 7 11 13 17 19(1-3)故合成的网侧线电流1 1=4x x I x (sinot + sin11ot + sin13®t...)兀 d 11 13=i + iIA IIA(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。

RMS: 220.58400.0 n200.0> 0.0-200.0-400.0 J600.01400.0 -?00.0< 0.0^200.0--400.0 JRMS: 186.64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5th7th11th13th17th19th23th6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+l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；l2 脉整流器 ll 次谐波最大，可加装 ll 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，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%33A75%5%28A50%8%29A40%10%29A30%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< 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。