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6脉冲、12脉冲可控硅整流器原理与区别
作者:洛阳万乐电力设备厂    发布日期:2018-03-01 14:17:35    已有1588 人浏览

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

16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?1k为正整数)次谐波,即571113...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。


1.1 计算机仿真的6脉冲A相的输入电压、电流波形

212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III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26脉冲并联组成)

1的网侧电流傅立叶级数展开为:

(1-2)

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571719...次谐波相互抵消,注入电网的只有12k?1k为正整数)次谐波,即11132325等各次谐波,且其有效值与谐波次数成反比,而与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。

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:

某型号大功率UPS谐波实测数据表:

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。65次谐波实测值较计算值偏大,1211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,k0和正整数)、-序(3k+2次,k0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:

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

附表2:某型号400KVA 12脉冲+11次滤波器 UPS输入电流总谐波含量表

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:

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。

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来源:洛阳万乐电力设备厂(原创文章,请勿转载)