標簽：諧波 脈沖 UPS電源

一、理論推導

1、6脈沖整流器原理：

6脈沖指以6個可控硅（晶閘管）組成的全橋整流，由于有6個開關脈沖對6個可控硅分別控制，所以叫6脈沖整流。

當忽略三相橋式可控硅整流電路換相過程和電流脈動，假定交流側電抗為零，直流電感為無窮大，延遲觸發角a為零，則交流側電流傅里葉級數展開為：

(1-1)

由公式（1-1）可得以下結論：

電流中含6K±1（k為正整數）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成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數的倒數。

圖1.1 計算機仿真的6脈沖A相的輸入電壓、電流波形

2、12脈沖整流器原理：

12脈沖是指在原有6脈沖整流的基礎上，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兩個三相整流電路就是通過變壓器的不同聯結構成12相整流電路。

12脈沖整流器示意圖（由2個6脈沖并聯組成）

橋1的網側電流傅立葉級數展開為：

(1-2)

橋II網側線電壓比橋I超前30°，因網側線電流比橋I超前30°

(1-3)

故合成的網側線電流

(1-4)

可見，兩個整流橋產生的5、7、17、19、…次諧波相互抵消，注入電網的只有12k±1（k為正整數）次諧波，即11、13、23、25等各次諧波，且其有效值與與諧波次數成反比，而與基波有效值的比值為諧波次數的倒數。

圖1.2 計算機仿真的12脈沖UPS A相的輸入電壓、電流波形

三、諧波分析和改良對策

諧波可能造成配電線纜、變壓器發熱，降低通話質量，空氣開關誤動作，發電機喘振等不良后果；諧波按電流相序分為+序（3k+1次，k為0和正整數）、-序（3k+2次，k為0和正整數）、0序（3k次，k為正整數）。

+序電流使損耗加重，-序電流使電機反轉、發熱，0序電流使中線電流異常增大。

從實測值可見，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

某型號大功率UPS加裝濾波器后諧波對比表如下：

從上表可以看出，加裝濾波器對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負載較輕（15%額定負載）時，整流器輸入電流會超前輸入電壓，如果發電機的勵磁繞組采用自勵方式，很容易產生電樞正反饋效應，發電機輸出電壓會異常升高，導致發電機進入保護狀態而停機。因此6脈沖+5次諧波濾波器方案不建議在UPS負載較輕時使用。當實際負載較輕時，可將5次諧波濾波器從整流器上脫出。

而單獨的12脈整流器也可達到10％左右的電流諧波指標，但是沒有大電容的LC電路，避免了與發電機的勵磁正反饋效應。

采用12脈沖整流器+11次諧波器可達到小于4.5%的電流諧波指標。單次諧波和總諧波含量均滿足IEC61000-3-4的指標要求。

附表1：在配置不同負載條件下，輸入電流諧波總含量數據

附表2：某型號400KVA 12脈沖+11次濾波器 UPS輸入電流總諧波含量表

影響電網的是諧波電流的絕對值，而不是諧波電流的百分比。由上表可以看出，在滿載情況下，諧波電流絕對值最大；在半載及輕載情況下，諧波電流絕對值均不超過100%滿載諧波電流絕對值。12脈沖+11次諧波濾波器具有最小的效輸入電流總諧波，同時還可避免有源濾波器“誤補償”、系統效率低等缺點，因12脈沖+11次諧波濾波器此對電網的污染最低，適用于可靠性要求較高的場合使用。

四、性能對比：

從上表可以看到，12脈沖整流器在多項性能指標上均優于6脈沖整流器。12脈沖整流技術自70年代誕生自今，經過不斷改進和完善，現已逐漸成為大功率UPS整流器的優選技術。全球主流的大功率UPS廠商均推出了12脈沖UPS產品。

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業部UPS行業標準輸入電流諧波成份I類要求（YD/T1095-2000）和國際電工委員會IEC61000-3-4的指標要求。