摘要：本文從理論推導(dǎo)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析、諧波分析和改善對(duì)策、性能對(duì)比四個(gè)方面詳細(xì)闡述6脈沖和12脈沖整流器的原理和區(qū)別。對(duì)大功率UPS的整流技術(shù)有一個(gè)深入全面的剖析。
一、理論推導(dǎo)

1、6脈沖整流器原理：

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(kāi)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(guò)程和電流脈動(dòng)，假定交流側(cè)電抗為零，直流電感為無(wú)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(kāi)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

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(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(chēng)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(guò)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(kāi)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(jiàn)，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(guò)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：

某型號(hào)大功率UPS諧波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表：

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(huà)質(zhì)量，空氣開(kāi)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(jiàn)，6脈整流器5次諧波最大，可加裝5次濾波器來(lái)抑制諧波；12脈整流器11次諧波最大，可加裝11次濾波器來(lái)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：

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(méi)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(mǎn)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)

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

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(mǎn)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(guò)100%滿(mǎn)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：

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(guò)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(mǎn)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(lèi)要求（YD/T1095-2000）和國(guó)際電工委員會(huì)IEC61000-3-4的指標(biāo)要求。