大功率UPS 6脈沖與12脈沖可控硅整流器原理與區別
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一、理論推導
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
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
二、實測數據分析。
以上計算為理想狀態，忽略了很多因數，如換相過程、直流側電流脈動、觸發延遲角，交流側電抗等。因此實測值與計算值有一定出入。
理論計算諧波表：
諧波次數 | 5th | 7th | 11th | 13th | 17th | 19th | 23th |
6脈沖諧波含量 | 20% | 14% | 9% | 8% | 6% | 5% | 4% |
12脈沖諧波含量 | 0% | 0% | 9% | 8% | 0% | 0% | 4% |
諧波次數 | 5th | 7th | 11th | 13th | 17th | 19th | 23th |
6脈沖諧波含量 | 32% | 3% | 8% | 3% | 4% | 2% | 2% |
12脈沖諧波含量 | 1% | 1% | 9% | 4% | 1% | 1% | 2% |
從以上兩表對比可得，6脈整流器諧波含量最大為5次諧波、12脈整流器強度最大為11次諧波，與理論計算結果一致。6脈5次諧波實測值較計算值偏大，12脈11次諧波實測值與計算值相同。
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：
諧波次數 | 3th | 5th | 7th | 11th | 13th | 17th | 19th | Total |
IEC6000-3-4指標要求 | 21.6% | 10.7% | 7.2% | 3.1% | 2% | 1.2% | 1.1% | 25% |
6脈沖諧波含量 | 32% | 3% | 8% | 3% | 4% | 2% | >30% | |
6脈整流器+5次濾波器 | 2% | 1% | 7% | 2% | 3% | 2% | 9% | |
12脈沖諧波含量 | 1% | 1% | 9% | 4% | 1% | 1% | 10% | |
12脈整流器+11次濾波器 | 1% | 1% | 3% | 2% | 1% | 1% | 4.5% |
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
輸入諧波總含量 | 空載 | 25%負載 | 50%負載 | >75%負載 |
6脈沖 | 86% | 65% | 50% | >30% |
6脈沖+5次濾波器 | >50% | 30% | 15~20% | 10~12% |
12脈沖 | 20% | 15% | 12% | 9.5% |
12脈沖+11次濾波器 | 12~15% | 8 ~12% | 5~8% | 4.5% |
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
負載百分比 | 電池諧波分量THDI% | 總諧波電流絕對值 |
100% | 4.5% | 33A |
75% | 5% | 28A |
50% | 8% | 29A |
40% | 10% | 29A |
30% | 12% | 27A |
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：
項目 | 6脈整流器+5次濾波器 | 12脈整流器+11次濾波器 | 12脈整流器+11次濾波器的技術優勢 |
1、輻射到電網的輸入電流諧波含量 | く10% | く4.5% | 由于整流濾波型負載引入市電電網會造成電網被“污染”，由此而造成大量的高次諧波電流流過整個供電系統。為此，將會造成流過中線的電流過流及電動機負載異常發熱。為解決上述問題：建議配置12脈沖整流器加11次諧波濾波器，從而確保用戶電網的供電質量達到“綠色電源”標準。 |
2．能耗 | 較大 | 較小 | 輻射到電網的輸入電流諧波含量小 高次諧波會在輸入電力變壓器、電纜上產生附加熱損，造成能源浪費。 |
3．發電機宕機 | 易 | 不會 | 避免了勵磁繞組的正反饋效應 |
4．引起開關誤動作 | 易 | 不易 | |
5．UPS前端需發電機容量 | 大，要求按1.6~2倍配置發電機的容量 | 更小，按1.5~1.8倍配置發電機的容量 | 6脈沖整流器UPS需1.8倍以上油機容量 12脈沖整流器只需1.5倍油機容量 |
6．UPS輸入開關、電纜容量配置 | 增加 | 不增加 | 由于6脈沖整流輸入峰值電流較大，變壓器，斷路器，電纜等均需降額使用，從而導致投資費用增加。 |
7.整流器輸出紋波電壓 | 較大 | 降低50% | 12脈沖整流器輸出的直流電壓的紋波是6脈沖的50%，大大降低了電池充電時的紋波影響，可有效延長電池的壽命。 |
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。
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