6脉冲与12脉冲浅析

电子信息系统机房典型用电设备的谐波特性

1.PC机、网关、服务器、交换机等IT设备：输入电流谐波分量<65~77%r ；

2.带PFC校正功能的PC机、高中档服务器、磁盘等IT设备：输入电流谐波

分量<18~27%r ；

3.IGBT脉宽调制整流型UPS：输入电流谐波分量<3%r（满载）；

4.6脉冲整流器：输入电流谐波分量<30%r （满载）；

5.12脉冲整流器：输入电流谐波分量<9%r （满载）；

6.6脉冲整流器+5次谐波滤波器：输入电流谐波分量<9%r （满载）；

7.12脉冲整流器+11次谐波滤波器：输入电流谐波分量<4.5%r （满载）；

8.6脉冲整流器+有源滤波器：输入电流谐波分量<3~5%r （满载）；

9.节能灯：输入电流谐波分量<10~34%r.。

6脉冲与12脉冲UPS的浅析

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。

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6K1（k为正整数）次谐波，即5、7、11、13…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。

图1.1 计算机仿真的6脉冲A相的输入电压、电流波形

2、12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：

(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30

(1-3)

故合成的网侧线电流

(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12k1（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。

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5th 7th 11th 13th 17th 19th 23th

6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5th 7th 11th 13th 17th 19th 23th

6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+1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；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：

谐波次数3th 5th 7th 11th 13th 17th 19th Total

IEC6000-3-4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400KV A 12脉冲+11次滤波器UPS输入电流总谐波含量表

负载百分比电池谐波分量THDI% 总谐波电流绝对值

100% 4.5% 33A

75% 5% 28A

50% 8% 29A

40% 10% 29A

30% 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，