2013/7/19 15:36:00
1、引言
12脉波整流器是大功率UPS的主要组成部分。对它的要求是市电输入功率因数要高，对市电电源的谐波污染要小。1976年前就有人提出12脉波整流器在大功率UPS中的应用，它由两个Graetz整流桥组成，可以消除市电输人电流中的5 次与7次谐波，并使11次与13次谐波减小到10%以内。如果再加人11次谐波无源滤波器，还可以进一步消除11次谐波，符合当时的国际谐波标准。
1997年，随着电力电子领域中电力有源滤波器技术的发展， 有远见的UPS厂商便开始了有源滤波技术在UPS中应用的研究。并试制出来了适合于UPS应用的电力有源滤波器。随后，国际上新的谐波标准IEC61000-3-4的出现，使12脉波整流器或12脉波+11次谐波滤波器的整流器，不再能满足新标准的要求。必须要把电力有源滤波器引人到UPS整流电路中。
2、 12脉波整流器
12脉波整流器，有两种合成方式：一种是等幅二重叠加；另一种是变幅二重叠加。前者只能利用相位差消除谐波，消谐波能力弱，不能消除5次与7次谐波，故一般不用。后者可以利用相位差和幅值变化消除谐波，消谐波能力强，可以消除5次与7 次谐波，故得到普遍应用。采用Δ/YΔ输入变压器的变幅12脉波整流器的二重叠加电路如图1所示。用Biringer公式对市电输人电流ia的基波与各次谐波进行计算，Biringer公式为：
ups整流器Biringer公式
式中，为相应于n的谐波次数，为函数在点的跳跃值。由上式进行计算的结果为：
根据上式，并加以基波电流幅值为约束条件，可以求出消除5次、7次谐波电流的变压器参数。假设，则由(1)式可得：电路图
图1 12脉波变幅二重叠加整流电路
这样，在变压器初级市电输入电流ia中就可以消除5、7、17、19次谐波。方程式(1)中的谐波次数n=12k+1,k=0,1,2,3……。将；代入方程式(1)中，并通过三角函数变换有：令谐波次数则式(1)变为式中“+”号的取法上下顺序一致。通过计算，在ia中残余的谐波为11次，13次；23次，25次；37次；……其幅值与次数成反比地减小。
11次谐波幅值为：，13次谐波幅值为：，12脉波变幅二重叠加整流器的特性值如下：
直流输出电压；输入合成电流有效值；直流输出电压纹波频率为12 f( f为市电频率)；输入电流畸变率=；位移因数；输入总功率因数。
3 输入变压器的接法及影响
12脉波整流器主电路的接法有两种：一是用一个变压与两个整流器组成单机12脉波整流电路；另一种是由两个独立的变压器与两个整流器组成双机12脉波整流电路。两种接法的电路如图2 和图3所示。这两种接法对12 脉波整流器的输出电压或电流波形的对称性，以及对市电输人电流谐波的影响是不同的。
3.1 两种接法对谐波电流的影响
在理想情况下，市电输人电流是不会产生5次与7次谐波的。但是由于单机12 脉波整流电路，两组变压器次级绕组的输出电压和阻抗不容易做得一致，将导致运行时产生负载分配的严重不均，这种不均需要通过晶闸管的相控，或调节饱和电抗器的励磁来纠正，从而导致两个三相桥式整流器晶闸管导通相位差不能严格地保持30°，故将使市电输人电流仍然存在5次和7次谐波。
图2 单机12脉波整流电路 图3 双机12脉波整流电路
对于双机12 脉波整流电路，由于变压器两组次级绕组的输出电压和阻抗容易作到一致，故不会破坏12 脉波整流器的对称性。
3.2 次级绕组之间负载电流分配不均
对于单机12 脉波整流电路，其变压器只有一组初级绕组，导致两组次级绕组之间负分配不均的原因是Y和△两组绕组之间的匝数比偏离，使两个整流的空载直流电压不相等，因此使负载分配不平均。
变压器两组次级绕组之间的匝数比接近的两个整数之比的取值有4/7(偏差1.04 %)、7/l2( 偏差1.02 %)、11/19 (偏差0.27 %)三种。但由于变压器结构和制造方面的原因，取11/19是很难做到，当取4/7 时，整流器空载直流电压的偏差为1.04 %，由于高压整流器对低压整流器有反偏里作用，因此两组整流器的负载电流分配就会相差很大。
双机12 脉波整流电路，因为变压器初级匝数一般比次级匝数多，比较容易使接近，再则也可以通过选择不同的每伏匝数使接近，使负载电流达到均衡分配。所以双机12 脉波整流电路不存在负载电流分配不均的问题。
3.3 两组整流器之间的兼容问题
在12 脉波整流电路中，是由两个6 脉冲整流器并联组成的，两者之间相位差是30°，由两组独立的次级绕组供电，在运行过程中会引起市电电网各点电波形的畸变，干扰其他用户负载的正常运行，严重时也会引起整流器性能下降，或使运行中断。这就是整流器与所在市电电网的兼容问题。按照国标GBl0236-88的规定，兼容的含义有两个：一是整流器对市电电网的干扰应在市电电网的容许范围内；二是整流器接人市电电网后，整流器输人电压的波动、频率、波形等参数的扰动(包括其本身引起的扰动)应低于整流器的抗扰动极限值。
按照国标GBl0236-88的规定，B级抗扰等级的整流器允许的换相缺口极限值是：最大深度为40 %，最大宽度为30°，最大面积为最大深度与最大宽度乘积的1/ 10，即40×30×0.1=120。换相缺口过大将会引起触发失败、误触发或整流工作不稳定等。典型的6脉波整流器的整流侧电压换相缺口的波形如图4所示。
图4 典型6脉波整流器的电压换相缺口波形
信息产业部于2000年颁发了《通信用不间断电源UPS》的行业标准，对UPS输入的电气参数作出了明确的规定，如表1所示。
表1 UPS输入的电气参数
指定项目 1类产品 2类产品 3类产品 备注
输入电压
可变范围 +25% +20% +10%
-15%
输入功率因数 ≧0.95 ≧0.90 ≧0.85
输入电流
谐波成分 <5% <15% <25% 规定3~39次，平均畸变率(THDA)
4 用于大功率UPS 的12 脉波整流器
通过本文前面的分析可知，适合于UPS应用的12 脉波整流器应是如图3所示的双机变幅二重登加整流电路，因为这种电路消谐波能力强、输人功率因数高、设计制造容易、运行稳定可靠。但这种电路也存在两个缺点：一是体积重t 大、成本高；二是输人电流中的n次、13 次谐波过大。对于第一个缺点可以采用去掉图3中△/△变压器的办法解决；对于第二个缺点，可以采用加装n次谐波LC无源滤波器的办法来解决。这两种解决办法在实际的电路中都已得到应用。其电路如图5所示。