新型大功率UPS低電流諧波整流裝置的研制

方木松，康春生，唐 鵬，陳錦添，鐘康旗

（1.東莞市光華實(shí)業(yè)有限公司，廣東 東莞 523326；2.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006）

1 引言

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，UPS在電信、金融、工業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)從單純的數(shù)據(jù)備份緩沖電源向著對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的硬件設(shè)備、運(yùn)行程序和數(shù)據(jù)的傳播途徑進(jìn)行全面保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)不間斷電源發(fā)展。而大功率UPS的使用所產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)造成極大的污染，這一點(diǎn)是我國政府關(guān)注的問題。國內(nèi)外大功率UPS產(chǎn)品和技術(shù)的發(fā)展趨勢為：逆變器高頻化、小型化、智能化、系統(tǒng)集成化、環(huán)?；τ诖蠊β蔝PS“環(huán)保化”這一發(fā)展趨勢，目前大多數(shù)UPS廠家由于技術(shù)條件與成本控制達(dá)不到要求，大都采用3相6脈沖整流、或外加5次諧波濾波器這種配置來抑制諧波。然而這種配置對大功率UPS輸入電流的諧波仍然較大。因此研發(fā)廉價(jià)、具有低諧波輸入的高性能大功率UPS整流技術(shù)及裝置顯得異常迫切。

2 總體方案設(shè)計(jì)及原理分析

UPS整流器輸出的脈動(dòng)直流電壓是周期性的非正弦函數(shù)，它可用傅氏級(jí)數(shù)的形式分解成各次正弦函數(shù)。

圖1 所示的m相整流輸出電壓可以表示為：

圖1 m相整流電路的整流電壓波形

當(dāng)電路為二相半波、單相雙半波、單相橋式電路時(shí)，取 m=2，代入公式（1）

當(dāng)電路為三相半波時(shí)，取m=3，代入公式（1）

分析上面的結(jié)果，得到一個(gè)重要結(jié)論，相數(shù)m的增加使得諧波中最低次諧波的頻率增加，同時(shí)其幅值迅速減小，如圖1所示。理論上不同相數(shù)時(shí)的電壓紋波因數(shù)值如表1所示。

表1 不同相數(shù)時(shí)的電壓紋波因數(shù)值

通過分析表中數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)m≥12時(shí)，電壓波紋因數(shù)值少于1%。所以采用12脈沖整流電路來實(shí)現(xiàn)對三相交流電的整流可達(dá)到較好的效果。

分析6脈沖整流電路圖并結(jié)合整流橋的工作原理可知，為了使12脈沖整流電路輸出的單極性脈動(dòng)電壓波形在50 Hz電源的一個(gè)周波內(nèi)出現(xiàn)12個(gè)“脈沖波頭”，需要對兩組6脈沖整流器同時(shí)進(jìn)行供電，并且這兩組6相電源之間的相位差以及相鄰相位之間的相位差都必須是30°。為此需要設(shè)計(jì)一個(gè)12相移相變壓器來滿足整流電路的需求。

圖2 裝置的整體設(shè)計(jì)方案

從12脈波整流的原理分析可以看出，5次、7次、17次、19次等大量諧波已被移相變壓器30°相位所抵消。只剩下（12 k±1）次諧波未被抵消，k為自然數(shù)。為了進(jìn)一步消減輸入電流以達(dá)到Y(jié)D/T1095-2000標(biāo)準(zhǔn)中Ⅰ類技術(shù)要求，需要在電源的輸入端增加一個(gè)11次諧波濾波器。

最終，通過對整流原理的深入研究，利用數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)測試相結(jié)合的手段，確定裝置的整體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

該裝置由12脈沖整流電路、12相移相變壓器、11次諧波濾波器等部件組成。設(shè)計(jì)并開發(fā)該裝置需要對移相變壓器、諧波濾波、整流電路等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入的研究。

2.1 12脈沖整流器的技術(shù)研究

圖3 兩組三相整流橋并聯(lián)電路

利用晶閘管對交變電流有條件的單向?qū)ㄗ饔茫瑢?2個(gè)晶閘管組成兩組三相整流橋式電路，使直流母線電流由12個(gè)晶閘管整流完成，如圖3所示。要使12脈沖整流電路輸出的單極性脈動(dòng)電壓波形在50 Hz電源的一個(gè)周波內(nèi)，如圖4所示出現(xiàn)12個(gè)“脈沖波頭”，要求電路中存在12相回路，且每個(gè)回路的相位均不同，依次相差30°，因此，采用自耦星形三相與△三相產(chǎn)生12相依次相差30°的電源電壓。12個(gè)晶閘管分成2組，不考慮換相重疊，任意時(shí)刻，每組中至少有2個(gè)管子導(dǎo)通，也就是說12個(gè)管子中至少4個(gè)導(dǎo)通，且是分在2組中。2個(gè)導(dǎo)通的管子一個(gè)在共陰極組中，1個(gè)在共陽極組中。

每組的三相橋式整流電路都是傳統(tǒng)的六相整流，因此這兩組三相電路都必然滿足六相電路的電流特性。

圖4 12脈沖整流時(shí)序圖

所以橋Ⅰ的網(wǎng)側(cè)電流傅立葉級(jí)級(jí)數(shù)展開為：

而橋Ⅱ網(wǎng)側(cè)線電壓比橋I超前30°，所以橋Ⅱ的網(wǎng)側(cè)電流傅立葉級(jí)級(jí)數(shù)展開為：

故合成的網(wǎng)側(cè)線電流：

可見，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12 K±1（K為正數(shù)）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)。

2.2 12相移相變壓器的技術(shù)研究

通過對12脈沖整流電路技術(shù)與12相移相變換技術(shù)的研究得出，要實(shí)現(xiàn)12脈沖整流，一需要使用兩組三相橋式整流電路，二需要為這個(gè)整流電路提供兩組六相、相差為30°的電源。而市電只能提供三相、相差為120°的正弦交流電，所以必須使用變壓器，通過適當(dāng)?shù)乩@組和聯(lián)結(jié)方法，來實(shí)現(xiàn)對12脈沖整流電路的兩組六相電源輸入。基于“在三相電源的星形和三角形聯(lián)接時(shí)，線電壓超前相應(yīng)的相電壓30°”這個(gè)原理，次級(jí)接成Dy11，借助三相兩繞組變壓器，原邊采用自耦/隔離結(jié)構(gòu)對移相變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)，一次側(cè)接成星形自耦帶0°變壓輸出U1V1W1；二次側(cè)接成三角形，設(shè)計(jì)帶8%阻抗電壓，輸出電壓U2V2W2與前者相等。二次側(cè)星形聯(lián)結(jié)接橋1，其供電線電壓為UU1V1，VV1W1和UW1U1。二次側(cè)三角形聯(lián)結(jié)接橋2，線電壓為UU2V2，UV2W2和UW2U2。與兩組三相橋整流并聯(lián)電路組成12脈沖整流電路，如圖5所示。

變壓器的輸出電壓矢量分布，如圖6所示，實(shí)現(xiàn)了每相電壓之間的相位差為30°。

圖5 12脈沖整流電路

圖6 十二相電壓的矢量分布

2.3 11次諧波濾波器研究

為了有效改善L型濾波器的阻抗特性，將K式的并臂元件用串聯(lián)諧振回路來代替，利用并聯(lián)諧振時(shí)阻抗極大和串聯(lián)諧振阻抗極小的特點(diǎn)來改善阻抗特性，該方法稱為串M式濾波。經(jīng)過改進(jìn)后的11次諧波濾波器能有效地將11次諧波消減85%，13次諧波消減50%，從而實(shí)現(xiàn)對供電網(wǎng)絡(luò)的諧波泄放量達(dá)到國家Ⅰ類要求。對160 kVA的UPS整流裝置濾波特征阻抗達(dá)到0.577、負(fù)載阻抗達(dá)到0.82 Ω、漏感線性度達(dá)到3%、噪音達(dá)到25 dB，達(dá)到了很高的技術(shù)指標(biāo)。其電路如圖7所示。

圖7 串聯(lián)諧振回路

其阻帶衰減特性如圖8所示，其中c→f∞為阻帶。

圖8 串聯(lián)諧振回路阻帶衰減特性圖

3 產(chǎn)品的測試與驗(yàn)證分析

產(chǎn)品研制成功后，經(jīng)信息產(chǎn)業(yè)部電子第五研究所質(zhì)量檢測中心檢測，分別對6P EP160KVA UPS不間斷電源在未加5次諧波濾波器和加5次諧波濾波器時(shí)的輸入諧波電流含量，以及12P EP160KVA UPS不間斷電源未加11次諧波濾波器和加11次諧波濾波器時(shí)的輸入諧波電流含量進(jìn)行對比測試，來了解UPS帶R負(fù)載或帶RCD負(fù)載對輸入諧波電流（THDi）的影響。檢驗(yàn)報(bào)告的數(shù)據(jù)分析總結(jié)如圖9所示：

圖9 UPS帶負(fù)載時(shí)輸入諧波電流含量的對比測試

經(jīng)對比測試，結(jié)果表明 “12脈沖整流加11次諧波濾波器”整流器及技術(shù)應(yīng)用在大功率UPS設(shè)備中，對輸入端諧波電流有明顯的改善作用，輸入電流總諧波含量都在4.5%以下，達(dá)到I類技術(shù)要求。

檢測中心還對12P EP160KVA加入11次諧波濾波器后整機(jī)性能進(jìn)行測試，輸入電壓和頻率為UPS輸入標(biāo)稱值，輸出為額定非線性負(fù)載時(shí)，測試結(jié)果中輸入功率因數(shù)大于0.96，達(dá)到I類標(biāo)準(zhǔn)。

4 12脈沖整流裝置的Matlab模型仿真與分析

Matlab是一種十分強(qiáng)大數(shù)值分析與科學(xué)計(jì)算軟件，Simulink是Matlab功能的擴(kuò)展，它提供了豐富的模型庫供仿真使用，其中包括電力系統(tǒng)元件庫（Power System Block，簡稱 PSB），PSB 的功能非常強(qiáng)大，對12脈沖整流裝置的仿真就是采用該仿真軟件，圖10是用Matlab搭建的12脈沖整流裝置的仿真模型圖。

圖10 雙三相橋12脈沖整流電路的Matlab仿真模型

圖11 示波器測量的 Ua2b2，Ua3b3，UPY，UPD，ID 的輸出波形

對圖10中的各器件設(shè)置恰當(dāng)?shù)膮?shù)，打開Simulation菜單設(shè)置合理的仿真參數(shù)，一般選擇可變步長的ode23tb算法，單擊仿真按鈕運(yùn)行仿真，示波器里生成如圖11所示的仿真結(jié)果。

圖11 中示波器測量的自上而下依次為整流變壓器二次側(cè)星形連接繞組線電壓Ua2b2、整流變壓器二次側(cè)三角形連接繞組線電壓Ua3b3、12脈沖觸發(fā)器從PY輸出的脈沖電壓UPY、12脈沖觸發(fā)器PD輸出脈沖UPD、流過負(fù)載的電流IO等的波形。從波形圖可以看出，線電壓Ua3b3滯后線電壓Ua2b2線電壓30°，12脈沖觸發(fā)器從PY輸出的脈沖比PD輸出的脈沖電壓超前 30°。

從負(fù)載端輸出電流波形可以看出，整流后的電流接近平直，但仍有一定程度的波動(dòng)，這主要是由12次諧波電壓引起的。仿真的結(jié)果與實(shí)際裝置的運(yùn)行達(dá)到很好的吻合。通過仿真模型，可以隨時(shí)修改各個(gè)元件的參數(shù)，以查看不同參數(shù)下的運(yùn)行結(jié)果，大大的節(jié)省了實(shí)驗(yàn)成本，縮短了產(chǎn)品投產(chǎn)的時(shí)間。

5 對目前12脈波整流存在問題的討論

目前國內(nèi)不少大功率UPS雖然采用了12脈波整流裝置，但實(shí)際網(wǎng)側(cè)電流諧波仍然較嚴(yán)重，未能達(dá)到I類標(biāo)準(zhǔn)(總諧波成份＜5%)，其主要問題在于裝置只關(guān)注到電壓的平衡，對六相的輸出阻抗差異認(rèn)識(shí)不足，未設(shè)計(jì)相應(yīng)的內(nèi)、外置阻抗導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)均流。

眾所周知，由于整流負(fù)載產(chǎn)生的諧波較嚴(yán)重，在設(shè)計(jì)整流變壓器時(shí)，必須設(shè)計(jì)有足夠短路阻抗，一般應(yīng)大于6%，否則，由于大量諧波的注入致使變壓器發(fā)熱導(dǎo)致溫升超標(biāo)，即使設(shè)計(jì)電流密度已足夠低，也會(huì)產(chǎn)生較大的整流噪音。

為此采用如圖12所示的兩種產(chǎn)生漏感的辦法。

圖12 產(chǎn)生漏感的二種方法

圖12 中，Y.y1為自耦升壓初級(jí)繞組，d2為交鏈開隙付鐵次級(jí)繞組。雙鐵磁路結(jié)構(gòu)漏感量一致性好，不易飽和但制造成本較高，單鐵漏感易進(jìn)入飽和，制造成本低。

由于d2繞組交鏈開隙付鐵，所以其輸出阻抗比較高，其帶載輸出電流當(dāng)然比較小，而y1自耦輸出阻抗較低，當(dāng)然輸出電流大。

采用12脈波降低諧波的數(shù)學(xué)表達(dá)式告訴我們，其展開式正、負(fù)項(xiàng)必須相等，其諧波方能抵消。為此必須在Yy繞組加一集中參數(shù)電抗，并用短路法對電抗加以調(diào)整，使其均流，這樣就能使諧波抵消了。

對11次和13次設(shè)計(jì)為11次串聯(lián)諧波濾波器，這樣對13次也能降低45%諧波而對基波無多大影響。

本文中所設(shè)計(jì)的大功率UPS整流裝置，應(yīng)用11次諧波濾波器改善阻抗特性和12相移相變換，能夠較大限度地抑制輸入電流諧波，可消除大功率UPS對電網(wǎng)所造成的污染和危害。在此技術(shù)方案基礎(chǔ)上，應(yīng)用新技術(shù)和新工藝做了一系列改進(jìn)和優(yōu)化，使裝置的諧波抑制性能更高。采用全鋁線材，自耦/隔離變雙線包法，并對電感預(yù)先進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，使成本得到很好地控制，進(jìn)而在大規(guī)模生產(chǎn)上具有成本和性能優(yōu)勢。該裝置的成功研制有助于實(shí)現(xiàn)大功率UPS的”環(huán)?；保苿?dòng)了我國大功率UPS制造技術(shù)的進(jìn)步。

[1]Kaz Furmanezyk.Challenges of Designing High Power Converter for Aerospace Applications[EB/OL].ELDEC Corporation,[2003-10-8].http://www.ansoft.eom/workshops/aeroee/ELDEC_Kaz_Furmanczyk.pdf.

[2]Gifish R Kamath,Bruce Runyan,Richard Wood.A compact autotransformer based 12-pulse rectifier cir cuit[A].The 27th Annual Conference of the IEEE [C].2001,2:1344-1349.

[3]S Choi,P Enjeti,I Pite1.Polyphase Transformer Arrangements with Reduced kVA Capacities for Harmonic Current Reduction in Rectifier Type Utility Interface[J].IEEE Trans.on Power Electronics,1997,11(5):680-689.

[4]D Rendusara,K J Slater,B S Lee.Design Considerations for 12/24-Pulse Auto-Connected Rectifiers for Large VA,PWM Drive Systems[A].IEEE APEC’99[C].1999:903-909.