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A diferença entre um retificador de 12 pulsos e um de 6 pulsos.
I. Derivação teórica
1.6 Princípio do retificador de pulsos:
O termo "6 pulsos" refere-se a um retificador de ponte completa composto por 6 tiristores, pois existem 6 pulsos de comutação para controlar cada um dos 6 tiristores, daí o nome retificador de 6 pulsos.
Ignorando o processo de comutação do tiristor da ponte trifásica e a pulsação da corrente, e assumindo que a reatância do lado CA é zero, a indutância CC é infinita e o ângulo de disparo de atraso α é zero, a expansão em série de Fourier da corrente do lado CA é:
Pode-se concluir da fórmula (1-1) que:
A corrente contém 6K? 1 (k é um número inteiro positivo) subharmônicos, ou seja, 5, 7, 11, 13... O valor efetivo de cada harmônico é inversamente proporcional ao número do harmônico, e a razão entre o valor efetivo da onda fundamental e o valor efetivo da onda fundamental é o inverso do número do harmônico.
Figura 1.1 Forma de onda da tensão e corrente de entrada da fase A de 6 pulsos simulada por computador
2. Princípio do retificador de 12 pulsos:
O termo "retificador de 12 pulsos" refere-se ao retificador original de 6 pulsos na entrada, ao qual foi adicionado um transformador de deslocamento de fase após a inclusão de um grupo de 6 retificadores de pulsos, de modo que a corrente do barramento CC seja completada por 12 retificadores de tiristores, sendo por isso também chamado de retificador de 12 pulsos.
Conforme ilustrado na figura a seguir, os dois circuitos retificadores trifásicos I e II constituem um circuito retificador de 12 fases através de diferentes conexões do transformador.
Diagrama esquemático de um retificador de 12 pulsos (composto por 2 6 pulsos em paralelo)
Visivelmente, duas pontes de retificação produzem subharmônicos de 5, 7, 17, 19... que se cancelam mutuamente, e apenas o harmônico de 12kHz é injetado na grade? 1 (k é um número inteiro positivo) harmônico, ou seja, 11, 13, 23, 25 e outros harmônicos, e seu valor efetivo é inversamente proporcional ao número do harmônico, e a razão do valor efetivo da onda fundamental é o inverso do número do harmônico.
FIG. 1.2 Forma de onda da tensão e corrente de entrada da fase A de um UPS de 12 pulsos simulada por computador.
2. Análise dos dados medidos.
O cálculo acima representa o estado ideal, ignorando diversos fatores, como o processo de comutação, a pulsação da corrente no lado CC, o ângulo de atraso do gatilho, a reatância no lado CA, entre outros. Portanto, existem algumas diferenças entre o valor medido e o valor calculado. Tabela de cálculo harmônico teórico:
| Número harmônico | 5º | 7º | 11º | 13º | 17º | 19º | 23º |
| 6 Conteúdo harmônico do pulso | 20% | 14% | 9% | 8% | 6% | 5% | 4% |
| 12 Conteúdo harmônico do pulso | 0% | 0% | 9% | 8% | 0% | 0% | 4% |
Modelo de tabela de dados para medição de harmônicos em UPS de alta potência:
| Frequência harmônica | 5º | 7º | 11º | 13º | 17º | 19º | 23º |
| 6 Conteúdo harmônico do pulso | 32% | 3% | 8% | 3% | 4% | 2% | 2% |
| 12 Conteúdo harmônico do pulso | 1% | 1% | 9% | 4% | 1% | 1% | 2% |
A partir das duas tabelas acima, observa-se que o conteúdo harmônico do retificador de 6 pulsos chega a 5 harmônicos, enquanto a intensidade do retificador de 12 pulsos chega a 11 harmônicos, o que está de acordo com os resultados dos cálculos teóricos. O valor medido do 5º harmônico do retificador de 6 pulsos é maior que o valor calculado, e o valor medido do 11º harmônico do retificador de 12 pulsos é igual ao valor calculado.
Terceiro, análise harmônica e contramedidas de melhoria.
Os harmônicos podem causar superaquecimento em cabos de distribuição e transformadores, reduzir a qualidade da transmissão, mau funcionamento de chaves de ar, surtos em geradores e outras consequências adversas. Os harmônicos são divididos em sequência positiva (3k+1 vezes, onde k é 0 ou um número inteiro positivo), sequência negativa (3k+2 vezes, onde k é 0 ou um número inteiro positivo) e sequência 0 (3k vezes, onde k é um número inteiro positivo).
A corrente de sequência positiva agrava as perdas, a corrente de sequência negativa faz o motor inverter o sentido de rotação e superaquecer, e a corrente de sequência zero causa um aumento anormal da corrente na linha central.
A partir do valor medido, observa-se que o retificador de 6 pulsos apresenta um máximo de 5 harmônicos, podendo ser instalados 5 filtros para supressão de harmônicos; já o retificador de 12 pulsos apresenta o maior número de harmônicos, 11, e pode ser necessário adicionar 11 filtros para supressão de harmônicos. O diagrama de princípio do filtro é apresentado a seguir:
A tabela de comparação harmônica de um determinado tipo de UPS de alta potência após a instalação do filtro é a seguinte:
| Frequência harmônica | 3º | 5º | 7º | 11º | 13º | 17º | 19º | Total |
| Requisitos do indicador IEC6000-3-4 | 21,6% | 10,7% | 7,2% | 3,1% | 2% | 1,2% | 1,1% | 25% |
| 6 Conteúdo harmônico do pulso | 32% | 3% | 8% | 3% | 4% | 2% | > 30% | |
| Retificador de 6 pulsos + filtro de 5 passagens | 2% | 1% | 7% | 2% | 3% | 2% | 9% | |
| 12 Conteúdo harmônico do pulso | 1% | 1% | 9% | 4% | 1% | 1% | 10% | |
| Retificador de 12 pulsos + filtro de 11 passagens | 1% | 1% | 3% | 2% | 1% | 1% | 4,5% |
Como pode ser observado na tabela acima, a adição de filtros tem um efeito muito evidente na supressão de harmônicos.
Em particular, deve-se destacar que: A configuração de filtro de 6 pulsos + 5 harmônicos pode atingir os requisitos de harmônicos de cerca de 9%, mas como a capacitância do filtro de 5 harmônicos (250Hz) é maior, quando a carga do UPS é baixa (<15% da carga nominal), a corrente de entrada do retificador estará adiantada em relação à tensão de entrada. Se o enrolamento de excitação do gerador for autoexcitado, é fácil produzir um efeito de realimentação positiva na armadura, a tensão de saída do gerador aumentará anormalmente, resultando na entrada em estado de proteção e parada do gerador. Portanto, o esquema de filtro de 6 pulsos + 5 harmônicos não é recomendado para uso quando a carga do UPS é baixa. Quando a carga real for baixa, o filtro de 5º harmônico pode ser removido do retificador.
O retificador único de 12 pulsos também pode atingir cerca de 10% do índice harmônico da corrente, mas não possui um circuito LC com capacitor de grande capacidade, para evitar o efeito de realimentação positiva com a excitação do gerador.
O índice harmônico atual inferior a 4,5% pode ser alcançado utilizando um retificador de 12 pulsos + dispositivo de 11 harmônicos. O conteúdo de harmônicos individuais e o conteúdo total de harmônicos atendem aos requisitos de índice da norma IEC61000-3-4.
Cronograma 1: Entrada de dados de conteúdo harmônico de corrente sob diferentes condições de carga.
| Insira o conteúdo harmônico total. | Sem carga | 25% de carga | 50% de carga | >75% de carga |
| 6 pulsos | 86% | 65% | 50% | > 30% |
| Filtro passante de 6 pulsos + 5 | > 50% | 30% | 15-20% | 10-12% |
| 12 pulsos | 20% | 15% | 12% | 9,5% |
| Filtro de 12 pulsos + 11 passagens | 12 ~ 15% | 8 a 12% | 5 a 8% | 4,5% |
Tabela 2: Tabela do conteúdo harmônico total da corrente de entrada de um UPS de 400 kVA com filtro de 12 pulsos + 11 passagens de um determinado modelo.
Percentagem de carga | Componente harmônico da bateria THDI% | valor absoluto da corrente harmônica total |
| 100% | 4,5% | 33A |
| 75% | 5% | 28A |
| 50% | 8% | 29A |
| 40% | 10% | 29A |
| 30% | 12% | 27A |
É o valor absoluto da corrente harmônica que afeta a rede, e não a porcentagem da corrente harmônica. Como pode ser visto na tabela acima, o valor absoluto da corrente harmônica é maior em plena carga; em casos de meia carga e carga leve, o valor absoluto da corrente harmônica não excede 100% do valor absoluto da corrente harmônica em plena carga. O filtro de 12 pulsos + 11 harmônicos tem o efeito mínimo sobre o total de harmônicos da corrente de entrada, além de evitar as desvantagens da "compensação de erros" do filtro ativo e da baixa eficiência do sistema. Isso ocorre porque o filtro de 12 pulsos + 11 harmônicos causa a menor poluição na rede elétrica, sendo adequado para uso em situações com altos requisitos de confiabilidade.
Quarto, comparação de desempenho:
| Projeto | Retificador de 6 pulsos + filtro de 5 passagens | Retificador de 12 pulsos + filtro de 11 graus | Vantagens técnicas do retificador de 12 pulsos + filtro de 11 passagens |
| 1. O conteúdo harmônico da corrente de entrada irradiada para a rede elétrica. | く10% | く4,5% | Devido à introdução de cargas de retificadores e filtros na rede elétrica, a rede ficará "poluída", resultando em um grande número de harmônicos de alta ordem circulando por todo o sistema de alimentação. Por esse motivo, a corrente que flui pela linha central sofrerá sobrecorrente e o motor aquecerá anormalmente. Para solucionar esses problemas, recomenda-se configurar um retificador de 12 pulsos e um filtro de 11 harmônicos, garantindo que a qualidade da energia fornecida à rede do usuário atinja o padrão de "energia verde". |
| 2. Consumo de energia | Maior | Menor | A corrente de entrada irradiada para a rede elétrica possui um pequeno conteúdo harmônico. Harmônicos de alta ordem causam perdas por aquecimento no transformador de entrada de energia e no cabo, resultando em desperdício de energia. |
| 3. Gerador inoperante | fácil | Não vai | O efeito de realimentação positiva dos enrolamentos de campo é evitado. |
| 4. Causar mau funcionamento do interruptor | fácil | Não é fácil | |
| 5. A parte frontal do UPS precisa de capacidade de gerador. | Grande, correspondendo a 1,6 a 2 vezes a capacidade da configuração do gerador. | Menor, de acordo com 1,5 a 1,8 vezes a capacidade da configuração do gerador. | Um sistema UPS com retificador de pulso de 6 pulsos requer mais de 1,8 vezes a capacidade de um motor a diesel. Os retificadores de pulso de 12 pulsos requerem apenas 1,5 vezes a capacidade de um motor a óleo. |
| 6. Chave de entrada do UPS, configuração da capacidade do cabo | Adicionar | Sem aumento | Devido à grande corrente de pico da entrada do retificador de 6 pulsos, transformadores, disjuntores, cabos, etc., precisam ser dimensionados de forma reduzida, resultando em aumento dos custos de investimento. |
| 7. Tensão de ondulação na saída do retificador | Maior | 50% menor | A ondulação da tensão CC de saída do retificador de 12 pulsos é 50% menor que a do retificador de 6 pulsos, o que reduz significativamente o efeito de ondulação na bateria durante o carregamento e pode prolongar efetivamente a vida útil da bateria. |
Como pode ser observado na tabela acima, os retificadores de 12 pulsos são superiores aos retificadores de 6 pulsos em diversos indicadores de desempenho. A tecnologia de retificação de 12 pulsos surgiu na década de 1970 e, após contínuos aprimoramentos, tornou-se gradualmente a tecnologia preferida para retificação de alta potência.
Finalmente, como mencionado acima, caso haja investimento suficiente, procure escolher a configuração com um retificador de 12 pulsos e um filtro de 11 tempos. Essa configuração atende aos requisitos da norma do Ministério da Indústria da Informação para componentes harmônicos de corrente de entrada Classe I (YD/T1095-2000) e aos requisitos do índice IEC61000-3-4 da Comissão Eletrotécnica Internacional.
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