Обладая более чем 25-летним опытом, мы стремимся предоставлять полный спектр решений в области силовой электроники.
Разница между 12-импульсным и 6-импульсным выпрямителем.
I. Теоретическое выведение
Принцип работы импульсного выпрямителя 1.6:
6-импульсный выпрямитель обозначает полномостовой выпрямитель, состоящий из 6 тиристоров, поскольку для управления каждым из 6 тиристоров используются 6 переключающих импульсов, поэтому он называется 6-импульсным выпрямителем.
Если пренебречь процессом коммутации трехфазного мостового тиристора и пульсацией тока, предположить, что реактивное сопротивление на стороне переменного тока равно нулю, индуктивность постоянного тока бесконечна, а угол задержки срабатывания a равен нулю, то разложение тока на стороне переменного тока в ряд Фурье будет следующим:
Из формулы (1-1) можно заключить, что:
Содержит ли ток 6K? 1 (k — положительное целое число) субгармоник, т.е. 5, 7, 11, 13... Эффективное значение каждой гармоники обратно пропорционально номеру гармоники, а отношение эффективного значения основной волны обратно пропорционально номеру гармоники.
Рисунок 1.1. Форма входного напряжения и тока 6-импульсной А-фазы, смоделированная на компьютере.
2. Принцип работы 12-импульсного выпрямителя:
12-импульсный выпрямитель относится к исходному 6-импульсному выпрямителю, который, благодаря добавлению фазосдвигающего трансформатора, обеспечивает передачу постоянного тока через 12 тиристорных выпрямителей, поэтому его также называют 12-импульсным выпрямителем.
Как показано на следующем рисунке, две трехфазные выпрямительные цепи I и II образуют 12-фазную выпрямительную цепь за счет различных соединений трансформатора.
Схема 12-импульсного выпрямителя (состоящего из 2 6-импульсных последовательно соединенных импульсов).
Видимые два выпрямительных моста производят 5, 7, 17, 19,... Субгармоники взаимно компенсируются, и в сеть подается только 12k гармоник (k — положительное целое число), то есть 11, 13, 23, 25 и другие гармоники, и их эффективное значение обратно пропорционально номеру гармоники, а отношение эффективного значения основной волны обратно пропорционально номеру гармоники.
Рис. 1.2. Форма входного напряжения и тока фазы А 12-импульсного ИБП, смоделированная на компьютере.
2. Анализ измеренных данных.
Приведенные выше расчеты отражают идеальное состояние, игнорируя многие факторы, такие как процесс коммутации, пульсации тока на стороне постоянного тока, угол задержки срабатывания, реактивное сопротивление на стороне переменного тока и т. д. Поэтому существуют некоторые расхождения между измеренным и расчетным значениями. Таблица теоретических гармонических расчетов:
| Гармоническое число | 5-й | 7-й | 11-й | 13-й | 17-й | 19-й | 23-го |
| 6. Гармоническое содержание импульса | 20% | 14% | 9% | 8% | 6% | 5% | 4% |
| 12. Гармоническое содержание импульса | 0% | 0% | 9% | 8% | 0% | 0% | 4% |
Пример таблицы данных измерений гармоник мощных ИБП:
| Гармоническая частота | 5-й | 7-й | 11-й | 13-й | 17-й | 19-й | 23-го |
| 6. Гармоническое содержание импульса | 32% | 3% | 8% | 3% | 4% | 2% | 2% |
| 12. Гармоническое содержание импульса | 1% | 1% | 9% | 4% | 1% | 1% | 2% |
Из приведенных выше двух таблиц видно, что гармонический состав 6-импульсного выпрямителя достигает 5 гармоник, а интенсивность 12-импульсного выпрямителя — 11 гармоник, что согласуется с результатами теоретических расчетов. Измеренное значение 5-й гармоники 6-импульсного выпрямителя больше расчетного значения, а измеренное значение 11-й гармоники 12-импульсного выпрямителя совпадает с расчетным значением.
В-третьих, гармонический анализ и меры по улучшению.
Гармоники могут вызывать нагрев распределительных кабелей и трансформаторов, снижение качества связи, неправильную работу воздушных выключателей, скачки напряжения в генераторе и другие неблагоприятные последствия; гармоники делятся на положительную последовательность (3k+1 раз, k равно 0 и является положительным целым числом), отрицательную последовательность (3k+2 раза, k равно 0 и является положительным целым числом) и нулевую последовательность (3k раз, k является положительным целым числом).
Ток положительной последовательности усугубляет потери, ток отрицательной последовательности приводит к реверсированию двигателя и его перегреву, а ток нулевой последовательности приводит к аномальному увеличению тока в центральной линии.
Из измеренных значений видно, что 6-импульсный выпрямитель имеет максимум 5 гармоник, и для их подавления можно установить 5 фильтров; 12-импульсный выпрямитель имеет наибольшее количество гармоник — 11, и для их подавления можно добавить 11 фильтров. Принципиальная схема фильтра представлена ниже:
Ниже представлена таблица сравнения гармоник определенного типа мощных ИБП после установки фильтра:
| Гармоническая частота | 3-й | 5-й | 7-й | 11-й | 13-й | 17-й | 19-й | Общий |
| Требования к индикаторам IEC6000-3-4 | 21.6% | 10.7% | 7.2% | 3.1% | 2% | 1.2% | 1.1% | 25% |
| 6. Гармоническое содержание импульса | 32% | 3% | 8% | 3% | 4% | 2% | > 30% | |
| 6-импульсный выпрямитель + 5-проходной фильтр | 2% | 1% | 7% | 2% | 3% | 2% | 9% | |
| 12. Гармоническое содержание импульса | 1% | 1% | 9% | 4% | 1% | 1% | 10% | |
| 12-импульсный выпрямитель + 11-проходной фильтр | 1% | 1% | 3% | 2% | 1% | 1% | 4.5% |
Как видно из приведенной выше таблицы, добавление фильтров оказывает очень заметное влияние на подавление гармоник.
В частности, следует отметить, что: конфигурация с 6-импульсным фильтром + 5-й гармонический фильтр позволяет достичь требуемого уровня гармоник около 9%, но из-за большей емкости фильтра 5-й гармоники (250 Гц) при небольшой нагрузке ИБП (<15% от номинальной нагрузки) входной ток выпрямителя будет опережать входное напряжение. Если обмотка возбуждения генератора самовозбуждается, легко возникает эффект положительной обратной связи якоря, выходное напряжение генератора будет аномально возрастать, что приведет к переходу генератора в защитное состояние и его остановке. Поэтому схема с 6-импульсным фильтром + 5-й гармонический фильтр не рекомендуется для использования при небольшой нагрузке ИБП. При фактической небольшой нагрузке фильтр 5-й гармоники можно удалить из выпрямителя.
Одноимпульсный 12-импульсный выпрямитель также может достигать примерно 10% текущего индекса гармоник, но в нем отсутствует LC-цепь с большим конденсатором, что позволяет избежать эффекта положительной обратной связи с возбуждением генератора.
Текущий гармонический индекс менее 4,5% может быть достигнут с помощью 12-импульсного выпрямителя + 11-го гармонического элемента. Содержание отдельных гармоник и суммарных гармоник соответствует требованиям стандарта IEC61000-3-4.
График 1: Ввод данных о текущих гармониках при различных условиях нагрузки.
| Введите общее гармоническое содержание. | Без нагрузки | 25% нагрузка | 50% нагрузка | >75% нагрузки |
| 6 импульсов | 86% | 65% | 50% | > 30% |
| 6 импульсов + 5-проходной фильтр | > 50% | 30% | 15-20% | 10-12% |
| 12 импульсов | 20% | 15% | 12% | 9.5% |
| 12 импульсов + 11-проходной фильтр | 12 ~ 15% | 8 ~12% | 5 ~ 8% | 4.5% |
Таблица 2: Таблица суммарного гармонического состава входного тока ИБП мощностью 400 кВА с 12-импульсным + 11-проходным фильтром определенной модели.
Процент загрузки | Гармоническая составляющая батареи THDI% | Абсолютное значение суммарного гармонического тока |
| 100% | 4.5% | 33A |
| 75% | 5% | 28A |
| 50% | 8% | 29A |
| 40% | 10% | 29A |
| 30% | 12% | 27A |
На энергосеть влияет именно абсолютное значение гармонического тока, а не его процентное содержание. Как видно из приведенной выше таблицы, абсолютное значение гармонического тока максимально при полной нагрузке; в случае половинной и малой нагрузки абсолютное значение гармонического тока не превышает 100% от абсолютного значения гармонического тока при полной нагрузке. 12-импульсный + 11-гармонический фильтр оказывает минимальное влияние на суммарные гармоники входного тока, а также позволяет избежать недостатков активной «компенсации ошибок» фильтра и низкой эффективности системы, поскольку 12-импульсный + 11-гармонический фильтр обеспечивает наименьшее загрязнение энергосети и подходит для использования в условиях высоких требований к надежности.
В-четвертых, сравнение производительности:
| Проект | 6-импульсный выпрямитель + 5-проходной фильтр | 12-импульсный выпрямитель + фильтр 11 градусов | Технические преимущества 12-импульсного выпрямителя + 11-проходного фильтра |
| 1. Гармонические составляющие входного тока, излучаемые в электросеть. | く10% | く4.5% | Введение выпрямительного фильтра в сеть приводит к её «загрязнению», в результате чего по всей системе электроснабжения протекает большое количество высокочастотных гармоник. По этой причине это вызывает перегрузки по току в центральной линии и аномальный нагрев нагрузки двигателя. Для решения вышеуказанных проблем рекомендуется использовать 12-импульсный выпрямитель и 11-гармонический фильтр, чтобы обеспечить соответствие качества электроснабжения сети потребителя стандарту «экологически чистого электроснабжения». |
| 2. Энергопотребление | Больший | Меньший | Входной ток, излучаемый в электросеть, имеет мало гармоник. Гармоники высокого порядка вызывают потери тепла на входном силовом трансформаторе и кабеле, что приводит к потерям энергии. |
| 3. Генератор вышел из строя | легкий | Не будет | Эффект положительной обратной связи в обмотках возбуждения исключается. |
| 4. Причина неправильной работы переключателя. | легкий | Нелегко | |
| 5. Для работы ИБП требуется мощность генератора. | Большой, в 1,6–2 раза превосходящий по мощности генератор. | Меньший размер, в 1,5–1,8 раза превышающий мощность генераторной конфигурации | ИБП с 6-импульсным выпрямителем требует более чем в 1,8 раза большей мощности, чем ИБП с дизельным двигателем. 12-импульсные выпрямители требуют всего в 1,5 раза большей мощности, чем двигатели внутреннего сгорания. |
| 6. Входной переключатель ИБП, конфигурация пропускной способности кабеля. | Добавлять | Без повышения | Из-за большого пикового тока на входе 6-импульсного выпрямителя необходимо снижать номинальные характеристики трансформаторов, автоматических выключателей, кабелей и т. д., что приводит к увеличению инвестиционных затрат. |
| 7. Пульсации выходного напряжения выпрямителя | Больший | на 50% ниже | Пульсации выходного постоянного напряжения 12-импульсного выпрямителя составляют 50% от пульсаций 6-импульсного, что значительно снижает пульсации напряжения при зарядке батареи и эффективно продлевает срок ее службы. |
Как видно из приведенной выше таблицы, 12-импульсные выпрямители превосходят 6-импульсные по ряду показателей производительности. Технология 12-импульсных выпрямителей появилась в 1970-х годах и после постоянного совершенствования постепенно стала предпочтительной технологией для мощных выпрямителей.
Наконец, как уже упоминалось выше, в случае достаточных инвестиций следует выбрать конфигурацию с 12-импульсным выпрямителем и 11-кратным фильтром. Эта конфигурация соответствует требованиям стандарта Министерства информационных технологий по электропитанию класса I (YD/T1095-2000) и требованиям индекса IEC61000-3-4 Международной электротехнической комиссии.
No.220 Huayuan Road, город Цзинань, Китай