Sự khác biệt giữa bộ chỉnh lưu 12 xung và bộ chỉnh lưu 6 xung
I. Quá trình suy luận lý thuyết
1.6 Nguyên lý chỉnh lưu xung:
Bộ chỉnh lưu cầu 6 xung đề cập đến bộ chỉnh lưu cầu toàn phần gồm 6 thyristor, vì có 6 xung chuyển mạch để điều khiển 6 thyristor riêng biệt, nên nó được gọi là bộ chỉnh lưu 6 xung.
Khi bỏ qua quá trình chuyển mạch thyristor cầu ba pha và sự dao động dòng điện, giả sử điện kháng phía AC bằng 0, điện cảm DC vô hạn và góc kích hoạt trễ a bằng 0, thì khai triển chuỗi Fourier của dòng điện phía AC là:
Từ công thức (1-1) có thể kết luận rằng:
Dòng điện hiện tại có chứa 6K? 1 (k là số nguyên dương) sóng hài bậc thấp, tức là 5, 7, 11, 13... Giá trị hiệu dụng của mỗi sóng hài tỷ lệ nghịch với số thứ tự sóng hài, và tỷ lệ giá trị hiệu dụng của sóng cơ bản là nghịch đảo của số thứ tự sóng hài.
Hình 1.1. Dạng sóng điện áp và dòng điện đầu vào của pha A 6 xung được mô phỏng bằng máy tính.
2. Nguyên lý hoạt động của bộ chỉnh lưu 12 xung:
Bộ chỉnh lưu 12 xung đề cập đến bộ chỉnh lưu 6 xung ban đầu dựa trên cơ sở đầu vào, bổ sung thêm biến áp dịch pha sau khi thêm một nhóm bộ chỉnh lưu 6 xung, sao cho dòng điện bus DC được hoàn thiện bởi 12 bộ chỉnh lưu thyristor, vì vậy nó cũng được gọi là bộ chỉnh lưu 12 xung.
Như hình vẽ bên dưới, hai mạch chỉnh lưu ba pha I và II tạo thành một mạch chỉnh lưu 12 pha thông qua các kết nối khác nhau của máy biến áp.
Sơ đồ mạch chỉnh lưu 12 xung (gồm 2 mạch chỉnh lưu 6 xung mắc song song)
Có thể thấy, hai cầu chỉnh lưu tạo ra các sóng hài bậc 5, 7, 17, 19,... triệt tiêu lẫn nhau, và chỉ có sóng hài bậc 12k được đưa vào lưới điện? 1 (k là số nguyên dương) sóng hài, tức là 11, 13, 23, 25 và các sóng hài khác, và giá trị hiệu dụng của nó tỷ lệ nghịch với số thứ tự sóng hài, và tỷ lệ giá trị hiệu dụng của sóng cơ bản là nghịch đảo của số thứ tự sóng hài.
Hình 1.2. Dạng sóng điện áp và dòng điện đầu vào của pha A của UPS 12 xung được mô phỏng bằng máy tính.
2. Phân tích dữ liệu đo được.
Phép tính trên là trạng thái lý tưởng, bỏ qua nhiều yếu tố như quá trình chuyển mạch, dao động dòng điện phía DC, góc trễ kích hoạt, điện kháng phía AC, v.v. Do đó, có một số khác biệt giữa giá trị đo được và giá trị tính toán. Bảng tính toán hài lý thuyết:
| Số hài hòa | Thứ 5 | Thứ 7 | Thứ 11 | Thứ 13 | Ngày 17 | Ngày 19 | Ngày 23 |
| 6. Nội dung hài hòa của xung. | 20% | 14% | 9% | 8% | 6% | 5% | 4% |
| 12 Nội dung hài hòa xung | 0% | 0% | 9% | 8% | 0% | 0% | 4% |
Mẫu bảng dữ liệu đo sóng hài của UPS công suất cao:
| Tần số hài hòa | Thứ 5 | Thứ 7 | Thứ 11 | Thứ 13 | Ngày 17 | Ngày 19 | Ngày 23 |
| 6. Nội dung hài hòa của xung. | 32% | 3% | 8% | 3% | 4% | 2% | 2% |
| 12 Nội dung hài hòa xung | 1% | 1% | 9% | 4% | 1% | 1% | 2% |
Từ hai bảng trên, có thể thấy rằng hàm lượng hài của bộ chỉnh lưu 6 xung lên đến 5 hài, và cường độ của bộ chỉnh lưu 12 xung lên đến 11 hài, phù hợp với kết quả tính toán lý thuyết. Giá trị đo được của hài bậc 5 của bộ chỉnh lưu 6 xung lớn hơn giá trị tính toán, và giá trị đo được của hài bậc 11 của bộ chỉnh lưu 12 xung bằng với giá trị tính toán.
Thứ ba, phân tích hài hòa và các biện pháp cải thiện.
Sóng hài có thể gây ra hiện tượng nóng lên cáp phân phối, máy biến áp, làm giảm chất lượng cuộc gọi, gây trục trặc hoạt động của công tắc không khí, gây tăng áp đột ngột máy phát điện và các hậu quả bất lợi khác; Sóng hài được chia thành chuỗi + (3k+1 lần, k là 0 và là số nguyên dương), chuỗi - (3k+2 lần, k là 0 và là số nguyên dương), chuỗi 0 (3k lần, k là số nguyên dương).
Dòng điện thứ tự dương (+) làm tổn thất nặng hơn, dòng điện thứ tự âm (-) làm động cơ đảo chiều và nóng lên, còn dòng điện thứ tự âm (0) làm dòng điện ở đường tâm tăng bất thường.
Từ giá trị đo được có thể thấy, bộ chỉnh lưu 6 xung có 5 sóng hài bậc cao nhất, có thể lắp đặt 5 bộ lọc để triệt tiêu sóng hài; bộ chỉnh lưu 12 xung có 11 sóng hài bậc cao nhất, và có thể thêm 11 bộ lọc để triệt tiêu sóng hài. Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc như sau:
Bảng so sánh hài hòa của một loại UPS công suất cao sau khi lắp đặt bộ lọc như sau:
| Tần số hài hòa | Thứ 3 | Thứ 5 | Thứ 7 | Thứ 11 | Thứ 13 | Ngày 17 | Ngày 19 | Tổng cộng |
| Yêu cầu về chỉ báo IEC6000-3-4 | 21,6% | 10,7% | 7,2% | 3,1% | 2% | 1,2% | 1,1% | 25% |
| 6. Nội dung hài hòa của xung. | 32% | 3% | 8% | 3% | 4% | 2% | > 30% | |
| Bộ chỉnh lưu 6 xung + bộ lọc thông 5 | 2% | 1% | 7% | 2% | 3% | 2% | 9% | |
| 12 Nội dung hài hòa xung | 1% | 1% | 9% | 4% | 1% | 1% | 10% | |
| Bộ chỉnh lưu 12 xung + bộ lọc thông 11. | 1% | 1% | 3% | 2% | 1% | 1% | 4,5% |
Như bảng trên cho thấy, việc bổ sung bộ lọc có tác dụng rất rõ rệt trong việc triệt tiêu sóng hài.
Đặc biệt, cần lưu ý rằng: Cấu hình bộ lọc hài bậc 5 + 6 xung có thể đáp ứng yêu cầu về hài khoảng 9%, nhưng do điện dung của bộ lọc hài bậc 5 (250Hz) lớn hơn, khi tải UPS nhẹ (<15% tải định mức), dòng điện đầu vào của bộ chỉnh lưu sẽ vượt trước điện áp đầu vào. Nếu cuộn dây kích thích của máy phát tự kích thích, dễ tạo ra hiệu ứng phản hồi dương ở phần ứng, điện áp đầu ra của máy phát sẽ tăng bất thường, dẫn đến máy phát chuyển sang trạng thái bảo vệ và dừng hoạt động. Do đó, không nên sử dụng phương án lọc hài bậc 5 + 6 xung khi tải UPS nhẹ. Khi tải thực tế nhẹ, có thể loại bỏ bộ lọc hài bậc 5 khỏi bộ chỉnh lưu.
Bộ chỉnh lưu 12 xung đơn cũng có thể đạt được chỉ số hài dòng điện khoảng 10%, nhưng không có mạch LC tụ điện lớn để tránh hiệu ứng phản hồi tích cực với kích thích máy phát.
Chỉ số hài hiện tại nhỏ hơn 4,5% có thể đạt được bằng cách sử dụng bộ chỉnh lưu 12 xung + thiết bị tạo hài 11 xung. Hàm lượng hài đơn và tổng hài đáp ứng các yêu cầu về chỉ số của IEC61000-3-4.
Bảng 1: Nhập dữ liệu về hàm lượng sóng hài hiện tại dưới các điều kiện tải khác nhau
| Nhập tổng nội dung hài hòa | Không tải | Tải trọng 25% | Tải trọng 50% | >75% tải |
| 6 xung | 86% | 65% | 50% | > 30% |
| Bộ lọc thông qua 6 xung + 5 | > 50% | 30% | 15-20% | 10-12% |
| 12 xung | 20% | 15% | 12% | 9,5% |
| Bộ lọc 12 xung + 11 lần lọc | 12 ~ 15% | 8 ~ 12% | 5 ~ 8% | 4,5% |
Bảng 2: Bảng tổng hàm lượng sóng hài của dòng điện đầu vào của bộ lưu điện UPS 400KVA 12 xung + 11 tầng lọc của một model nhất định
Tỷ lệ tải | Thành phần hài hòa của pin THDI% | Tổng giá trị tuyệt đối của dòng điện hài hòa |
| 100% | 4,5% | 33A |
| 75% | 5% | 28A |
| 50% | 8% | 29A |
| 40% | 10% | 29A |
| 30% | 12% | 27A |
Chính giá trị tuyệt đối của dòng điện hài ảnh hưởng đến lưới điện, chứ không phải tỷ lệ phần trăm của dòng điện hài. Như bảng trên cho thấy, giá trị tuyệt đối của dòng điện hài lớn nhất ở tải đầy đủ; trong trường hợp tải một nửa và tải nhẹ, giá trị tuyệt đối của dòng điện hài không vượt quá 100% giá trị tuyệt đối của dòng điện hài ở tải đầy đủ. Bộ lọc hài 12 xung + 11 xung có tác động tối thiểu đến tổng hài của dòng điện đầu vào, đồng thời có thể tránh được nhược điểm "bù sai số" của bộ lọc chủ động, hiệu suất hệ thống thấp, vì bộ lọc hài 12 xung + 11 xung gây ô nhiễm lưới điện thấp nhất, thích hợp sử dụng trong các trường hợp yêu cầu độ tin cậy cao.
Thứ tư, so sánh hiệu năng:
| Dự án | Bộ chỉnh lưu 6 xung + bộ lọc thông 5 | Bộ chỉnh lưu 12 xung + bộ lọc 11 độ | Ưu điểm kỹ thuật của bộ chỉnh lưu 12 xung + bộ lọc 11 thông |
| 1. Thành phần sóng hài của dòng điện đầu vào phát ra lưới điện. | く10% | く4,5% | Việc đưa tải bộ lọc chỉnh lưu vào lưới điện sẽ gây ra hiện tượng "ô nhiễm" lưới điện, dẫn đến lượng lớn dòng điện hài bậc cao chảy qua toàn bộ hệ thống cung cấp điện. Vì lý do này, nó sẽ gây ra hiện tượng quá tải dòng điện ở pha giữa và làm động cơ quá nhiệt. Để giải quyết các vấn đề trên, nên sử dụng bộ chỉnh lưu 12 xung và bộ lọc hài 11 xung, nhằm đảm bảo chất lượng điện năng cung cấp cho lưới điện của người dùng đạt tiêu chuẩn "điện xanh". |
| 2. Mức tiêu thụ năng lượng | Lớn hơn | Nhỏ hơn | Dòng điện đầu vào được phát ra lưới điện có thành phần sóng hài nhỏ. Sóng hài bậc cao sẽ gây tổn thất nhiệt trên máy biến áp và cáp nguồn đầu vào, dẫn đến lãng phí năng lượng. |
| 3. Máy phát điện bị hỏng | dễ | Sẽ không | Hiệu ứng phản hồi tích cực của cuộn dây kích từ được tránh. |
| 4. Gây ra lỗi vận hành công tắc | dễ | Không dễ | |
| 5. Bộ phận đầu vào của UPS cần có công suất máy phát điện. | Kích thước lớn, gấp 1,6 đến 2 lần công suất của máy phát điện. | Nhỏ hơn, với công suất gấp 1,5 đến 1,8 lần so với cấu hình máy phát điện. | 6. Bộ lưu điện UPS chỉnh lưu xung cần công suất lớn hơn 1,8 lần so với động cơ dầu. 12 bộ chỉnh lưu xung chỉ cần công suất gấp 1,5 lần so với động cơ dầu. |
| 6. Công tắc đầu vào UPS, cấu hình dung lượng cáp | Thêm vào | Không tăng | Do dòng điện đỉnh lớn ở đầu vào bộ chỉnh lưu 6 xung, các máy biến áp, cầu dao, cáp, v.v., cần phải được giảm công suất, dẫn đến chi phí đầu tư tăng lên. |
| 7. Điện áp gợn sóng đầu ra của bộ chỉnh lưu | Lớn hơn | Giảm 50% | Độ gợn sóng của điện áp DC đầu ra của bộ chỉnh lưu 12 xung chỉ bằng 50% so với bộ chỉnh lưu 6 xung, điều này giúp giảm đáng kể hiệu ứng gợn sóng của pin khi sạc và có thể kéo dài tuổi thọ pin một cách hiệu quả. |
Như bảng trên cho thấy, bộ chỉnh lưu 12 xung vượt trội hơn bộ chỉnh lưu 6 xung ở nhiều chỉ số hiệu năng. Công nghệ chỉnh lưu 12 xung ra đời từ những năm 1970, sau quá trình cải tiến liên tục, đã dần trở thành công nghệ được ưa chuộng trong lĩnh vực chỉnh lưu công suất cao.
Cuối cùng, như đã đề cập ở trên, trong trường hợp có đủ vốn đầu tư, hãy cố gắng lựa chọn cấu hình chỉnh lưu 12 xung và lọc 11 xung. Cấu hình này đáp ứng yêu cầu về thành phần hài hòa dòng điện đầu vào loại I của tiêu chuẩn ngành cung cấp điện thuộc Bộ Công nghiệp Thông tin (YD/T1095-2000) và yêu cầu chỉ số IEC61000-3-4 của Ủy ban Kỹ thuật Điện quốc tế.
Số 220 đường Huayuan Thành phố Tế Nam Trung Quốc