十二脉波整流器与有源滤波在UPS中的应用

摘要：文中介绍了12脉波整流器在UPS中应用的一些缺点以及将有源滤波器应用于UPS的优点。

关键词：12脉波，有源滤波器，不停电电源（UPS）

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：

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：

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

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。

图5 去掉Δ/Δ变压器加装11次谐波无源滤波器的12脉波整流电路

大功率UPS用12 脉波整流器，是把两个6脉波整流器按照相同的极性并联在一起共同向逆变器供电的。由于它们之间的相位相差30°，所以它们的直流输出电压的相位差在并联时就会出现交流环流，为了这个环流，就需要在它们之间加装平衡电抗器，如图5中的Ld。瞬时线电压高的整流器工作在整流输出状态，瞬时线电压低的整流器则受反偏压阻断。经过30°两个整流器的状态互换，轮流交替输出30°，每只晶闸管只能导通30°，一个周期导通两次，共导通60°，是6脉波整流器正常导通时间120°的一半。为了使它们不交替工作，也需要加装平衡电抗器Ld。两个整流器并联后的输出电压瞬时值ud等于整流器No. 1的输出电压均ud1和整流No.2的输出电压物的平均值，即：

平衡电抗器的加入，对提高12脉波整流器的输入功率数，也有正面作用。

5 用平衡电抗降低输入电流谐波

采用平衡电抗降低翰人电流谐波的电路如图6 所示。在电抗器上设置次级绕组，用来控制整流器输人电流的波形。

在图6中虚线框内的部分为新加的电路。在平衡电抗器次级绕组中感应的电压，经整流后得到直流电压娜被串联到整流器原来的直流输出电压上。

平衡电抗器的次级绕组接到由晶闸管Tm1、Tm2和二极管Dm1、Dm2组成的半控桥式整流器上，其控制角为β，整流器1和2之间的直流电压相位差为30°，它们的控制角为α。电路的工作是根据整流器1和2的控制角α及半控整流器的控制角β划分区域。下面对作为主要工作区域的区域1(15°≦α≦90°，0≦β≦30°)进行介绍。区域1各部分的电压和电流波形如图7所示。

图6 用平衡电抗器进一步降低输入电流的谐波

在图7(a)中，(a1)所示为整流器1、2 的输出电压，控制角α按照通常的取法。(a2)所示为平衡电抗器电压um的波形，半控整流器的控制角β以图示um的零点作基准。(a3 )所示为直流输出电压，区间A 是半控整流器两个二极管Dm1、Dm2导通时的状态，区间B、C是一个晶闸管Tm1(或Tm2)，和一个二极管Dm1(或者Dm2)导通时的状态。(a4 )~ (a6)所示为整流器1的输人电流波形。

图7 区域1中的工作波形

市电交流输人电流的波形如图7(b) 所示。在没有平衡电抗器次级绕组时，各电流下标附有“0”，其ia10、ic10、ia20如图(b2) ~(b4)所示。此时合成的市电翰人交流电流ia0如图(b5)所示。在有平衡电抗器次级绕组时，为了抵消次级磁通势的电流分量流入整流器1和2，因此从交流市电输入侧流人的电流im如图7(b)中的(b6)所示，从而市电输人交流电流为ia0+ im =ia，ia的波形如图7(b)中的(b7)所示。

此电路的市电输人交流电流，受平衡电抗器初次级之间的匝数比am以及半控整流器的控制角β的影响很大。在am和β选择最佳的情况下(am=0.4，β=15°)，市电交流输入电流的谐波及直流输出电压的脉动，与24 脉波整流器几乎相同，可以消除23 次以下的所有谐波。

6 电力有源滤波器在UPS中的应用

采用12 脉波整流方式减少市电输人电流中谐波的方法有一个很明显的缺点，那就是必须要用变换相数的工频变压器。大功率的工频输人变压器是引起UPS体积重量增大、成本升高、效率降低的主要原因。采用6脉波整流与电力有源滤波器滤波就可以保证不用大功率输入工频变压器而使市电输入电流中的谐波达标。此外新的谐波标准IEC61000-3-4的出现，原有的12 脉波整流器已经不再能满足新标准的基本要求，这也促进了电力有源滤波器在UPS中应用的进程。

UPS 用电力有源滤波器，采用的是电力有源滤波器与LC无源滤波器混合应用的方式，这样做是为了减少有源滤波器的容量和降低成本。LC无源滤波器的优点是结构简单、容易实现、成本低廉，而有源滤波器的优点是滤波性能好。两者结合混合应用既可以减少有源滤波器的容量，降低成本，又可以取得良好的滤波性能。

图8 所示为串联电力有源滤波器与LC 无源滤波器混合应用的一种方式。LC无源滤波器与UPS 并联，它包含了多个单调谐无源滤波器及高通滤波器，承担着绝大部分滤波与无功补偿任务。在市电与LC无源滤波器之间串联连接的有源滤波器，只用来改善LC无源滤波器的特性，并相当于一个可变阻抗，对基波呈现零阻抗，对谐波呈现高阻抗，以阻止谐波电流流入市电电源，迫使谐波电流流入LC无源滤波器。即电力有源滤波器起到了谐波隔离器的作用。

图9所示为并联有源滤波器与LC无源滤波器混合应用的一种方式。谐波与无功功率主要由LC 无源滤波器承担，有源滤波器的作用主要是改善LC 无源滤波器的特性，克服LC无源滤波器所受市电电源阻抗的影响，及阻止与市电阻抗产生谐振。由于有源滤波器不承受市电的基波电压，因此容量大大减小。

图8 串联有源滤波器与LC无源滤波器的混合应用

图9 并联有源滤波器与LC无源滤波器串联混合应用

电力有源滤波器与UPS的连接方式如图10 所示。整流器采用的是电容滤波的三相桥式6 脉波整流器，它是具有电压源性质的谐波源。整流器的市电输人电流波形如图10的下部所示，它包括有5，7，11，13，17，19，…多种奇次谐波。有源滤波器必须将这些谐波电流中的绝大部分滤除掉，以使市电输入功率因数接近于1。

6.1采用图8所示的电力有源滤波器

采用图8 所示电力有源滤波器的UPS 输人电路如图11所示。由于UPS的6脉波整流器是电容滤波，是具有电压源性质的谐波源，故采用串联有源滤波器与以LC源滤波器混合虑波方式是比较合适的。串联有源滤波器相当于一个谐波阻隔器，将市电的谐波电压与UPS隔开，同时还能阻止6 脉波整流器引起的谐波电流流向市电电源。此外还改善了仪二无源滤波器的性能，从而可以避免与市电电源阻抗可能形成的“谐波放大现象”。

LC无源滤波器与UPS 整流器并联，它的组成包括5次、7次(也可加人11次、13 次)及高通滤波器，其参数如表2所示。UPS的容量为20 kV•A，串联有源滤波器的容量为0.45 kV•A，由于容量很小，故串联有源滤波器可以采用功率MOSFET作开关管。

表2  LC无源滤波器参数

图10 有源滤波器与UPS的连接方式

对于图11所示电路进行试验，得到了图12~14所示的波形。试验采用100kV•A的柴油发电机组作电源。图12表示，若串联有源滤波器不起动，源侧电流中含有谐波成分，当串联有源滤波器起动并投入运行时，源侧电流变成为正弦波。图13是考虑源侧电压带有谐波的试验波形。当串联有源滤波器起动并投人工作时，整流器输人电压不含谐波成分，且源侧电流为正弦波，同时避免了4次谐波放大现象。图14 是在下列条件下进行试验得到的波形，柴油发电机组只向UPS供电，源侧电压含有1%的谐波。试验表明串联有源滤波器不起动时，源侧电流含有10 %的谐波成分，当串联有源池波器起动投人工作时，源侧电流变成为正弦波，无源滤波器的端电压波形也是正弦波，因此流入无源滤波器的电流波形自然也是正弦波。

图11  采用图8所示的电力有源滤波器的UPS输入电路

图12 非线性整流器负载时的试验波形  图13 机组电压含有谐波时的试验波形

  图14 机组电压含有1%谐波时的试验波形（UPS空载）

6.2 采用图9所示电力有源滤波器

采用图9 所示并联有源滤波器的UPS输人电路如图15 所示。虚线的上部为主电路，虚线的下部为控制电路，LC 无源滤波器包括有5次、7 次及高通滤波器，其参数与表2相同。有源滤波器的主电路是高频PWM逆变器，容量为0.5kV•A，其直流侧电容Cd为1200μF，开关器件为功率MOSFET，逆变器输出滤波器LR=10mH，CR=0.1μF，用来滤除逆变器输出的高次谐波，三个电流互感器的变比为1：10，这是为了使有源部分的电压电流等级与无源部分相匹配。滤波与对无功功率的补偿效果与图11所示的电路基本相同。

图15 采用图9所示电力有源滤波器的UPS输入电路

7 结语

(l)12脉波整流器是大功率UPS常用的一种整流器，它具有输出直流电压纹波小，输人电流谐波含量小，输人功率因数高的优点，因此得到了普遍应用，本文对此进行了详细介绍。

(2)新谐波标准正IEC61000-3-4的出现，对谐波的要求提高了，12 脉波整流器的1 次、13 次谐波较高的缺点将影响它的应用，即使加人n 次滤波也不能彻底满足要求，需要进一步改进。采用平衡电抗器次级绕组减少输人电流谐波是一种较好的方法。

(3)采用有源滤波器减少输人电流谐波是一个发展方向，由图16 所示的比较图可知，它对谐波抑制的效果最好，目前有远见的厂家已经开始对其进行研究和应用。