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山特UPS电源整流方式的比较与选择

目前,电能质量主要存在以下一系列问题:谐波失真、停电、过(欠)压、电压骤降、暂态、浪涌等,这些问题的产生一方面来自电网等基础设施的共享。其中一个故障影响到电网中的其他用户,另一方面,来自电气设备本身。目前,由于开关电源装置在设备中的广泛应用,负载电流波形严重失真,呈现非正弦波形。此外,供电线路中还有一定的阻抗。电流波形会使电压波形发生畸变,严重污染上级电网。有鉴于此,电能质量问题已成为电力工作者面临的难题。

1山特UPS电源产生的谐波

1.1谐波概念及危害

在理想的电力系统中,电压和电流波形都是平滑的正弦波,但实际上,当电气设备是非线性负载时,如:开关电源、电子镇流器、变速箱、桑塔克UPS电源等,电流波形都会呈现非正弦波。频率为基本电源频率整数倍的电压或电流称为谐波。波形的傅里叶级数展开表明,任何周期性波形都可以分解为一个基频正弦波和一个多谐波正弦波。对于对称波形,所有偶数谐波均为零。

谐波危害可分为谐波电流危害和谐波电压危害。谐波电流造成的危害包括:中性线上叠加3N谐波电流,造成配电电缆降额使用,变压器损耗增大,谐波引起断路器误跳闸;谐波电压的危害主要包括电压畸变影响电子设备的正常运行和过零噪声。

  1.2山特UPS电源谐波产生机理

电力电子器件的原始波形几乎都是非正弦的,而且都含有谐波成分。桑塔克UPS电源就是其中之一。桑塔克UPS电源的整流方式是产生谐波的重要原因。在理想条件下,将交流电源视为三相对称工频正弦波电压,忽略电源本身的谐波,不考虑脉冲桥式整流电路换相重叠角的影响。该方法忽略了直流回路电流纹波的影响,假设脉冲对称,导通角为零,实现了电路触发α 是平等的。在上述理想条件下,当器件处于稳定工作状态时,用开关函数法将所分析的波形表示为一系列已知波形和开关函数乘积之和。知道将波形和开关函数展开为级数形式,然后对乘积和进行排序和简化,最后将分析的波形表示为级数形式,以讨论谐波的阶次和含量。

1.3山特UPS电源整流产生的谐波特性

山特UPS电源整流产生的谐波可分为整流后的直流电压谐波和电源侧电流谐波。对于多脉冲整流电路,可以得出以下结论:

对于直流侧电压:

(1) 电路中脉冲总数越多,消除直流侧电压波形中的谐波越多,直流侧电压波形越好;

(2) 系统直流侧电压中出现的谐波频率是电压脉冲数的整数倍,谐波阶数n=pm。例如,在6脉冲电路中,电压谐波频率是输入频率的6倍;

(3) 谐波阶数越低,谐波幅值越大。

对于交流侧电流:

(1) 对于理想的p脉冲整流器,交流侧只有以下谐波电流:n=Pm±1,其中m=1,2,3,。。。。各谐波电流分量的幅值为基波电流的l/n。例如,对于一个6脉冲整流装置,只有5,7,11,13,17,19。。。线路电流中的其他奇次谐波,第5次和第7次谐波的幅值分别为基波电流的1/5和1/7; 对于一个12脉冲装置,只有11,13,23,25。。。以及线路电流中的其他奇次谐波,其幅值也明显降低;

(2) 提高整流器的脉冲数p对降低交直流两侧的谐波分量有决定性的影响。因此,形成具有最大可能脉冲数的系统是整流装置降低交直流两侧谐波电流和电压的基本措施。

本文主要对桑塔克UPS电源整流产生的电源侧电流谐波进行了分析和研究。

2山特UPS电源整流滤波方式与谐波抑制的关系

2.1信息中心大功率Shante UPS电源分类

国家气象信息中心共有12台大功率桑塔克UPS电源,几乎涵盖了目前市场上各类大功率桑塔克UPS电源。根据整流滤波方法的不同,可分为以下几种,如表1所示。

整流装置,整流方式,隔离变压器,输入滤波方式,典型山特UPS电源

晶闸管(SVR)6脉冲无120kVAA牌桑塔克UPS电源120kVAB牌桑塔克UPS电源250kVAA牌桑塔克UPS电源

有源滤波器+无源滤波器300kVAA牌桑塔克UPS电源

12脉冲30° 移相变压器第11谐波滤波器300kVAC牌山特UPS电源

一次侧:三角形二次侧:星形+三角形第11谐波滤波器第13谐波滤波器625kVAD品牌山特UPS电源

IGBTPWM无120kVAE牌桑塔克UPS电源

2.2 6脉波无输入隔离变压器和输入滤波Shante UPS电源的谐波分析

以250kVAA牌桑塔克UPS电源为代表的6脉冲晶闸管整流桑塔克UPS电源,没有输入隔离变压器和输入滤波器。利用FLUKEF434电能质量分析仪检测出桑塔克UPS电源的谐波频谱分析图和电流波形,如图2所示。从图中可以看出,输入电流波形严重失真。A相输入电流的总谐波畸变率达到45.3%,其中5次谐波占很大比例。A相约为41.5%,7次谐波约为13.9%,与上述桑塔克UPS电源6脉冲整流产生的谐波特征一致,输入功率因数PF(0.79)与基波功率(位移)功率因数COS之比φ (0.86)更大,即电流失真因数ζ( 0.92)与1的偏差较大,表明输入电流的失真更严重。另外,当电流波形为非正弦时,畸变功率D,即谐波电流产生的无功功率不能忽略。

2.3含移相隔离变压器和输入滤波器的12脉波UPS电源的谐波分析

对于三角形绕组的变压器,3N次谐波都是同相的。因此,3N谐波电流在绕组中循环,不会扩散到电网。输入隔离变压器对电流谐波有一定的抑制作用。信息中心的两台30OkVAC牌桑塔克UPS电源在原有6脉波整流器的基础上,在输入端增加移相变压器后,增加一套6脉波整流器,使直流母线电流由12个晶闸管整流,大大降低了桑塔克UPS电源的输入谐波电流。另外,C牌桑塔克UPS电源还安装了吸收11次谐波的输入滤波器,即将LC串联谐振电路的谐振点调整为55OHz,使整流电路产生的11次谐波大部分流入LC串联谐振电路,将流入电网谐波回路的电流抑制在允许值以内。为了提高电能质量检测数据参考的准确性,将中心所有并联冗余的Santak-UPS电源切换为单个Santak-UPS电源。这样就提高了单台桑塔克UPS电源的负荷率,并全部参与比较。采用几种整流滤波方法的Sande-UPS电源负载率均在45%~65%之间,比较数据受负载率影响较小,更具参考价值和可信度。通过电能质量分析可知(见图3):30OkVAC山特UPS电源输入总谐波畸变较小,最高相位仅为5.2%,谐波主要为第7次谐波,谐波含量较小。输入功率因数不高(只有0.89),基波功率因数COSφ(0.89)等于总输入功率因数,表明电流失真非常小。

2.4含输入隔离变压器和输入滤波器的12脉波UPS电源的谐波分析

D晶牌山特UPS电源采用12脉冲晶闸管全桥整流电路。两个整流器与输入端隔离。一次侧为三角形连接,二次侧整流器A为三角形连接,整流器B为星形连接。山特UPS电源安装有智能输入滤波器,可根据负载情况决定是否使用部分滤波电容。对于采用12脉冲整流的Shante-UPS电源,输入电流的谐波主要是第11次和第13次谐波,因此Shante-UPS电源滤波器的设计主要是吸收第11次和第13次谐波。从电能质量分析图(见图4)可以看出,对11、13次谐波的滤波效果非常好。波形含量仅为0.3%和0.4%,总电流谐波失真度也在5.2%以内。电流呈良好的正弦波形,输入功率因数高达0.94。D牌桑塔克UPS电源采用的智能输入滤波器,能有效净化市电电网中可能对桑塔克UPS电源造成危害的脉冲、浪涌电压、峰值电压、高频电磁波*等,也能减少电源造成的危害。整流器产生的电流谐波污染了电网,提高了输入功率因数。

2.5无输入隔离变压器和输入滤波器的Shante-UPS电源脉宽调制整流的谐波分析

脉冲整流器是一种利用脉宽调制(PWM)工作的整流器。与相控整流器相比,它具有功率因数高、谐波含量低、交流侧电流接近正弦、整流器动态响应快等优点。国家气象信息中心12OkVAE牌桑塔克UPS电源是桑塔克UPS电源采用IGBT PWM整流方式。从电能质量分析图(见图5)可以得出结论,在62.2%的负载率下,总输入电流为62.2%。谐波失真在10.9%以内,主要是5次谐波和7次谐波。电流波形接近正弦波,但并不平滑。功率因数很高(0.94),符合PWM整流的特点。但是,经过分析比较,可以看出PWM整流产生的总谐波失真大于12脉冲相控整流,这与传统的认为PWM整流具有;最低谐波含量;特点。

2.6有源+无源输入滤波器6脉冲UPS电源的谐波分析

300kVAA牌桑塔克UPS电源采用6脉冲整流,无输入隔离变压器,并配备有源滤波器和无源滤波器的混合滤波器(THM)作为抑制谐波的措施。有源滤波器的基本原理是:通过检测补偿对象的电流i1,由补偿电流检测电路计算补偿电流的指令信号ic*,该信号作为补偿电流的参考值,通过补偿电流产生电路得到补偿电流ic的实际值,补偿电流ic在补偿电流和负载电流之间,被补偿的谐波和无功电流被抵消(ic=ih),最终得到期望的功率电流(is=if)。300kVAA品牌桑塔克UPS电源采用混合滤波器(THM)。当谐波含量较大时,有源滤波器自动接通,当谐波含量较小时,采用LC无源滤波器。图6和图7是混合滤波器的原理图和300kVAA牌桑塔克UPS电源的THM图。图8和图9是在混合滤波器THM的后端和前端检测到的电能质量分析图。比较两张图片。可以看出,在混合滤波器后端测量的效果相当于直接测量6脉冲可控硅整流器产生的谐波。观察其波形,发现其与250kVAA牌桑塔克UPS电源的输入波形非常相似。另外,输入总谐波电流畸变很大,最高相位达到47.6%,特别是5次谐波(43.6%)、7次谐波(17.2%),输入功率因数很低。只有0.77。对比混合滤波器前端的检测数据可以看出,输入电流波形呈现平滑完整的正弦波,输入总谐波失真度在4.4%以内,三次谐波含量稍大(3.6%),剩余谐波含量均较小。有源滤波器的谐波抑制过程可以理解为:有源滤波器产生以下波形电流,即整流器所需波形的电流减去电网波形电流,简言之,有源滤波器提供的是谐波电,而不是电网提供的。然而,由于有源滤波器本身不能产生任何电能,必须通过消耗电网的电能来进行谐波补偿。因此,有源滤波器与Shante-UPS电源配合使用时存在效率低的缺点。

3比较总结了输入功率因数对总谐波畸变的整流和滤波方法的优缺点

6脉波晶闸管整流器体积大,谐波失真严重

12脉冲可控硅整流器+30°移相变压器+11次谐波滤波器较小,高次谐波抑制效果较好,移相变压器谐波抑制效果不如输入隔离变压器

12脉波可控硅整流器+输入隔离变压器+11次谐波滤波器+13次谐波滤波器非常小且最高(1)输入总谐波失真非常低(2)高功率因数(3)高可靠性和技术成熟(4)成本相对较低且体积较大

IGBTPWM整流电路体积小、电压低(1)对谐波有一定的抑制作用(2)功率因数高(仅在高负载率的情况下),目前无法生产大功率IGBT整流器

6脉波晶闸管整流+混合滤波器具有最小的低次谐波抑制效果很好,输入总谐波失真很低(1)存在补偿错误的问题(2)可靠性不高(3)系统效率低(4)成本高

例如,对于类似国家气象信息中心的现场环境,以大型机房为主要负荷,选用12脉冲晶闸管整流方式,配11、13次谐波滤波器或IGBTPWM整流方式和6脉冲晶闸管整流方式。三种形式的混合滤波器对谐波有较好的抑制效果。但是,如果负载效率低,可以排除IGBTPWM整流方法,因为负载率低时功率因数也低。信息中心机房负荷大,必须考虑能耗。因此,综合考虑诸多因素,目前比较适合采用12脉波晶闸管整流方式和11、13次谐波滤波器的形式。在抑制和提高功率因数方面具有一定的优势。

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