- หน้าแรก
- คลังความรู้
- อนุกรมฟูเรียร์
- เรกติไฟเออร์
// บทที่ 14.9 · อนุกรมฟูเรียร์ · Rectifier Harmonics
ฮาร์มอนิกของวงจรเรียงกระแส: 1 เฟส 3 เฟส 6 พัลส์ 12 พัลส์ และตัวเก็บประจุ
วงจรเรียงกระแสเป็นแหล่งกำเนิดฮาร์มอนิกอันดับหนึ่งของระบบไฟฟ้า อยู่หน้าไดรฟ์ทุกตัว UPS เครื่องชาร์จ และแหล่งจ่ายไฟทุกชนิด วงจรเดียวมีสองด้านให้วิเคราะห์ ด้าน DC ที่อยากได้ DC เรียบ และด้าน AC ที่การไฟฟ้าเห็นกระแสเพี้ยน อนุกรมฟูเรียร์ตอบได้ทั้งสองด้านและบอกวิธีลดฮาร์มอนิกด้วยการเพิ่มจำนวนพัลส์
- p พัลส์: ด้าน AC มี ด้าน DC มี · ขนาดอุดมคติ
- 6 พัลส์: , , , THD 31 %
- ไทริสเตอร์: , DPF ≈ · ช่วงทับซ้อน μ ลดฮาร์มอนิกสูง
- มีตัวเก็บประจุ DC (SMPS, VFD): พัลส์แคบ THD 80–150 % แก้ด้วยรีแอกเตอร์/โช้ก
บริดจ์ 1 เฟส: ด้าน DC และด้าน AC พื้นฐาน
ถ้าด้าน DC มีตัวเหนี่ยวนำใหญ่จนกระแส แทบเรียบ ไดโอดสองคู่สลับกันนำทุกครึ่งคาบ กระแสด้าน AC จึงเป็นสี่เหลี่ยม ในเฟสเดียวกับแรงดัน ส่วนแรงดันด้าน DC คือไซน์เรียงกระแสเต็มคลื่น
R1 Single-phase bridge, DC side ด้าน DC
อนุกรมเต็มคือ W8 ฮาร์มอนิกที่ 2 (100 Hz) ใหญ่ที่สุด ขนาด ใช้ออกแบบฟิลเตอร์ A-3
R2 Single-phase bridge, AC current ด้าน AC (Id เรียบ)
สี่เหลี่ยม (W1) THD 48.3 % · DPF = 1 · PF = 0.900 · มีฮาร์มอนิกที่ 3 ซึ่งไปบวกในนิวทรัล
R3 Commutation overlap (single phase) ช่วงทับซ้อนเพราะอิมพีแดนซ์สาย
กระแสสายเปลี่ยนจาก เป็น ไม่ได้ทันที เพราะ ขอบสี่เหลี่ยมกลายเป็นช่วงโค้งกว้าง μ ฮาร์มอนิกสูงจึงลดลง (ความเรียบ P8)
บริดจ์ 1 เฟส 230 V มีโช้ก DC ใหญ่ = 10 A หากระแสสาย RMS ฮาร์มอนิก 1, 3, 5, 7 และ PF
10 A RMS, หลัก 9.0 A, ฮาร์มอนิก 3.0 / 1.8 / 1.3 A, PF 0.90 · ฮาร์มอนิกที่ 3 ขนาด 1/3 ของหลัก ถ้ามีหลายเครื่องในสามเฟสจะบวกกันในนิวทรัล
บริดจ์ + ตัวเก็บประจุ: SMPS, LED และไดรฟ์ VFD กลาง
อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เกือบทั้งหมดไม่มีโช้ก ใช้ตัวเก็บประจุใหญ่หลังบริดจ์ ตัวเก็บประจุชาร์จเฉพาะตอนแรงดันไฟสูงกว่าแรงดันของมัน ซึ่งเกิดช่วงสั้น ๆ ก่อนยอดแรงดัน กระแสจึงเป็นพัลส์แคบสูง (รูปใน W17)
R4 Ripple of a capacitor-input bridge แรงดันริปเปิล (ประมาณ)
ตัวเก็บประจุจ่ายโหลดเกือบทั้งครึ่งคาบ (1/2f) แล้วถูกชาร์จคืนในพัลส์สั้น ๆ ดูสูตรเดียวกันที่แล็บ FG X2
R5 Conduction angle & peak current มุมนำกระแสและกระแสยอด (อิมพีแดนซ์สายเป็นศูนย์)
ประจุที่ใช้ไปครึ่งคาบต้องเติมคืนในเวลา (พัลส์สามเหลี่ยม) เป็นค่าบนสุด อิมพีแดนซ์สาย NTC และไดโอดทำให้พัลส์กว้างและเตี้ยลงจริง
SMPS 300 W จากไฟ 230 V แรงดัน DC ราว 300 V ( = 1.0 A) ตัวเก็บประจุ 220 µF ประมาณริปเปิล มุมนำกระแส และกระแสยอด
กระแสเป็นพัลส์กว้างราว 17 % ของครึ่งคาบ ยอดหลายแอมแปร์ทั้งที่กระแสเฉลี่ยแค่ 1 A แล็บที่คิดอิมพีแดนซ์ปลั๊ก 0.35 Ω และความต้านทานภายในได้ยอดราว 7 A, THD 134 %, PF 0.59, crest factor 3.0 · เลือก “SMPS 300 W” ในแล็บด้านล่าง
บริดจ์ 3 เฟส 6 พัลส์ และกฎ h = kp ± 1 กลาง
แรงดันด้าน DC ของบริดจ์ 3 เฟสคือยอดของแรงดันไลน์ทั้งหกคู่ที่สลับกันนำ เกิดหกลูกต่อหนึ่งคาบ (p = 6) กระแสแต่ละเฟสนำ 120° บวก แล้วพัก 60° แล้วนำ 120° ลบ ได้รูปที่มีสมมาตรเสี้ยวคลื่นและไม่มีฮาร์มอนิกที่หารด้วย 3 ลงตัว
R6 Characteristic harmonics of a p-pulse converter ฮาร์มอนิกลักษณะเฉพาะ
p = 6: AC 5, 7, 11, 13, 17, 19 · DC 6, 12, 18 (300, 600, 900 Hz) · p = 12: AC 11, 13, 23, 25 · ฮาร์มอนิกอื่นที่วัดได้ (เช่น 3 หรือคู่) เรียก non-characteristic มาจากแรงดันไม่สมดุลหรือการจุดชนวนไม่เท่ากัน
R7 Ideal 6-pulse line current กระแสไลน์อุดมคติ
อนุกรมเต็ม W12 · THD 31.1 % (30.0 % ถ้านับถึง h = 50) · distortion factor 0.955
R8 6-pulse DC voltage & ripple แรงดัน DC และริปเปิล (ไดโอด)
400 V: V ริปเปิลที่ 300 Hz ยอด 30.9 V ที่ 600 Hz 7.6 V เล็กกว่าเรียงกระแส 1 เฟสมาก ไดรฟ์จึงใช้ตัวเก็บประจุ DC ขนาดเล็กกว่าได้
R9 Commutation overlap (3-phase bridge) ช่วงทับซ้อนและแรงดันตก
ขอบของบล็อก 120° กลายเป็นช่วงโค้งกว้าง μ ทำให้ ลดลงชัดเจน แต่ ลดเล็กน้อย เป็นเหตุให้ค่าวัดจริงต่ำกว่า โดยเฉพาะฮาร์มอนิกสูง
บริดจ์ไดโอด 6 พัลส์ 400 V โหลด DC 30 kW (มีโช้ก เรียบ) หา , , , ถึง , แล้วดูผลเมื่อ = 0.3 mH
R8: V → A
R7: A · , , , A · A
มี = 0.3 mH ( = 0.094 Ω) R9: → μ ≈ 11° และ ลดราว 5 V
เมื่อคิดช่วงทับซ้อน (แล็บ): = 19.5 %, = 13.6 %, = 8.0 %, = 6.4 % (อุดมคติ 20, 14.3, 9.1, 7.7 %) THD 26.8 %
43.3 A ฮาร์มอนิกหลัก, 45.3 A RMS · ช่วงทับซ้อนเพียง 11° ลด THD จาก 30 % เป็น 27 % และกดฮาร์มอนิกที่ 13 ลง 17 % · ลองใน “6 พัลส์ 30 kW” ปรับ Isc/IL ในเมนูต้นทาง (ระบบอ่อนลง = Ls มากขึ้น)
ไทริสเตอร์ควบคุมมุม α: แรงดันลดลง DPF ลดตาม กลาง
R10 Phase-controlled bridge บริดจ์ไทริสเตอร์
บล็อกกระแสเลื่อนไปทั้งก้อน α องศา (สเปกตรัมขนาดเท่าเดิม S6) ฮาร์มอนิกหลักจึงล้าหลังแรงดัน α องศา ไดรฟ์ DC และเครื่องชาร์จแบบไทริสเตอร์ที่ทำงานแรงดันต่ำกินกำลังรีแอกทีฟมาก
บริดจ์ไทริสเตอร์ 400 V = 100 A α = 45° (ไม่คิด ) หา , P, , , และ PF
R10: V → P = 382 × 100 = 38.2 kW
A → kVA · kvar
PF = DPF × = 0.707 × (0.780/0.816) = 0.675
P = 38.2 kW, Q₁ = 38.2 kvar (เท่ากับ P), PF 0.675 · ต้องชดเชย Q ด้วยคาปาซิเตอร์ดีจูนหรือฟิลเตอร์จูนที่ให้ kvar ด้วยในตัว ห้ามใช้คาปาซิเตอร์เปล่า (เรโซแนนซ์) ลองในแล็บ “6 พัลส์ไทริสเตอร์ α = 45°”
12 พัลส์ 18 พัลส์: หักล้างฮาร์มอนิกด้วยการเลื่อนเฟส กลาง
ป้อนบริดจ์ 6 พัลส์สองชุดจากหม้อแปลงสองขดที่แรงดันต่างเฟส 30° (Y-Y กับ Y-Δ) เมื่ออ้างกระแสกลับไปด้านปฐมภูมิ ฮาร์มอนิกลำดับบวกหมุน −30° ลำดับลบหมุน +30° ผลลัพธ์ทำให้บางฮาร์มอนิกของสองชุดตรงข้ามกันพอดี
R11 Phase-shift cancellation ทำไม 5 และ 7 หายไป
k คี่ (h = 5, 7, 17, 19) หักล้างกัน k คู่ (11, 13, 23, 25) บวกกัน เหลือ 12k ± 1 · 18 พัลส์ใช้สามชุดเลื่อน 20° เหลือ 18k ± 1 · หักล้างได้ดีเมื่อโหลดสองชุดเท่ากันและอิมพีแดนซ์หม้อแปลงเท่ากัน
R12 Ideal THD vs pulse number THD อุดมคติตามจำนวนพัลส์
p = 6: 31.1 % · 12: 15.2 % · 18: 10.1 % · 24: 7.6 % (นับไม่จำกัด) ค่าจริงต่ำกว่าเพราะช่วงทับซ้อน
เปรียบเทียบเรกติไฟเออร์แต่ละแบบ พื้นฐาน
| ชนิด | ฮาร์มอนิกเด่น | THD กระแส (โดยประมาณ) | PF | ใช้ที่ไหน |
|---|---|---|---|---|
| 1 เฟส + ตัวเก็บประจุ | 3, 5, 7, 9 | 100–150 % | 0.55–0.65 | คอมพิวเตอร์ LED อุปกรณ์เล็ก |
| 1 เฟส + โช้ก | 3, 5, 7 | 48 % (อุดมคติ) | 0.90 | เครื่องชาร์จ ไดรฟ์ DC เล็ก |
| 3 เฟส + ตัวเก็บประจุ (ไม่มีรีแอกเตอร์) | 5, 7 | 80–150 % | 0.55–0.75 | VFD ขนาดเล็ก–กลาง |
| 3 เฟส + ตัวเก็บประจุ + รีแอกเตอร์ 3–5 % | 5, 7 | 30–45 % | 0.90–0.95 | VFD ทั่วไป |
| 6 พัลส์ + โช้ก DC ใหญ่ | 5, 7, 11, 13 | 25–31 % | 0.95 × cos α | ไดรฟ์ DC อิเล็กโทรไลซิส |
| 12 พัลส์ | 11, 13 | 10–15 % | 0.99 × cos α | ไดรฟ์ใหญ่ UPS ใหญ่ |
| 18 พัลส์ | 17, 19 | 5–10 % | ~0.99 | ไดรฟ์ใหญ่ที่ต้องผ่าน IEEE 519 |
| Active Front End / PFC | รอบความถี่สวิตชิ่ง | < 5 % | ~1.0 | ไดรฟ์รุ่นใหม่ เครื่องชาร์จ EV |
แล็บ: วัดกระแสเรกติไฟเออร์ทุกแบบ พื้นฐาน
สลับการทดลองด้วยปุ่มด้านล่าง ดูรูปกระแสบนสโคป สเปกตรัม และตัวเลข THD, PF, DPF บนเครื่องวิเคราะห์ ลองเพิ่มมุม α ของ 6 พัลส์แล้วดู DPF ลดตาม cos α หรือใส่รีแอกเตอร์ให้ VFD แล้วดูพัลส์กว้างขึ้น
คำถามที่พบบ่อย
ฮาร์มอนิกลักษณะเฉพาะของเรกติไฟเออร์คืออะไร?
เรกติไฟเออร์ p พัลส์ในอุดมคติสร้างฮาร์มอนิกด้าน AC เฉพาะลำดับ และด้าน DC เฉพาะ บริดจ์ 3 เฟส (p = 6) จึงมี 5, 7, 11, 13 ด้าน AC และ 6, 12 (300, 600 Hz) ด้าน DC ขนาดประมาณ
ทำไม 12 พัลส์ลดฮาร์มอนิกที่ 5 และ 7 ได้?
ใช้หม้อแปลงสองชุดที่แรงดันต่างเฟสกัน 30° (Y-Y กับ Y-Δ) ฮาร์มอนิกลำดับ 6k ± 1 ที่ k คี่ (5, 7, 17, 19) ของสองบริดจ์จะมีเฟสตรงข้ามกันพอดีเมื่ออ้างกลับไปด้านปฐมภูมิ จึงหักล้างกัน เหลือ 12k ± 1 THD ลดจากราว 31 % เหลือราว 15 %
ไทริสเตอร์ที่มุมจุดชนวน α ทำให้ PF เป็นอย่างไร?
ฮาร์มอนิกหลักของกระแสล้าหลังแรงดันประมาณ α ทำให้ DPF ≈ cos α (ถ้าคิดช่วงทับซ้อน ≈ cos(α + μ/2)) PF จริงยังคูณด้วย distortion factor 0.955 ของกระแส 6 พัลส์ ที่ α = 45° PF ≈ 0.675 และกินกำลังรีแอกทีฟเท่ากับกำลังจริง
ทำไมกระแสของ SMPS และไดรฟ์ที่มีตัวเก็บประจุ DC มี THD สูงกว่า 6 พัลส์แบบมีโช้ก?
ตัวเก็บประจุชาร์จได้เฉพาะช่วงที่แรงดันไฟสูงกว่าแรงดันตัวเก็บประจุ ซึ่งสั้นมากใกล้ยอดแรงดัน กระแสจึงเป็นพัลส์แคบสูง มีฮาร์มอนิกมาก ใส่รีแอกเตอร์ด้าน AC หรือโช้กด้าน DC ทำให้พัลส์กว้างขึ้น THD ลดลงอย่างมาก