[align=left] 1、引言 由于受招投標(biāo)要求及技術(shù)進(jìn)步的影響，很多單位在購買及招標(biāo)高壓變頻器時(shí)，都明確提出了要購買高-高型直接高壓變頻器。于是無論是否是真正的高-高型直接高壓變頻器廠家，都標(biāo)榜自己的產(chǎn)品是高-高型直接高壓變頻器。由于用戶大多數(shù)都不是變頻器行業(yè)的專業(yè)人士，很容易被蒙蔽。高-低-高型變頻器是通過變壓器將高壓電降下來，變頻后再通過電路組合將電壓升上去的裝置。而真正意義上的高-高型直接高壓變頻器是指主電路中無任何高壓變壓器，直接將高壓輸入、整流、逆變的裝置。高高變頻器與高-低-高變頻器是兩種完全不同的技術(shù)方案，代表著技術(shù)水平的巨大差距。 由于高速功率開關(guān)器件如igbt等串聯(lián)屬變頻器及電力電子行業(yè)中公認(rèn)的世界性難題，很難解決，于是人們不得不采用高-低-高方式用低壓變頻器來解決高壓問題，但也帶來了變壓器等很多問題。而真正的直接高壓變頻器正是解決了高速功率器件如igbt的串聯(lián)，才誕生出來的。在高-低-高、高-中-高壓變頻器中采用高壓變壓器所帶來的缺點(diǎn)是顯而易見的。 在帶有隔離變壓器的高壓變頻器設(shè)備，存在著以下4方面的問題: （1） 能耗高, 效率低, 體積大, 笨重; （2） 功率因數(shù)低, 諧波污染大; （3） 啟動(dòng)沖擊大; （4） 隔離效果差。 本文將重點(diǎn)討論帶有高壓變壓器的高壓變頻器設(shè)備的缺陷問題，以期得到大家的重視。 2、采用了高壓變壓器的高壓變頻器存在的缺點(diǎn)分析 2.1 能耗高，效率低，體積大，笨重 高-低-高型高壓變頻器是利用低壓單相變頻器串聯(lián)，各功率單元由一個(gè)多繞組的移相隔離變壓器供電。在帶有隔離變壓器設(shè)備的高壓變頻器設(shè)備中，變壓器是電路結(jié)構(gòu)中的一個(gè)重要部件。移相變壓器中，6kv時(shí)需要5～7個(gè)繞組×3（10kv時(shí)需8個(gè)繞組×3）。為改善輸入電流諧波，均在變壓器輸出端采用內(nèi)部三角形，外部星形的延邊三角形接法，見圖1。由于移相的要求，每個(gè)繞組三角形和星形的聯(lián)接比例均不相同，但由于工藝的原因，內(nèi)三角形繞組的矢量和不可能為零，這就造成了內(nèi)三角形的環(huán)流，而這種環(huán)流只產(chǎn)生損耗，并不作功。當(dāng)與工作電流疊加時(shí)，其繞組損耗p=i2r。由此可見其損耗是非?？捎^的。常規(guī)變壓器的效率可做到98～99%，而這種變壓器的效率只能做到94～96%（額定負(fù)載）。當(dāng)負(fù)載減少時(shí)，由于變壓器的固有損耗，使帶變壓器的高壓變頻器系統(tǒng)效率下降至60～70%，如圖2所示。 [/align] 而使用變頻器, 主要就是為了節(jié)能，其負(fù)載率經(jīng)常處于50～90%之間，而這正是帶變壓器的變頻器的低效段。 此外，這種變壓器接點(diǎn)多，一個(gè)延邊三角形繞組有12個(gè)端子相連，對(duì)20繞組的變壓器就有243個(gè)端子相連，同樣由于延邊三角形繞組是由兩段電壓疊加而成，而兩段電壓的算術(shù)和大于矢量和， 這也導(dǎo)致其損耗增大，同時(shí)由于這么多端子，需用電纜跨相連接也必然增大了內(nèi)阻，增大了損耗。同時(shí)帶來了故障率的增加。 至于其體積大, 笨重, 則是其不可避免的天生缺陷。 本公司1998年就開發(fā)出了這種帶變壓器的高壓變頻器, 但是我們也許是完美主義者吧, 我們不愿把我們認(rèn)為有很多缺陷的產(chǎn)品推薦給用戶, 才下決心一定要攻下這一世界難題。 2.2 功率因數(shù)低，諧波污染大 （1） 功率因數(shù)嚴(yán)重偏低 由于移相變壓器繞組多，而各繞組之間又要高等級(jí)的絕緣，這必然造成其漏感大大高于普通變壓器帶來的直接后果，顯而易見的造成功率因數(shù)嚴(yán)重偏低。人們在討論多重化時(shí)，都是討論的額定工況時(shí)的電流波形如何好，但用戶大多數(shù)均未運(yùn)行在額定工況，這時(shí)的輸入電流諧波同樣不可忽視，電流波形如圖3所示。 （2） 變壓器的諧波 電力變壓器的鐵心具有非線性磁化特性，其磁滯回線（即b-h曲線）如圖4（a）所示。當(dāng)對(duì)空載變壓器施加正弦波電壓u時(shí)，若忽略勵(lì)磁電流，則變壓器鐵心的磁通密度b隨時(shí)間變化的曲線也是正弦波，這是因?yàn)橹?。此時(shí)的勵(lì)磁電流（即空載電流io），則為非正弦波形，這是因?yàn)?，而h=b/μ，磁導(dǎo)系數(shù)μ隨b增大而減小。圖4（b）中實(shí)線表示io-t的理論波形，單相變壓器的空載電流即如此。這樣的電流有很大的諧波含有率，其中以i3/i1為最大，約為50%; 其次是i5/i1，約在30%。這是因?yàn)樽儔浩鞯念~定b值一般設(shè)計(jì)在接近b-h曲線的拐點(diǎn)。 據(jù)文獻(xiàn)介紹，在一般情況下，變壓器勵(lì)磁電流中的高次諧波電流含有率在以下范圍內(nèi):磁心用冷軋硅鋼片時(shí)，i3/i1為40%～50%; i5/i1為10%～25%; i7/i1為5%～10%; i9/i1為3%～6%; i11/i1為1%～3%。 對(duì)于沒有零序磁路或（和）零序電流通路的三相變壓器，以及有三角形繞組作為零序電流通路，但只計(jì)電源饋供的電流而不包括三角形繞組中的電流時(shí)，i3/i1之值顯著小于上述數(shù)值。而i7/i1以及更高次諧波含有率，則給出范圍值的下限偏大。 三相心式變壓器的鐵心沒有零序磁路，但是變壓器的三個(gè)心柱的磁路長度不等，邊上兩相的磁路還要包括上、下鐵軛的長度，因此邊相磁路長度約為中間相的2倍左右。這個(gè)三相磁路不對(duì)稱的狀況，導(dǎo)致產(chǎn)生正序和負(fù)序分量的3次諧波磁通和相應(yīng)的正、負(fù)序3次諧波感應(yīng)電動(dòng)勢，引起變壓器勵(lì)磁電流中含有正、負(fù)序3次諧波電流。所以當(dāng)對(duì)空載三相變壓器加電壓激勵(lì)時(shí)，勵(lì)磁電流中仍含有3次諧波電流，當(dāng)含有延邊三角接線時(shí)，3次諧波電流只略有減少。 單臺(tái)變壓器產(chǎn)生的諧波電流一般不超過規(guī)定允許值。但電網(wǎng)中變壓器的總?cè)萘靠赡転榘l(fā)電機(jī)總?cè)萘康?倍以上。它們的諧波電流總值非常大，如可達(dá)全部發(fā)電機(jī)額定電流總和的1%～2%。當(dāng)變壓器繞組接法以及各繞組和電網(wǎng)各相的連接統(tǒng)一規(guī)定時(shí)，否則若各臺(tái)變壓器勵(lì)磁電流中的同一次諧波電流大致互相疊加，從而成為電網(wǎng)背景諧波的重要來源。 變壓器的勵(lì)磁電流及其所含諧波電流都是隨著電壓和磁飽和的升高而增大的。由于現(xiàn)代制造的變壓器都設(shè)計(jì)在額定電壓時(shí)的磁密已接近磁化曲線的拐點(diǎn)，所以當(dāng)電壓超過額定值后，變壓器諧波電流隨電壓升高而迅速提高，尤其是其中的5次諧波電流給電壓調(diào)整時(shí)造成困難。 （3） 變壓器的異常諧波和涌磁 當(dāng)直流電流或低頻電流流過變壓器繞組時(shí)，使變壓器鐵心偏向一個(gè)方向飽和，從而產(chǎn)生很大的偶次和奇次諧波電流。整流器在不平衡時(shí)，能引起小的直流電流流過變壓器;都能使變壓器產(chǎn)生很大的諧波電流?？胀蹲儔浩鲿r(shí)，以及電網(wǎng)電壓大幅度突然上升時(shí)（如切除電網(wǎng)中的短路故障時(shí)），總會(huì)引起變壓器三相磁心出現(xiàn)不同程度的異常磁飽和，從而引起極大的勵(lì)磁電流，有時(shí)達(dá)到變壓器額定電流的數(shù)倍（對(duì)大、中型），甚至到十幾倍（對(duì)小型壓器），而且諧波含有率極大，尤其是i2和i3次諧波，可以超過基波電流。這種激磁電流按指數(shù)規(guī)律衰減，衰減的時(shí)間常數(shù)取決于電流通路的 l/r之比。該時(shí)間常數(shù)在中、低壓供電網(wǎng)中一般是0.1s級(jí)。變壓器涌磁引起的涌流，是電網(wǎng)中最普遍存在的、頻繁發(fā)生的短時(shí)高值諧波電流。 而當(dāng)電網(wǎng)的容性諧波阻抗略大于變壓器的該次諧頻勵(lì)磁阻抗時(shí)，就會(huì)發(fā)生變壓器諧波諧振，使電網(wǎng)中出現(xiàn)較穩(wěn)定的、持久的高值諧波電流和電壓，以致可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果。變壓器涌流中諧波分量很大，因此當(dāng)電網(wǎng)的某一較低次諧波阻抗為較大容性阻抗時(shí)空投變壓器，可能發(fā)生極危險(xiǎn)的諧波涌流。運(yùn)行中要避免在母線上接有運(yùn)行的電容或?yàn)V波器時(shí)空投變壓器，原因也在于此。 （4） 關(guān)于變壓器諧波數(shù)學(xué)模型 迄今報(bào)道的變壓器諧波源的數(shù)學(xué)模型，都基于用雙曲線函數(shù)模擬變壓器的u-io或b-h特性，且都假設(shè)三相磁路對(duì)稱和鐵心有零序磁路及有零序電流通路?？梢钥闯?這樣的模型并不適用于絕大多數(shù)變壓器，即三相磁路長度相差很大的三相變壓器，尤其不適用于鐵心無零序磁路的三相心式變壓器。 2.3 隔離變壓器的啟動(dòng)沖動(dòng)問題 眾所周知，如果一個(gè)供電系統(tǒng)中存在變壓器（諸如隔離變壓器、自耦調(diào)壓器，或者負(fù)載輸入端的降壓變壓器等），當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，常常發(fā)生過大的電流沖擊。圖5所示為變壓器啟動(dòng)時(shí)沖擊電流形成的原因和過程。 其中，圖5（a）所示為變壓器正常工作時(shí)的鐵芯的磁化曲線和輸入電壓電流波形; 圖5（b）所示為輸入電壓掉電時(shí)的變壓器工作特性; 圖5（c）所示的是變壓器空載情況下發(fā)生沖擊電流時(shí)的示意圖。這種沖擊電流的發(fā)生、沖擊幅值和持續(xù)時(shí)間都是隨機(jī)性的，最嚴(yán)重時(shí)接近于短路電流，甚至使系統(tǒng)保護(hù)開關(guān)跳閘，沖擊電流由大到小衰減。過渡時(shí)間也隨沖擊電流的大小而變化，接近短路的沖擊電流過渡過程長達(dá)幾百ms。另一個(gè)特點(diǎn)是，沖擊電流在輸入電壓的正半周和負(fù)半周是不對(duì)稱的，如果第一個(gè)沖擊電流波形發(fā)生在正半周，那么負(fù)半周電流則不出現(xiàn)任何沖擊，整個(gè)過渡過程的沖擊電流都發(fā)生在正半周，如果第一個(gè)啟動(dòng)沖擊電流波發(fā)生在負(fù)半周，則正半周電流不出現(xiàn)任何沖擊，整個(gè)過渡過程都發(fā)生在負(fù)半周。 在隔離變壓器投入運(yùn)行后，啟動(dòng)沖擊電流的發(fā)生雖然是隨機(jī)性的，但確是不可避免的。在高壓變頻器供電系統(tǒng)中設(shè)置隔離變壓器，可能是出于某種原因，降低系統(tǒng)零地電位差，或者所謂的增加抗干擾功能，但由于隔離變壓器啟動(dòng)沖擊電流的存在，會(huì)使設(shè)置隔離變壓器的初衷適得其反，造成更嚴(yán)重的干擾，甚至損壞系統(tǒng)中的其他設(shè)備。 2.4 隔離效果差 常常會(huì)有人簡單地認(rèn)為:當(dāng)系統(tǒng)中設(shè)置有隔離變壓器時(shí)，其抗干擾功能就一定會(huì)很強(qiáng)。這種認(rèn)識(shí)并不一定正確。在供電系統(tǒng)中，產(chǎn)生干擾的原因和干擾現(xiàn)象是多種多樣的，其中包括諸如高壓脈沖，尖峰毛刺、電涌、暫態(tài)過電壓、射頻干擾（efi）和電磁干擾（emi）等等。但是，就其干擾形式和傳輸途徑而言，大體可分為兩類:一是共模干擾，二是差模干擾，如圖6所示。 并不是隔離變壓器就能抗干擾，普通變壓器的抗干擾能力是有限的。隔離變壓器除了變壓作用外，還可實(shí)現(xiàn)電路間的電氣隔離，解決了設(shè)備之間的公共地的問題，對(duì)由地線環(huán)路帶來的設(shè)備間的相互干擾也有一定的抑制作用，但因繞組間存在分布電容，使它對(duì)共模干擾的抑制效果隨干擾頻率的升高而下降。 變壓器是靠磁耦實(shí)現(xiàn)原邊和副邊的電壓變換的，因而它不具備抗差模干擾的功能。在lkhz～100mhz的干擾頻率范圍內(nèi)，普通隔離變壓器對(duì)共模和差模干擾的衰減能力都微乎其微。對(duì)普通隔離變壓器的共模抑制能力的分析表明，要提高對(duì)共模干擾的抑制能力，關(guān)鍵是減小變壓器繞組的匝間耦合電容，為此在變壓器初次級(jí)間加設(shè)屏蔽層。要使隔離變壓器同時(shí)具有較好抗差模干擾與共模干擾功能，必須把它制作成超級(jí)隔離屏蔽變壓器，如圖7所示。各種隔離變壓器的抗干擾功能如圖8所示。 從圖8（a）可以看出，普通隔離變壓器對(duì)差模和共模干擾的抑制作用都很小;而從圖8（b）可以看出，帶屏蔽層的隔離變壓器對(duì)共模干擾有明顯地抑制作用。圖8（c）所示的曲線是超級(jí)隔變壓器的抗干擾性能，從圖8中可以看出，它在很寬的頻率段對(duì)共模干擾的抑制作用都在80db以上，當(dāng)干擾頻率超過l00khz時(shí)，它對(duì)差模干擾的仰制作用也可在60db以上。 而直接高壓變頻器根據(jù)用戶的電源容量采用不同的電磁兼容方案（emc）和電路拓樸形式，如圖9所示。其抗干擾能力，對(duì)電源的干擾及功率因數(shù)，系統(tǒng)效率均是帶變壓器的高壓變頻器不可比擬的，是完全不同層次的產(chǎn)品。總而言之，認(rèn)為“是隔離變壓器就有抗干擾作用”觀點(diǎn)，是對(duì)隔離變壓器功能的誤解。 3、功率器件igbt直接串聯(lián)的真正直接高壓變頻器 igbt直接串聯(lián)的真正直接高壓變頻器由電網(wǎng)高壓直接經(jīng)高壓斷路器進(jìn)入變頻器，經(jīng)過高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再通過逆變器進(jìn)行逆變，加上正弦波濾波器，簡單易行地實(shí)現(xiàn)高壓變頻輸出，直接供給高壓電動(dòng)機(jī)。功率器件igbt直接串聯(lián)的二電平電壓型高壓變頻器是采用變頻器已有的成熟技術(shù)，應(yīng)用獨(dú)特而簡單的控制技術(shù)成功設(shè)計(jì)出的一種無輸入輸出變壓器、igbt直接串聯(lián)逆變、輸出效率達(dá)98%的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。 4、結(jié)束語 單元串聯(lián)多重化是因?yàn)槲茨芙鉀Qigbt串聯(lián)難題時(shí)不得而已采取的一項(xiàng)過渡措施。在這種方案中由于采用了變壓器而帶來了一系列上述嚴(yán)重的問題，而有的商家宣傳完美無諧波，其實(shí)是做不到的。即使在靜態(tài)及額定負(fù)載時(shí)可能有一定的效果，但在變頻器實(shí)際工作負(fù)載及過渡和瞬態(tài)時(shí)，上述存在的嚴(yán)重問題是無法掩蓋的。因此，去掉變壓器，采用igbt直接串聯(lián)并對(duì)輸入端采取一些相應(yīng)措施，其對(duì)電網(wǎng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于變壓器。大量的實(shí)踐證明，這已是不爭的事實(shí)。 所以，igbt直接串聯(lián)高壓變頻器由于采用了新的電路結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)，去掉了電源輸入端的高壓變壓器，減小了高壓變頻器的體積及重量，并可明顯地降低成本; 降低了元器件損耗，提高工作效率; 有利于改善和增加新的控制功能，改善動(dòng)態(tài)特性，可明顯地降低工作噪聲; 在結(jié)構(gòu)上容易實(shí)現(xiàn)集成化和模塊化，可有效提高設(shè)備的可用性。因此，高壓變頻器去掉輸入變壓器是變頻技術(shù)的巨大進(jìn)步。