高压变频器的缺陷

1、高压变频器无需输进变压器是变频技术的巨大进步1、引言             由于受招投标要求及技术进步的影响，很多单位在购买及招标高压变频器时，都明确提出了要购买高-高型直接高压变频器。于是无论是否是真正的高-高型直接高压变频器厂家，都标榜自己的产品是高-高型直接高压变频器。由于用户大多数都不是变频器行业的专业人士，很轻易被蒙蔽。高-低-高型变频器是通过变压器将高压电降下来，变频后再通过电路组合将电压升上往的装置。而真正意义上的高-高型直接高压变频器是指主电路中无任何高压变

2、压器，直接将高压输进、整流、逆变的装置。高高变频器与高-低-高变频器是两种完全不同的技术方案，代表着技术水平的巨大差距。    由于高速功率开关器件如igbt等串联属变频器及电力电子行业中公认的世界性困难，很难解决，于是人们不得不采用高-低-高方式用低压变频器来解决高压题目，但也带来了变压器等很多题目。而真正的直接高压变频器正是解决了高速功率器件如igbt的串联，才诞生出来的。在高-低-高、高-中-高压变频器中采用高压变压器所带来的缺点是显而易见的。    在带有隔离变压器的高压变频器设备，存在着以下4方面的题目:

3、    （1） 能耗高, 效率低, 体积大, 粗笨;    （2） 功率因数低, 谐波污染大;    （3） 启动冲击大;    （4） 隔离效果差。    本文将重点讨论带有高压变压器的高压变频器设备的缺陷题目，以期得到大家的重视。       &

4、#160; 2、采用了高压变压器的高压变频器存在的缺点分析             2.1 能耗高，效率低，体积大，粗笨    高-低-高型高压变频器是利用低压单相变频器串联，各功率单元由一个多绕组的移相隔离变压器供电。在带有隔离变压器设备的高压变频器设备中，变压器是电路结构中的一个重要部件。移相变压器中，6kv时需要57个绕组×3（10kv时需8个绕组×3）。为改善输进电流谐波，均在变压器输出端采用内部三

5、角形，外部星形的延边三角形接法，见图1。由于移相的要求，每个绕组三角形和星形的联接比例均不相同，但由于工艺的原因，内三角形绕组的矢量和不可能为零，这就造成了内三角形的环流，而这种环流只产生损耗，并不作功。当与工作电流叠加时，其绕组损耗p=i2r。由此可见其损耗是非常可观的。常规变压器的效率可做到9899%，而这种变压器的效率只能做到9496%（额定负载）。当负载减少时，由于变压器的固有损耗，使带变压器的高压变频器系统效率下降至6070%，如图2所示。图1 延边三角形接法图2 带变压器的高压变频器与不带变压器的高压变频器效率比较    

6、而使用变频器, 主要就是为了节能，其负载率经常处于5090%之间，而这正是带变压器的变频器的低效段。    此外，这种变压器接点多，一个延边三角形绕组有12个端子相连，对20绕组的变压器就有243个端子相连，同样由于延边三角形绕组是由两段电压叠加而成，而两段电压的算术和大于矢量和， 这也导致其损耗增大，同时由于这么多端子，需用电缆跨相连接也必然增大了内阻，增大了损耗。同时带来了故障率的增加。    至于其体积大, 粗笨, 则是其不可避免的天生缺陷。  &#

7、160; 本公司1998年就开发出了这种带变压器的高压变频器, 但是我们也许是完美主义者吧, 我们不愿把我们以为有很多缺陷的产品推荐给用户, 才下决心一定要攻下这一世界困难。    2.2 功率因数低，谐波污染大    （1） 功率因数严重偏低    由于移相变压器绕组多，而各绕组之间又要高等级的尽缘，这必然造成其漏感大大高于普通变压器带来的直接后果，显而易见的造成功率因数严重偏低。人们在讨论多重化时，都是讨论的额定

8、工况时的电流波形如何好，但用户大多数均未运行在额定工况，这时的输进电流谐波同样不可忽视，电流波形如图3所示。图3 额定负载与非额定负载时的电流波形图    （2） 变压器的谐波    电力变压器的铁心具有非线性磁化特性，其磁滞回线（即b-h曲线）如图4（a）所示。当对空载变压器施加正弦波电压u时，若忽略励磁电流，则变压器铁心的磁通密度b随时间变化的曲线也是正弦波，这是由于之故。此时的励磁电流（即空载电流io），则为非正弦波形，这是由于，而h=b/，磁导系数随b增大而减小。图4（b）中实线表示io

9、-t的理论波形，单相变压器的空载电流即如此。这样的电流有很大的谐波含有率，其中以i3/i1为最大，约为50%; 其次是i5/i1，约在30%。这是由于变压器的额定b值一般设计在接近b-h曲线的拐点。图4 变压器的b-h曲线和u、b、i0的波形    据文献先容，在一般情况下，变压器励磁电流中的高次谐波电流含有率在以下范围内:磁心用冷轧硅钢片时，i3/i1为40%50%; i5/i1为10%25%; i7/i1为5%10%; i9/i1为3%6%; i11/i1为1%3%。  

10、  对于没有零序磁路或（和）零序电流通路的三相变压器，以及有三角形绕组作为零序电流通路，但只计电源馈供的电流而不包括三角形绕组中的电流时，i3/i1之值明显小于上述数值。而i7/i1以及更高次谐波含有率，则给出范围值的下限偏大。    三相心式变压器的铁心没有零序磁路，但是变压器的三个心柱的磁路长度不等，边上两相的磁路还要包括上、下铁轭的长度，因此边相磁路长度约为中间相的2倍左右。这个三相磁路不对称的状况，导致产生正序和负序分量的3次谐波磁通和相应的正、负序3次谐波感应电动势，引起变压器励磁电流中含有正、负序3次谐波电流。所以当对空载

11、三相变压器加电压激励时，励磁电流中仍含有3次谐波电流，当含有延边三角接线时，3次谐波电流只略有减少。    单台变压器产生的谐波电流一般不超过规定答应值。但电网中变压器的总容量可能为发电机总容量的4倍以上。它们的谐波电流总值非常大，如可达全部发电机额定电流总和的1%2%。当变压器绕组接法以及各绕组和电网各相的连接同一规定时，否则若各台变压器励磁电流中的同一次谐波电流大致互相叠加，从而成为电网背景谐波的重要来源。    变压器的励磁电流及其所含谐波电流都是随着电压和磁饱和的升高而增大的。由于现代制造的变压器都设计在额

12、定电压时的磁密已接近磁化曲线的拐点，所以当电压超过额定值后，变压器谐波电流随电压升高而迅速进步，尤其是其中的5次谐波电流给电压调整时造成困难。    （3） 变压器的异常谐波和涌磁    当直流电流或低频电流流过变压器绕组时，使变压器铁心偏向一个方向饱和，从而产生很大的偶次和奇次谐波电流。整流器在不平衡时，能引起小的直流电流流过变压器;都能使变压器产生很大的谐波电流。空投变压器时，以及电网电压大幅度忽然上升时（如切除电网中的短路故障时），总会引起变压器三相磁心出现不同程度的异常磁饱和，从而引起极大的励磁电

13、流，有时达到变压器额定电流的数倍（对大、中型），甚至到十几倍（对小型压器），而且谐波含有率极大，尤其是i2和i3次谐波，可以超过基波电流。这种激磁电流按指数规律衰减，衰减的时间常数取决于电流通路的 l/r之比。该时间常数在中、低压供电网中一般是0.1s级。变压器涌磁引起的涌流，是电网中最普遍存在的、频繁发生的短时高值谐波电流。    而当电网的容性谐波阻抗略大于变压器的该次谐频励磁阻抗时，就会发生变压器谐波谐振，使电网中出现较稳定的、持久的高值谐波电流和电压，以致可能产生严重后果。变压器涌流中谐波分量很大，因此当电网的某一较低次谐波阻抗为较大容

14、性阻抗时空投变压器，可能发生极危险的谐波涌流。运行中要避免在母线上接有运行的电容或滤波器时空投变压器，原因也在于此。    （4） 关于变压器谐波数学模型    迄今报道的变压器谐波源的数学模型，都基于用双曲线函数模拟变压器的u-io或b-h特性，且都假设三相磁路对称和铁心有零序磁路及有零序电流通路。可以看出:这样的模型并不适用于尽大多数变压器，即三相磁路长度相差很大的三相变压器，尤其不适用于铁心无零序磁路的三相心式变压器。    2.3 隔离变压器的启动

15、冲动题目    众所周知，假如一个供电系统中存在变压器（诸如隔离变压器、自耦调压器，或者负载输进真个降压变压器等），当系统启动时，经常发生过大的电流冲击。图5所示为变压器启动时冲击电流形成的原因和过程。    其中，图5（a）所示为变压器正常工作时的铁芯的磁化曲线和输进电压电流波形; 图5（b）所示为输进电压掉电时的变压器工作特性; 图5（c）所示的是变压器空载情况下发生冲击电流时的示意图。这种冲击电流的发生、冲击幅值和持续时间都是随机性的，最严重时接近于短路电流，甚至使系统保护开关跳闸，冲击电

16、流由大到小衰减。过渡时间也随冲击电流的大小而变化，接近短路的冲击电流过度过程长达几百ms。另一个特点是，冲击电流在输进电压的正半周和负半周是不对称的，假如第一个冲击电流波形发生在正半周，那么负半周电流则不出现任何冲击，整个过度过程的冲击电流都发生在正半周，假如第一个启动冲击电流波发生在负半周，则正半周电流不出现任何冲击，整个过度过程都发生在负半周。图5 变压器启动冲击电流形成的原因和过程    在隔离变压器投进运行后，启动冲击电流的发生固然是随机性的，但确是不可避免的。在高压变频器供电系统中设置隔离变压器，可能是出于某种原因，降低系统零地电位差

17、，或者所谓的增加抗干扰功能，但由于隔离变压器启动冲击电流的存在，会使设置隔离变压器的初衷适得其反，造成更严重的干扰，甚至损坏系统中的其他设备。    2.4 隔离效果差    经常会有人简单地以为:当系统中设置有隔离变压器时，其抗干扰功能就一定会很强。这种熟悉并不一定正确。在供电系统中，产生干扰的原因和干扰现象是多种多样的，其中包括诸如高压脉冲，尖峰毛刺、电涌、暂态过电压、射频干扰（efi）和电磁干扰（emi）等等。但是，就其干扰形式和传输途径而言，大体可分为两类:一是共模干扰，二是差模干扰，如图6所示。

18、图6 干扰的方式    并不是隔离变压器就能抗干扰，普通变压器的抗干扰能力是有限的。隔离变压器除了变压作用外，还可实现电路间的电气隔离，解决了设备之间的公共地的题目，对由地线环路带来的设备间的相互干扰也有一定的抑制作用，但因绕组间存在分布电容，使它对共模干扰的抑制效果随干扰频率的升高而下降。    变压器是靠磁耦实现原边和副边的电压变换的，因而它不具备抗差模干扰的功能。在lkhz100mhz的干扰频率范围内，普通隔离变压器对共模和差模干扰的衰减能力都微乎其微。对普通隔离变压器的共模抑制能力的分析表明，要进

19、步对共模干扰的抑制能力，关键是减小变压器绕组的匝间耦合电容，为此在变压器初次级间加设屏蔽层。要使隔离变压器同时具有较好抗差模干扰与共模干扰功能，必须把它制作成超级隔离屏蔽变压器，如图7所示。各种隔离变压器的抗干扰功能如图8所示。图7 超级隔离变压器图8 各种隔离变压器的抗干扰功能图9 igbt直接串联高压变频器电路拓朴图    从图8（a）可以看出，普通隔离变压器对差模和共模干扰的抑制作用都很小;而从图8（b）可以看出，带屏蔽层的隔离变压器对共模干扰有明显地抑制作用。图8（c）所示的曲线是超级隔变压器的抗干扰性能，从图8中可

20、以看出，它在很宽的频率段对共模干扰的抑制作用都在80db以上，当干扰频率超过l00khz时，它对差模干扰的仰制作用也可在60db以上。    而直接高压变频器根据用户的电源容量采用不同的电磁兼容方案（emc）和电路拓朴形式，如图9所示。其抗干扰能力，对电源的干扰及功率因数，系统效率均是带变压器的高压变频器不可相比的，是完全不同层次的产品。总而言之，以为“是隔离变压器就有抗干扰作用”观点，是对隔离变压器功能的误解。         3、功率器件igbt直接串联的真正直接高压变频器             igbt直接串联的真正直接高压变频器由电网高压直接经高压断路器进进变频器，经过高压二极管全桥整流、直流平波电抗器和电容滤波，再通过逆变器进行逆变