高壓變頻器的缺陷

1、高壓變頻器無(wú)需輸進(jìn)變壓器是變頻技術(shù)的巨大進(jìn)步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(gòu)買及招標(biāo)高壓變頻器時(shí)，都明確提出了要購(gòu)買高-高型直接高壓變頻器。于是無(wú)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，很輕易被蒙蔽。高-低-高型變頻器是通過(guò)變壓器將高壓電降下來(lái)，變頻后再通過(guò)電路組合將電壓升上往的裝置。而真正意義上的高-高型直接高壓變頻器是指主電路中無(wú)任何高壓變

2、壓器，直接將高壓輸進(jìn)、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)的世界性困難，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(lái)解決高壓題目，但也帶來(lái)了變壓器等很多題目。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(lái)的。在高-低-高、高-中-高壓變頻器中采用高壓變壓器所帶來(lái)的缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。    在帶有隔離變壓器的高壓變頻器設(shè)備，存在著以下4方面的題目:

3、    （1） 能耗高, 效率低, 體積大, 粗笨;    （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)備的缺陷題目，以期得到大家的重視。       &

4、#160; 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，粗笨    高-低-高型高壓變頻器是利用低壓?jiǎn)蜗嘧冾l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57個(gè)繞組×3（10kv時(shí)需8個(gè)繞組×3）。為改善輸進(jìn)電流諧波，均在變壓器輸出端采用內(nèi)部三

5、角形，外部星形的延邊三角形接法，見(jiàn)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(jiàn)其損耗是非?？捎^的。常規(guī)變壓器的效率可做到9899%，而這種變壓器的效率只能做到9496%（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6070%，如圖2所示。圖1 延邊三角形接法圖2 帶變壓器的高壓變頻器與不帶變壓器的高壓變頻器效率比較    

6、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5090%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(lái)了故障率的增加。    至于其體積大, 粗笨, 則是其不可避免的天生缺陷。  &#

7、160; 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, 我們不愿把我們以為有很多缺陷的產(chǎn)品推薦給用戶, 才下決心一定要攻下這一世界困難。    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)的盡緣，這必然造成其漏感大大高于普通變壓器帶來(lái)的直接后果，顯而易見(jiàn)的造成功率因數(shù)嚴(yán)重偏低。人們?cè)谟懻摱嘀鼗瘯r(shí)，都是討論的額定

8、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)的輸進(jìn)電流諧波同樣不可忽視，電流波形如圖3所示。圖3 額定負(fù)載與非額定負(fù)載時(shí)的電流波形圖    （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，這是由于之故。此時(shí)的勵(lì)磁電流（即空載電流io），則為非正弦波形，這是由于，而h=b/，磁導(dǎo)系數(shù)隨b增大而減小。圖4（b）中實(shí)線表示io

9、-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%。這是由于變壓器的額定b值一般設(shè)計(jì)在接近b-h曲線的拐點(diǎn)。圖4 變壓器的b-h曲線和u、b、i0的波形    據(jù)文獻(xiàn)先容，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%。  

10、  對(duì)于沒(méi)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之值明顯小于上述數(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(méi)有零序磁路，但是變壓器的三個(gè)心柱的磁路長(zhǎng)度不等，邊上兩相的磁路還要包括上、下鐵軛的長(zhǎng)度，因此邊相磁路長(zhǎng)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(shì)，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

11、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(guò)規(guī)定答應(yīng)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)各相的連接同一規(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(lái)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

12、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(guò)額定值后，變壓器諧波電流隨電壓升高而迅速進(jìn)步，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(guò)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(guò)變壓器;都能使變壓器產(chǎn)生很大的諧波電流。空投變壓器時(shí)，以及電網(wǎng)電壓大幅度忽然上升時(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

13、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(guò)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

14、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盡大多數(shù)變壓器，即三相磁路長(zhǎng)度相差很大的三相變壓器，尤其不適用于鐵心無(wú)零序磁路的三相心式變壓器。    2.3 隔離變壓器的啟動(dòng)

15、沖動(dòng)題目    眾所周知，假如一個(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)載輸進(jìn)真?zhèn)€降壓變壓器等），當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，經(jīng)常發(fā)生過(guò)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(guò)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進(jìn)電壓電流波形; 圖5（b）所示為輸進(jìn)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

16、流由大到小衰減。過(guò)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(guò)度過(guò)程長(zhǎng)達(dá)幾百ms。另一個(gè)特點(diǎn)是，沖擊電流在輸進(jìn)電壓的正半周和負(fù)半周是不對(duì)稱的，假如第一個(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(guò)度過(guò)程的沖擊電流都發(fā)生在正半周，假如第一個(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(guò)度過(guò)程都發(fā)生在負(fù)半周。圖5 變壓器啟動(dòng)沖擊電流形成的原因和過(guò)程    在隔離變壓器投進(jìn)運(yùn)行后，啟動(dòng)沖擊電流的發(fā)生固然是隨機(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

17、，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    經(jīng)常會(huì)有人簡(jiǎn)單地以為: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)。這種熟悉并不一定正確。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(guò)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。

18、圖6 干擾的方式    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)備之間的公共地的題目，對(duì)由地線環(huán)路帶來(lái)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lkhz100mhz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，要進(jìn)

19、步對(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。圖7 超級(jí)隔離變壓器圖8 各種隔離變壓器的抗干擾功能圖9 igbt直接串聯(lián)高壓變頻器電路拓樸圖    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

20、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(guò)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相比的，是完全不同層次的產(chǎn)品?？偠灾?，以為“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)進(jìn)變頻器，經(jīng)過(guò)高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再通過(guò)逆變器進(jìn)行逆變