帶隔離變壓器的高壓變頻器的缺點

1、在帶有隔離變壓器的高壓變頻器設備，存在著以下4方面的問題：1、能耗高，效率低，體積大，笨重。2、功率因數低，諧波污染大。3、啟動沖擊大。4、隔離效果差。本文將重點討論帶有高壓變壓器的高壓變頻器設備的缺陷問題，以期得到大家的重視。2采用了高壓變壓器的高壓變頻器的存在的缺點分析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，各功率單元由一個多繞組的移相隔離變壓器供 電。在帶有隔離變壓器設備的高壓變頻器設備中，變壓器是電路結構中的一個重要部件。移相變壓器 中，6kV時需要57個繞組X3 （10kV時需8個繞組X3）。為改善輸入電流諧波，均在變壓器輸出端采 用內部三角形

2、，外部星形的延邊三角形接法，見圖1。由于移相的要求，每個繞組三角形和星形的聯 接比例均不相同，但由于工藝的原因，內三角形繞組的矢量和不可為零，這就造成了內三角形的環(huán)流， 而這種環(huán)流只產生損耗，并不作功。當與工作電流疊加時，其繞組損耗P=|2R。由此可見其損耗是非 ?？捎^的。常規(guī)變壓器的效率可做到098-99%，而這種變壓器的效率只能做到U9496% （額定負載）。 當負載減少時，由于變壓器的固有損耗，使帶變壓器的高壓變頻器系統效率下降至60-70%，如圖2。圖1延邊三角形接法而使用變頻器，主要就是為了節(jié)能，其負載率經常處于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

3、點多，一個延邊三角形繞組有12個端子相連，對20繞組的變壓器就有243個 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，而兩段電壓的算術和大于矢量和，這 也導致其損耗增大，同時由于這么多端子，需用電纜跨相連接也必然增大了內阻，增大了損耗。同時 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。2.2功率因數低，諧波污染大2.2.1由于移相變壓器繞組多，而各繞組之間又要高等級的絕緣，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嚴重偏低。人們在討論多重化時，都是討論的額 定工況時的電流波形如何好，但用戶大多數均未運行在額定工況，這時的輸入電流諧

4、波同樣不可忽視。2.2.2變壓器的諧波敝定魚劃時的電蠢設都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。當對空 載變壓器施加正弦波電壓u時，若忽略勵磁電流，則變壓器鐵心的磁通密度B隨時間變化的曲線也 是正弦波，這是因為B xj udt之故。此時的勵磁電流（即空載電流i。），則為非正弦波形，這是因為i0 x H，而H=B/u，磁導系數u隨B增大而減小。圖4（b）中實線表示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%。這是因為變壓器的額定B值一般設計在接近B-H

5、曲線的拐點。圖4變壓器的B-H曲線和u、B、I0的波形據文獻介紹，在一般情況下，變壓器勵磁電流中的高次諧波電流含有率在以下范圍內：磁心用冷 軋硅鋼片時，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， 但只計電源饋供的電流而不包括三角形繞組中的電流時，I3/I1之值顯著小于上述數值。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，但是變壓器的三個心柱的磁路長度不等，

6、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。這個三相磁路不對稱的狀況， 導致產生正序和負序分量的3次諧波磁通和相應的正、負序3次諧波感應電動勢，引起變壓器勵磁電 流中含有正、負序3次諧波電流。所以當對空載三相變壓器加電壓激勵時，勵磁電流中仍含有3次諧 波電流，當含有延邊三角接線時，3次諧波電流只略有減少。單臺變壓器產生的諧波電流一般不超過規(guī)定允許值。但電網中變壓器的總容量可能為發(fā)電機總容 量的4倍以上。它們的諧波電流總值非常大，如可達全部發(fā)電機額定電流總和的1%2%。當變壓器 繞組接法以及各繞組和電網各相的連接統一規(guī)定時，否則若各臺變壓器勵磁電流中的同一次諧

7、波電流 大致互相疊加，從而成為電網背景諧波的重要來源。變壓器的勵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。由于現代制造的變 壓器都設計在額定電壓時的磁密已接近磁化曲線的拐點，所以當電壓超過額定值后，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整時造成困難。2.2.3變壓器的異常諧波和涌磁當直流電流或低頻電流流過變壓器繞組時，使變壓器鐵心偏向一個方向飽和，從而產生很大的偶 次和奇次諧波電流。整流器在不平衡時，能引起小的直流電流流過變壓器；都能使變壓器產生很大的 諧波電流?？胀蹲儔浩鲿r，以及電網電壓大幅度突然上升時（如切除電網中的短路故障時），總會引 起變

8、壓器三相磁心出現不同程度的異常磁飽和，從而引起極大的勵磁電流，有時達到變壓器額定電流 的數倍（對大、中型），甚至到十幾倍（對小型壓器），而且諧波含有率極大，尤其是I2和I3,可以 超過基波電流。這種激磁電流按指數規(guī)律衰減，衰減的時間常數取決于電流通路的L/R之比。該時間 常數在中、低壓供電網中一般是0.1s級。變壓器涌磁引起的涌流，是電網中最普遍存在的、頻繁發(fā) 生的短時高值諧波電流。而當電網的容性諧波阻抗略大于變壓器的該次諧頻勵磁阻抗時，就會發(fā)生變壓器諧波諧振，使電 網中出現較穩(wěn)定的、持久的高值諧波電流和電壓，以致可能產生嚴重后果。變壓器涌流中諧波分量很 大，因此當電網的某一較低次諧波阻抗為較

9、大容性阻抗時空投變壓器，可能發(fā)生極危險的諧波涌流。 運行中要避免在母線上接有運行的電容或濾波器時空投變壓器，原因也在于此。2.2.4關于變壓器諧波數學模型迄今報道的變壓器諧波源的數學模型，都基于用雙曲線函數模擬變壓器的u-io或B-H特性，且 都假設三相磁路對稱和鐵心有零序磁路及有零序電流通路?？梢钥闯觯哼@樣的模型并不適用于絕大多 數變壓器，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、隔離變壓器的啟動沖擊問題眾所周知，如果一個供電系統中存在變壓器(諸如隔離變壓器、自耦調壓器，或者負載輸入端的 降壓變壓器等)，當系統啟動時，常常發(fā)生過大的電流沖擊。陟

10、所示為變壓器啟動時沖擊電流形成的 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)生沖擊電流時的示意圖。這種 沖擊電流的發(fā)生、沖擊幅值和持續(xù)時間都是隨機性的，最嚴重時接近于短路電流，甚至使系統保護開 關跳閘，沖擊電流由大到小衰減。過渡時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 程長達幾百毫秒。另一個特點是，沖擊電流在輸入電壓的正半周和負半周是不對稱的，如果第一個沖 擊電流波形發(fā)生在正半周，那么負半周電流則不出現任何沖擊，整個過渡過程的沖擊電流都發(fā)生在正 半周，

11、如果第一個啟動沖擊電流波發(fā)生在負半周，則正半周電流不出現任何沖擊，整個過渡過程都發(fā) 生在負半周。在隔離變壓器投入運行后，啟動沖擊電流的發(fā)生雖然是隨機性的，但確是不可避免的。在高壓變 頻器供電系統中設置隔離變壓器，可能是出于某種原因，降低系統零地電位差，或者所謂的增加抗干 擾功能，但由于隔離變壓器啟動沖擊電流的存在，會使設置隔離變壓器的初衷適得其反，造成更嚴重 的干擾，甚至損壞系統中的其他設備。2.4、隔離效果差常常會有人簡單地認為：當系統中設置有隔離變壓器時，其抗干擾功能就一定會很強。這種認識 并不一定正確。在供電系統中，產生干擾的原因和干擾現象是多種多樣的，其中包括諸如高壓脈沖， 尖峰毛刺、

12、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:是共模干擾，二是差模干擾，如圖6所示。ua:負載接地系統: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， 還可實現電路間的電氣隔離，解決了設備之間的公共地的問題，對由地線環(huán)路帶來的設備間的相互干 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。變壓器是靠磁耦實現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，普通隔離變壓器對共模和差模干擾的衰減能力都微乎其微。對普 通隔離變壓器的共模抑制能力的分析表明，要提高對共模干擾的抑制能力，關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間加設屏蔽層。要使隔離變壓器同時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隔離屏蔽變壓器。鐵芯屏蔽層圖7超級隔離變壓器(a)普通隔離變壓器Gp)炫寵螟10k 100k IM 10M 100M 頻率(Hz)(b)帶屏蔽層的隔離變壓器mp)置w10 100 Ik 10k 100k IM 10M 100M