帶隔離變壓器的高壓變頻器的缺點(diǎn)

1、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的存在的缺點(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57個(gè)繞組X3 （10kV時(shí)需8個(gè)繞組X3）。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

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(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=|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(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。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(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

3、點(diǎn)多，一個(gè)延邊三角形繞組有12個(gè)端子相連，對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。2.2功率因數(shù)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(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

4、波同樣不可忽視。2.2.2變壓器的諧波敝定魚劃時(shí)的電蠢設(shè)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(dāng)對空 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)锽 xj udt之故。此時(shí)的勵(lì)磁電流（即空載電流i。），則為非正弦波形，這是因?yàn)閕0 x H，而H=B/u，磁導(dǎo)系數(shù)u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

5、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)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，

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(gè)三相磁路不對稱的狀況， 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)?量的4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)，否則若各臺變壓器勵(lì)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(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。2.2.3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)），總會引 起變

8、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(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。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

9、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。2.2.4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(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、隔離變壓器的啟動沖擊問題眾所周知，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)啟動時(shí)，常常發(fā)生過大的電流沖擊。陟

10、所示為變壓器啟動時(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)幾百毫秒。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，

11、如果第一個(gè)啟動沖擊電流波發(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沖擊電流的存在，會使設(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很強(qiáng)。這種認(rèn)識 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、

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(fù)載接地系統(tǒng):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)備之間的公共地的問題，對由地線環(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(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