摘要  對采用輸入變壓器的高壓變頻器存在的缺點(diǎn)進(jìn)行了剖析，介紹了無輸入輸出變壓器的高壓變頻器的主電路以及IGBT 直接串聯(lián)技術(shù)、直接速度控制（DSC）技術(shù)、正弦波技術(shù)、抗共模電壓技術(shù)等四項(xiàng)核心技術(shù)，指出無輸入輸出變壓器的高壓變頻器是變頻技術(shù)領(lǐng)域的巨大進(jìn)步。  

關(guān)鍵字  IGBT 直接串聯(lián)；高壓變頻器；高壓變壓器  

引言

高—低—高型高壓變頻器是通過變壓器將高電壓降下來，變頻后再通過電路組合將電壓升上去的裝置，而高—高型高壓變頻器是指高壓直接輸入進(jìn)行整流、逆變的裝置，主電路中無任何高壓變壓器。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IGBT 串聯(lián)屬電力電子技術(shù)中的難題，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，這也帶來了諸多問題。高—高型變頻器正是在解決了高速功率器件IGBT 串聯(lián)的技術(shù)難題后，才誕生出來的。帶有隔離變壓器的高壓變頻器設(shè)備，存在著以下四個(gè)方面的問題： ：

1）能耗高，效率低，體積大而笨重；

2）非額定工況時(shí)的功率因數(shù)偏低，諧波污染較大； ；

3）啟動(dòng)沖擊大；

4）隔離效果差。

擁有IGBT 直接串聯(lián)技術(shù)、直接速度控制（DSC） ）技術(shù)、正弦波技術(shù)、抗共模電壓技術(shù)等四項(xiàng)核心技術(shù)的佳靈高壓變頻器能夠有效地解決上述問題。

1采用高壓變壓器的高壓變頻器存在的缺點(diǎn)分析

1.1 能耗高效率低體積大而笨重問題

高—低—高型高壓變頻器利用低壓單相變頻器功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個(gè)二次側(cè)為多繞組的移相隔離變壓器供電。移相變壓器二次側(cè)在6 kV 時(shí)需要3×(5～7)個(gè)繞組（10 kV 時(shí)需3×8 個(gè)繞組）。為減小諧波電流改善輸入電流波形，移相變壓器二次側(cè)采用按一定規(guī)律相互間移相的延邊三角形接法，如圖1 所示。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，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)三角形繞組中產(chǎn)生環(huán)流，而這種環(huán)流只產(chǎn)生損耗，并不做功，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。

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

使用變頻器主要是為了節(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18 繞組的變壓器就有216 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，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。故體積大，笨重，是其不可避免的天生缺陷。

1.2 2非額定工況時(shí)的功率因數(shù)偏低諧波污染較大的問題

1.2.1關(guān)于功率因數(shù)問題

由于移相變壓器繞組多，而各繞組之間需要高等級的絕緣，這必然造成其漏感大大高于普通變壓器，帶來的直接后果是功率因數(shù)偏低。人們在討論多重化時(shí)，都是討論額定工況時(shí)的電流波形如何好，但大多數(shù)用戶均未運(yùn)行在額定工況，這時(shí)的電流諧波同樣不可忽視，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

1.2.2 變壓器的諧波問題

電力變壓器的鐵芯具有非線性磁化特性，其磁滯回線（即B-H 曲線）如圖4 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，則變壓器鐵芯的磁通密度B 隨時(shí)間變化的曲線也是正弦波，這是因?yàn)锽∝ ∝乙udt 之故。此時(shí)的勵(lì)磁電流（即空載電流io），則為非正弦波形，這是因?yàn)閕o磁，滋/H=B，而H∝ 導(dǎo)系數(shù)滋隨B 增大而減小。圖4 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)。

圖4 變壓器的B-H 曲線和滋、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)：磁芯用冷軋硅鋼片時(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，以及由三角形聯(lián)結(jié)的繞組作為零序電流通路的三相變壓器，在只計(jì)電源饋供的電流而不包括三角形聯(lián)結(jié)的繞組中的電流，I3/I1 之值顯著小1I/7I。而值述數(shù)于上以及更高次諧波含有率，則給出范圍值的下限偏大。

三相星式變壓器的鐵芯沒有零序磁路，但是變壓器的三個(gè)芯柱的磁路長度不等，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)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%。變壓器繞組接法以及各繞組和電網(wǎng)各相應(yīng)按統(tǒng)一方式連接，否則，各臺變壓器勵(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。由于變壓器在額定電壓時(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5 次諧波電流給電壓調(diào)整造成困難。

1.2.3 變壓器的異常諧波和涌磁問題

當(dāng)直流電流或低頻電流流過變壓器繞組時(shí)，使變壓器鐵芯偏向一個(gè)方向飽和，從而產(chǎn)生很大的偶次和奇次諧波電流。整流器在運(yùn)行中各相電流不平衡時(shí)，引起小的直流電流流過變壓器，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)引起變壓器三相磁芯出現(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)會(huì)達(dá)到變壓器額定電流的數(shù)倍（對大、中型變壓器），甚至十幾倍（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。

當(dāng)電網(wǎng)的容性諧波阻抗略大于變壓器的該次諧波勵(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、持久的高次諧波電流和電壓，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。

1.2.4 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)三相磁路對稱和鐵芯有零序磁路及有零序電流通路。

可以看出,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，尤其不適用于鐵芯無零序磁路的三相星式聯(lián)結(jié)的變壓器。

1.3 隔離變壓器的啟動(dòng)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(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)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)動(dòng)作開關(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)半周是不對稱的，如果第一個(gè)啟動(dòng)沖擊電流波發(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。

在隔離變壓器投運(yùn)時(shí)，啟動(dòng)沖擊電流的發(fā)生是隨機(jī)性的、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，如降低系統(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。

1.4 隔離效果差問題

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)，這種觀點(diǎn)錯(cuò)誤的。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。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)備之間的公共接地問題，對由地線環(huán)路帶來的設(shè)備間的相互干擾有一定的抑制作用，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)一次側(cè)和二次側(cè)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，如圖7 所示。

圖7 超級隔離變壓器

從圖8(a) 可以看出，普通隔離變壓器對差模和共模干擾的抑制作用都很�。欢鴱膱D8(b) 可以看出， ，帶屏蔽層的隔離變壓器對共模干擾有明顯地抑制作用。圖8(c) 所示的曲線是超級隔變壓器的抗干擾性能，從圖中可以看出，它在很寬的頻率段對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)，它對差模干擾的仰制作用也可在60dB 以上。

(a) 普通隔離變壓器

(b) 帶屏蔽層隔離變壓器

(c)超級隔離變壓器

圖8 各種隔離變壓器的抗干擾功能

2 通過IGBT 串聯(lián)實(shí)現(xiàn)直接高壓變頻器

2.1 主電路簡介

從圖9 可知，電網(wǎng)高壓電經(jīng)高壓斷路器進(jìn)入變頻器后，經(jīng)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，輸出端并接正弦波濾波器，簡單易行地實(shí)現(xiàn)了高壓變頻輸出， 直接供給高壓電動(dòng)機(jī)。

圖9 IGBT 直接串聯(lián)高壓變頻器

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%的高壓調(diào)速系統(tǒng)。

對于需要快速制動(dòng)的場合，采用直流放電制動(dòng)裝置

具有直流放電制動(dòng)裝置的IGBT 直接串聯(lián)高壓變頻器主電路圖

如果需要四象限運(yùn)行，以及需要能量回饋的場合，或輸入電源側(cè)短路容量較小時(shí)，也可采用如圖11 所示的PWM 整流電路，使輸入電流也真正實(shí)現(xiàn)完美正弦波。

具備能量回饋和四象限運(yùn)行的IGBT 直接串聯(lián)高壓變頻器主電路圖

2.2

IGBT 直接串聯(lián)高壓變頻器技術(shù)介紹

2.2.1

高速功率可關(guān)斷器件的串聯(lián)技術(shù)

佳靈獨(dú)有的世界首創(chuàng)高速功率可關(guān)斷器件，特別是IGBT 直接串聯(lián)，使真正無輸出、輸入變壓器的高壓變頻器成為現(xiàn)實(shí)。這對于提高性能、效率,減小體積、重量等各項(xiàng)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，是以往任何一種變頻器都無法比擬的。

2.2.2 直接速度控制（DSC）技術(shù)

轉(zhuǎn)差控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)之后的由佳靈首創(chuàng)的新型控制技術(shù)，可采用開環(huán)或閉環(huán)控制，其魯棒性超過以往的任何一種控制技術(shù)。

2.2.3 抗共模電壓技術(shù)

采用抗共模電壓技術(shù)，使高壓變頻器徹底去掉輸入、輸出變壓器得以實(shí)現(xiàn)，使佳靈公司高壓變頻器成為世界上同等容量中體積最小的變頻器，并對電機(jī)無特殊的絕緣要求，完全適用于普通新、舊高、控制f/V繼技術(shù)，是控制機(jī)的電為核心DSC 以壓電機(jī)，無須更換舊電機(jī)或采用特殊高壓電機(jī)。

2.2.4 正弦波技術(shù)

輸入電流正弦波技術(shù)，提高了功率因素，降低了對電網(wǎng)的干擾，特別是根據(jù)電源及負(fù)載的情況， ，輸入端可用多種不同的配置，以符合IEEE519-92 的要求。更可滿足四象限快速加減速等場合的應(yīng)用要求。該技術(shù)在波形發(fā)生、濾波材料、設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新和優(yōu)化，使輸出電壓諧波失真小于3%，使得這種變頻器適用于任何電機(jī)，而無距離限制的要求。

2.3

IGBT 直接串聯(lián)高壓變頻器的性能特點(diǎn)

2.3.1

無與倫比的電動(dòng)機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩控制

IGBT 直接串聯(lián)高壓變頻器的開環(huán)動(dòng)態(tài)速度控制精度與采用閉環(huán)磁通矢量控制的變頻器相對應(yīng)。其靜態(tài)速度控制精度通常為正常轉(zhuǎn)速的0.1% 至0.5%，能滿足大多數(shù)工業(yè)領(lǐng)域的要求。在速度調(diào)節(jié)精度要求更高的場合，可采用脈沖編碼器。IGBT 直接串聯(lián)高壓變頻器具有快速轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)，對電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)的變化具有極快的反應(yīng)，對失電、負(fù)載突變和過電壓狀態(tài)易于控制。因此，IGBT 直接串聯(lián)高壓變頻器的優(yōu)勢特別明顯。

2.3.2

模塊化的構(gòu)造與設(shè)計(jì)保證了系統(tǒng)的高利用率

每個(gè)功率單元都是相同的，并裝在一個(gè)可抽出的機(jī)架上，模塊化的結(jié)構(gòu)使得調(diào)換功率單元只需15 min, 換一個(gè)功率單元只須斷開5 個(gè)接口和一個(gè)光纖插口。模塊化設(shè)計(jì)不僅使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分緊湊，而且也增強(qiáng)了系統(tǒng)維修的便利性，因而提高了系統(tǒng)的可利用率。

2.3.3 高效率及完善的磁通優(yōu)化

IGBT 直接串聯(lián)高壓變頻器系統(tǒng)效率在98%以上。這一效率大大超過其它變頻系統(tǒng)的效率，其它變頻系統(tǒng)的效率計(jì)算，需包括變壓器，功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，諧波濾波器等的損失。

在優(yōu)化模式狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)的磁通能自動(dòng)地與負(fù)載對應(yīng)，保證了高效率，并降低了電動(dòng)機(jī)噪音。由于磁通的優(yōu)化，根據(jù)不同的負(fù)載點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的總體效率提高1%到10%。

2.3.4 變頻總輸出的高質(zhì)量使普通電機(jī)無須降容

IGBT 直接串聯(lián)高壓變頻器輸出波形，在整個(gè)速度和負(fù)載范圍內(nèi)具有正弦波特性。適用于普通的標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)，電機(jī)無須降容，也不必使用專用變頻電機(jī)。

在低工作頻率段時(shí)，IGBT 直接串聯(lián)的高壓PWM 開關(guān)模式削弱了所有流向電動(dòng)機(jī)的諧波。在高工作頻率段，PWM 與內(nèi)置于變頻器中的微型電容器配合將諧波含量作進(jìn)一步消除。與恒速運(yùn)行相比，沒有額外的電機(jī)溫升及瞬變電壓對電動(dòng)機(jī)絕緣破壞現(xiàn)象。

2.3.5 安靜平穩(wěn)的電機(jī)運(yùn)行降低了噪聲

低噪聲運(yùn)行的直接原因是高質(zhì)量的電壓電流輸出波形。由于開關(guān)狀態(tài)是分別確定的，沒有固定的開關(guān)頻率，因此沒有使用普通PWM 技術(shù)的交流傳動(dòng)裝置中常見的共振所引起的刺耳的噪音。

結(jié)語

功率單元串聯(lián)多重化是因?yàn)槲茨芙鉀QIGBT 串聯(lián)難題時(shí)而不得已采取的一項(xiàng)過渡措施，即使其在靜態(tài)及額定負(fù)載時(shí)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)，上述存在的問題是無法掩蓋的。去掉變壓器，采用IGBT 直接串聯(lián)并對輸入端采取一些相應(yīng)措施，根據(jù)用戶的電源容量采用不同的電磁兼容（EMC）方案和電路拓?fù)湫问剑�其抗干擾能力，對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無可比擬的，認(rèn)為“是隔離變壓器就有抗干擾作用”的觀點(diǎn)，是對隔離變壓器功能的誤解。

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，從而減小了高壓變頻器的體積及重量，明顯地降低了成本，降低了元器件損耗，提高工作效率；又由于改善和增加了新的控制功能，改善了動(dòng)態(tài)特性，明顯地降低工作噪聲；另外，在結(jié)構(gòu)上容易實(shí)現(xiàn)集成化和模塊化，有效提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。因此，無輸入輸出變壓器的高壓變頻器是變頻技術(shù)的巨大進(jìn)步。