变频技术的巨大进步

摘要  对采用输入变压器的高压变频器存在的缺点进行了剖析，介绍了无输入输出变压器的高压变频器的主电路以及IGBT 直接串联技术、直接速度控制（DSC）技术、正弦波技术、抗共模电压技术等四项核心技术，指出无输入输出变压器的高压变频器是变频技术领域的巨大进步。  

关键字  IGBT 直接串联；高压变频器；高压变压器  

引言

高—低—高型高压变频器是通过变压器将高电压降下来，变频后再通过电路组合将电压升上去的装置，而高—高型高压变频器是指高压直接输入进行整流、逆变的装置，主电路中无任何高压变压器。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IGBT 串联属电力电子技术中的难题，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问题，这也带来了诸多问题。高—高型变频器正是在解决了高速功率器件IGBT 串联的技术难题后，才诞生出来的。带有隔离变压器的高压变频器设备，存在着以下四个方面的问题： ：

1）能耗高，效率低，体积大而笨重；

2）非额定工况时的功率因数偏低，谐波污染较大； ；

3）启动冲击大；

4）隔离效果差。

拥有IGBT 直接串联技术、直接速度控制（DSC） ）技术、正弦波技术、抗共模电压技术等四项核心技术的佳灵高压变频器能够有效地解决上述问题。

1采用高压变压器的高压变频器存在的缺点分析

1.1 能耗高效率低体积大而笨重问题

高—低—高型高压变频器利用低压单相变频器功率单元串联组成，各功率单元由一个二次侧为多绕组的移相隔离变压器供电。移相变压器二次侧在6 kV 时需要3×(5～7)个绕组（10 kV 时需3×8 个绕组）。为减小谐波电流改善输入电流波形，移相变压器二次侧采用按一定规律相互间移相的延边三角形接法，如图1 所示。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，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绕组中产生环流，而这种环流只产生损耗，并不做功，其损耗是非常可观的。常规变压器的效率可做到98%～ ～99%，而这种变压器的效率只能做到94%～ ～96% （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60% ～ ～70%，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

使用变频器主要是为了节能，其负载率经常处于50%～90% 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18 绕组的变压器就有216 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，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。故体积大，笨重，是其不可避免的天生缺陷。

1.2 2非额定工况时的功率因数偏低谐波污染较大的问题

1.2.1关于功率因数问题

由于移相变压器绕组多，而各绕组之间需要高等级的绝缘，这必然造成其漏感大大高于普通变压器，带来的直接后果是功率因数偏低。人们在讨论多重化时，都是讨论额定工况时的电流波形如何好，但大多数用户均未运行在额定工况，这时的电流谐波同样不可忽视，如图3 所示。

图3 额定负载与非额定负载时的电流波形图

1.2.2 变压器的谐波问题

电力变压器的铁芯具有非线性磁化特性，其磁滞回线（即B-H 曲线）如图4 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，则变压器铁芯的磁通密度B 随时间变化的曲线也是正弦波，这是因为B∝ ∝乙udt 之故。此时的励磁电流（即空载电流io），则为非正弦波形，这是因为io磁，滋/H=B，而H∝ 导系数滋随B 增大而减小。图4 中实线表示io(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% 。这是因为变压器的额定B 值一般设计在接近B-H 曲线的拐点。

图4 变压器的B-H 曲线和滋、B、i0 的波形

据文献介绍，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：磁芯用冷轧硅钢片时，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%。

对于没有零序磁路或（和）零序电流通路的三相变压器，以及由三角形联结的绕组作为零序电流通路的三相变压器，在只计电源馈供的电流而不包括三角形联结的绕组中的电流，I3/I1 之值显著小1I/7I。而值述数于上以及更高次谐波含有率，则给出范围值的下限偏大。

三相星式变压器的铁芯没有零序磁路，但是变压器的三个芯柱的磁路长度不等，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允许值。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%。变压器绕组接法以及各绕组和电网各相应按统一方式连接，否则，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。由于变压器在额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提高，尤其是5 次谐波电流给电压调整造成困难。

1.2.3 变压器的异常谐波和涌磁问题

当直流电流或低频电流流过变压器绕组时，使变压器铁芯偏向一个方向饱和，从而产生很大的偶次和奇次谐波电流。整流器在运行中各相电流不平衡时，引起小的直流电流流过变压器，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突然上升时（如切除电网中的短路故障时），总会引起变压器三相磁芯出现不同程度的异常磁饱和，从而引起极大的励磁电流，有时会达到变压器额定电流的数倍（对大、中型变压器），甚至十几倍（对小型压器），而且谐波含有率极大，尤其是I2 和I3，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。

当电网的容性谐波阻抗略大于变压器的该次谐波励磁阻抗时，就会发生变压器谐波谐振，使电网中出现较稳定的、持久的高次谐波电流和电压，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。

1.2.4 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芯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绝大多数变压器，即三相磁路长度相差很大的三相变压器，尤其不适用于铁芯无零序磁路的三相星式联结的变压器。

1.3 隔离变压器的启动冲击问题

众所周知，如果一个供电系统中存在变压器(诸如隔离变压器、自耦调压器，或者负载输入端的降压变压器等)，当系统启动时，常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铁芯的磁化曲线和输入电压电流波形；图5(b) 所示为输入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，甚至使系统保护动作开关跳闸，冲击电流由大到小衰减。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渡过程长达几百ms。另一个特点是，冲击电流在输入电压的正半周和负半周是不对称的，如果第一个启动冲击电流波发生在正半周，那么负半周电流则不出现任何冲击，整个过渡过程的冲击电流都发生在正半周，如果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，整个过渡过程都发生在负半周。

在隔离变压器投运时，启动冲击电流的发生是随机性的、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，如降低系统零地电位差，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。

1.4 隔离效果差问题

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，这种观点错误的。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。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。

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接地问题，对由地线环路带来的设备间的相互干扰有一定的抑制作用，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一次侧和二次侧的电压变换的，因而它不具备抗差模干扰的功能。在lkHz～ ～100MHz 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，要提高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。

图7 超级隔离变压器

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，从图中可以看出，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。

(a) 普通隔离变压器

(b) 带屏蔽层隔离变压器

(c)超级隔离变压器

图8 各种隔离变压器的抗干扰功能

2 通过IGBT 串联实现直接高压变频器

2.1 主电路简介

从图9 可知，电网高压电经高压断路器进入变频器后，经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，输出端并接正弦波滤波器，简单易行地实现了高压变频输出， 直接供给高压电动机。

图9 IGBT 直接串联高压变频器

IGBT 直接串联的二电平电压型高压变频器是采用变频器已有的成熟技术，应用独特而简单的控制技术成功设计出的一种无输入输出变压器、IGBT 直接串联逆变、输出效率达98%的高压调速系统。

对于需要快速制动的场合，采用直流放电制动装置

具有直流放电制动装置的IGBT 直接串联高压变频器主电路图

如果需要四象限运行，以及需要能量回馈的场合，或输入电源侧短路容量较小时，也可采用如图11 所示的PWM 整流电路，使输入电流也真正实现完美正弦波。

具备能量回馈和四象限运行的IGBT 直接串联高压变频器主电路图

2.2

IGBT 直接串联高压变频器技术介绍

2.2.1

高速功率可关断器件的串联技术

佳灵独有的世界首创高速功率可关断器件，特别是IGBT 直接串联，使真正无输出、输入变压器的高压变频器成为现实。这对于提高性能、效率,减小体积、重量等各项主要技术经济指标，是以往任何一种变频器都无法比拟的。

2.2.2 直接速度控制（DSC）技术

转差控制、矢量控制、直接转矩控制（DTC）技术之后的由佳灵首创的新型控制技术，可采用开环或闭环控制，其鲁棒性超过以往的任何一种控制技术。

2.2.3 抗共模电压技术

采用抗共模电压技术，使高压变频器彻底去掉输入、输出变压器得以实现，使佳灵公司高压变频器成为世界上同等容量中体积最小的变频器，并对电机无特殊的绝缘要求，完全适用于普通新、旧高、控制f/V继技术，是控制机的电为核心DSC 以压电机，无须更换旧电机或采用特殊高压电机。

2.2.4 正弦波技术

输入电流正弦波技术，提高了功率因素，降低了对电网的干扰，特别是根据电源及负载的情况， ，输入端可用多种不同的配置，以符合IEEE519-92 的要求。更可满足四象限快速加减速等场合的应用要求。该技术在波形发生、滤波材料、设计方面的创新和优化，使输出电压谐波失真小于3%，使得这种变频器适用于任何电机，而无距离限制的要求。

2.3

IGBT 直接串联高压变频器的性能特点

2.3.1

无与伦比的电动机速度和转矩控制

IGBT 直接串联高压变频器的开环动态速度控制精度与采用闭环磁通矢量控制的变频器相对应。其静态速度控制精度通常为正常转速的0.1% 至0.5%，能满足大多数工业领域的要求。在速度调节精度要求更高的场合，可采用脉冲编码器。IGBT 直接串联高压变频器具有快速转矩阶跃响应，对电网侧和负载侧的变化具有极快的反应，对失电、负载突变和过电压状态易于控制。因此，IGBT 直接串联高压变频器的优势特别明显。

2.3.2

模块化的构造与设计保证了系统的高利用率

每个功率单元都是相同的，并装在一个可抽出的机架上，模块化的结构使得调换功率单元只需15 min, 换一个功率单元只须断开5 个接口和一个光纤插口。模块化设计不仅使系统结构十分紧凑，而且也增强了系统维修的便利性，因而提高了系统的可利用率。

2.3.3 高效率及完善的磁通优化

IGBT 直接串联高压变频器系统效率在98%以上。这一效率大大超过其它变频系统的效率，其它变频系统的效率计算，需包括变压器，功率因数补偿装置，谐波滤波器等的损失。

在优化模式状态，电动机的磁通能自动地与负载对应，保证了高效率，并降低了电动机噪音。由于磁通的优化，根据不同的负载点，电动机和传动系统的总体效率提高1%到10%。

2.3.4 变频总输出的高质量使普通电机无须降容

IGBT 直接串联高压变频器输出波形，在整个速度和负载范围内具有正弦波特性。适用于普通的标准感应电机和同步电机，电机无须降容，也不必使用专用变频电机。

在低工作频率段时，IGBT 直接串联的高压PWM 开关模式削弱了所有流向电动机的谐波。在高工作频率段，PWM 与内置于变频器中的微型电容器配合将谐波含量作进一步消除。与恒速运行相比，没有额外的电机温升及瞬变电压对电动机绝缘破坏现象。

2.3.5 安静平稳的电机运行降低了噪声

低噪声运行的直接原因是高质量的电压电流输出波形。由于开关状态是分别确定的，没有固定的开关频率，因此没有使用普通PWM 技术的交流传动装置中常见的共振所引起的刺耳的噪音。

结语

功率单元串联多重化是因为未能解决IGBT 串联难题时而不得已采取的一项过渡措施，即使其在静态及额定负载时有一定的效果，但在变频器实际工作负载及过渡和瞬态时，上述存在的问题是无法掩盖的。去掉变压器，采用IGBT 直接串联并对输入端采取一些相应措施，根据用户的电源容量采用不同的电磁兼容（EMC）方案和电路拓扑形式，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无可比拟的，认为“是隔离变压器就有抗干扰作用”的观点，是对隔离变压器功能的误解。

IGBT 直接串联高压变频器由于采用了新的电路结构和控制技术，去掉了电源输入端的高压变压器，从而减小了高压变频器的体积及重量，明显地降低了成本，降低了元器件损耗，提高工作效率；又由于改善和增加了新的控制功能，改善了动态特性，明显地降低工作噪声；另外，在结构上容易实现集成化和模块化，有效提高了设备运行的稳定性和可靠性。因此，无输入输出变压器的高压变频器是变频技术的巨大进步。