摘要  對采用輸入變壓器的高壓變頻器存在的缺點進行了剖析，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）非額定工況時的功率因數(shù)偏低，諧波污染較大； ；

3）啟動沖擊大；

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 時需要3×(5～7)個繞組（10 kV 時需3×8 個繞組）。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，其損耗是非常可觀的。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，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，這種變壓器接點多，一個延邊三角形繞組有12 個端子相連，對18 繞組的變壓器就有216 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(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，都是討論額定工況時的電流波形如何好，但大多數(shù)用戶均未運行在額定工況，這時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，若忽略勵磁電流，則變壓器鐵芯的磁通密度B 隨時間變化的曲線也是正弦波，這是因為B∝ ∝乙udt 之故。此時的勵磁電流（即空載電流io），則為非正弦波形，這是因為io磁，滋/H=B，而H∝ 導(dǎo)系數(shù)滋隨B 增大而減小。圖4 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(shè)計在接近B-H 曲線的拐點。

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，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時，勵磁電流中仍含有3 次諧波電流，當(dāng)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(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的磁密已接近磁化曲線的拐點，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，使變壓器鐵芯偏向一個方向飽和，從而產(chǎn)生很大的偶次和奇次諧波電流。整流器在運行中各相電流不平衡時，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，以及電網(wǎng)電壓大幅度突然上升時（如切除電網(wǎng)中的短路故障時），總會引起變壓器三相磁芯出現(xiàn)不同程度的異常磁飽和，從而引起極大的勵磁電流，有時會達(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，衰減的時間常數(shù)取決于電流通路的L/R 之比。該時間常數(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磁阻抗時，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。

1.2.4 關(guān)于變壓器諧波數(shù)學(xué)模型

迄今報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 隔離變壓器的啟動沖擊問題

眾所周知，如果一個供電系統(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，常常發(fā)生過大的電流沖擊。圖5 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(yán)重時接近于短路電流，甚至使系統(tǒng)保護動作開關(guān)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(dá)幾百ms。另一個特點是，沖擊電流在輸入電壓的正半周和負(fù)半周是不對稱的，如果第一個啟動沖擊電流波發(fā)生在正半周，那么負(fù)半周電流則不出現(xiàn)任何沖擊，整個過渡過程的沖擊電流都發(fā)生在正半周，如果第一個啟動沖擊電流波發(fā)生在負(fù)半周 ，

則正半周電流不出現(xiàn)任何沖擊，整個過渡過程都發(fā)生在負(fù)半周。

在隔離變壓器投運時，啟動沖擊電流的發(fā)生是隨機性的、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。

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，其抗干擾功能就一定會很強，這種觀點錯誤的。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��；而從圖8(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，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，再通過逆變器進行逆變，輸出端并接正弦波濾波器，簡單易行地實現(xiàn)了高壓變頻輸出， 直接供給高壓電動機。

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)用獨特而簡單的控制技術(shù)成功設(shè)計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)。

對于需要快速制動的場合，采用直流放電制動裝置

具有直流放電制動裝置的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，也可采用如圖11 所示的PWM 整流電路，使輸入電流也真正實現(xiàn)完美正弦波。

具備能量回饋和四象限運行的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。這對于提高性能、效率,減小體積、重量等各項主要技術(shù)經(jīng)濟指標(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)，是控制機的電為核心DSC 以壓電機，無須更換舊電機或采用特殊高壓電機。

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，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

2.3.1

無與倫比的電動機速度和轉(zhuǎn)矩控制

IGBT 直接串聯(lián)高壓變頻器的開環(huán)動態(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)計保證了系統(tǒng)的高利用率

每個功率單元都是相同的，并裝在一個可抽出的機架上，模塊化的結(jié)構(gòu)使得調(diào)換功率單元只需15 min, 換一個功率單元只須斷開5 個接口和一個光纖插口。模塊化設(shè)計不僅使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分緊湊，而且也增強了系統(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)的效率計算，需包括變壓器，功率因數(shù)補償裝置，諧波濾波器等的損失。

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

2.3.4 變頻總輸出的高質(zhì)量使普通電機無須降容

IGBT 直接串聯(lián)高壓變頻器輸出波形，在整個速度和負(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)電機和同步電機，電機無須降容，也不必使用專用變頻電機。

在低工作頻率段時，IGBT 直接串聯(lián)的高壓PWM 開關(guān)模式削弱了所有流向電動機的諧波。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一步消除。與恒速運行相比，沒有額外的電機溫升及瞬變電壓對電動機絕緣破壞現(xiàn)象。

2.3.5 安靜平穩(wěn)的電機運行降低了噪聲

低噪聲運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)多重化是因為未能解決IGBT 串聯(lián)難題時而不得已采取的一項過渡措施，即使其在靜態(tài)及額定負(fù)載時有一定的效果，但在變頻器實際工作負(fù)載及過渡和瞬態(tài)時，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�，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，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，改善了動態(tài)特性，明顯地降低工作噪聲；另外，在結(jié)構(gòu)上容易實現(xiàn)集成化和模塊化，有效提高了設(shè)備運行的穩(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)的巨大進步。