高压变频器无需输入变压器是变频技术的巨大进步

    而使用变频器, 主要就是为了节能，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20绕组的变压器就有243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，同时由于这么多端子，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。
    至于其体积大, 笨重, 则是其不可避免的天生缺陷。
    本公司1998年就开发出了这种带变压器的高压变频器, 但是我们也许是完美主义者吧, 我们不愿把我们认为有很多缺陷的产品推荐给用户, 才下决心一定要攻下这一世界难题。
    2.2 功率因数低，谐波污染大
    （1） 功率因数严重偏低
    由于移相变压器绕组多，而各绕组之间又要高等级的绝缘，这必然造成其漏感大大高于普通变压器带来的直接后果，显而易见的造成功率因数严重偏低。人们在讨论多重化时，都是讨论的额定工况时的电流波形如何好，但用户大多数均未运行在额定工况，这时的输入电流谐波同样不可忽视，电流波形如图3所示。


    （2） 变压器的谐波
    电力变压器的铁心具有非线性磁化特性，其磁滞回线（即b-h曲线）如图4（a）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，则变压器铁心的磁通密度b随时间变化的曲线也是正弦波，这是因为之故。此时的励磁电流（即空载电流io），则为非正弦波形，这是因为，而h=b/μ，磁导系数μ随b增大而减小。图4（b）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。


    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:磁心用冷轧硅钢片时，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，以及有三角形绕组作为零序电流通路，但只计电源馈供的电流而不包括三角形绕组中的电流时，i3/i1之值显著小于上述数值。而i7/i1以及更高次谐波含有率，则给出范围值的下限偏大。
    三相心式变压器的铁心没有零序磁路，但是变压器的三个心柱的磁路长度不等，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%。当变压器绕组接法以及各绕组和电网各相的连接统一规定时，否则若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。由于现代制造的变压器都设计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，尤其是其中的5次谐波电流给电压调整时造成困难。
    （3） 变压器的异常谐波和涌磁
    当直流电流或低频电流流过变压器绕组时，使变压器铁心偏向一个方向饱和，从而产生很大的偶次和奇次谐波电流。整流器在不平衡时，能引起小的直流电流流过变压器;都能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心出现不同程度的异常磁饱和，从而引起极大的励磁电流，有时达到变压器额定电流的数倍（对大、中型），甚至到十几倍（对小型压器），而且谐波含有率极大，尤其是i2和i3次谐波，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。
    而当电网的容性谐波阻抗略大于变压器的该次谐频励磁阻抗时，就会发生变压器谐波谐振，使电网中出现较稳定的、持久的高值谐波电流和电压，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。
    （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心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，尤其不适用于铁心无零序磁路的三相心式变压器。
    2.3 隔离变压器的启动冲动问题
    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的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，如果第一个冲击电流波形发生在正半周，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。


    在隔离变压器投入运行后，启动冲击电流的发生虽然是随机性的，但确是不可避免的。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，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。
    2.4 隔离效果差
    常常会有人简单地认为: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。这种认识并不一定正确。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地的问题，对由地线环路带来的设备间的相互干扰也有一定的抑制作用，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原边和副边的电压变换的，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。各种隔离变压器的抗干扰功能如图8所示。






    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8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。
    而直接高压变频器根据用户的电源容量采用不同的电磁兼容方案（emc）和电路拓朴形式，如图9所示。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不可比拟的，是完全不同层次的产品。总而言之，认为“是隔离变压器就有抗干扰作用”观点，是对隔离变压器功能的误解。

3、功率器件igbt直接串联的真正直接高压变频器

    igbt直接串联的真正直接高压变频器由电网高压直接经高压断路器进入变频器，经过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，加上正弦波滤波器，简单易行地实现高压变频输出，直接供给高压电动机。功率器件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%的高压变频调速系统。

4、结束语

    单元串联多重化是因为未能解决igbt串联难题时不得而已采取的一项过渡措施。在这种方案中由于采用了变压器而带来了一系列上述严重的问题，而有的商家宣传完美无谐波，其实是做不到的。即使在静态及额定负载时可能有一定的效果，但在变频器实际工作负载及过渡和瞬态时，上述存在的严重问题是无法掩盖的。因此，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，其对电网的影响远远小于变压器。大量的实践证明，这已是不争的事实。
    所以，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，减小了高压变频器的体积及重量，并可明显地降低成本; 降低了元器件损耗，提高工作效率; 有利于改善和增加新的控制功能，改善动态特性，可明显地降低工作噪声; 在结构上容易实现集成化和模块化，可有效提高设备的可用性。因此，高压变频器去掉输入变压器是变频技术的巨大进步。