一种pwm变频器共模电压抑制技术的研究

电力电子技术Power Electronics

Vol., No.5May 2020

一种PWM变频器共模电压抑制技术的研究

，刘海舰，孙健，许恩泽

(许继集团有限公司，许继电气股份有限公司，河南许昌461000)

摘要：首先分析了脉宽调制（PWM)变频器的共模电压的产生机理和危害，推导出PWM变频器的共模电压计算 公式，然后介绍了电机端口共模电压的不同抑制策略的优缺点，再从空间矢量脉宽调制（SVPWM)算法层面研 究共模电压的产生根源，根据其原理设计了一种协同控制策略，从算法层面降低共模电压，最后通过仿真和实 验验证了协同控制策略的有效性。关键词：变频器；共模电压；协同控制中图分类号：TN77

文献标识码：A

文章编号：1000-100X(2020)05-0118-04

Research on Common-mode Voltage Suppression Technology of PWM Inverter

LIU Gang, LIU Hai-jian, SUN Jian, XU En-ze

(Xuji Group Corporation ,XJ Electric Co., Ltd., X uc hang 461000, China)

Abstract：The mechanism and harm of common-mode voltage in pulse width modulation(PWM) inverter are analyzed firstly, the formula of common-mode voltage of the PWM inverter are calculation, and then the advantages and disad­vantages of different common-mode voltage suppression strategies of motor port are introduced, the origin of common­mode voltage from the space vector pulse width modulation (SVPWM) algorithm are studied, the cooperative control algorithms is designed according to its principle, the common-voltage is reduced at the algorithm level.Finally,the ef­fectiveness of the cooperative control algorithms is verified by the simulation and experiment.

Keywords ： inverter ； common-mode voltage ； cooperative control

l引言

现代工业中，变频调速系统由于其在调速范

整流电路也存在共模电压，逆变电路同样存在。当

电动机中性点接地时，它就是输出点与地之间的 零序电压值；当电动机中性点不接地时，共模电压 值还必须在以上基础上，再加上中性点与地之间 的电压值。

共模电压的幅值[5]主要取决于寄生电容，产生 寄生电容的主要原因有：变频器散热机壳与大地 之间、直流侧与机壳之间、功率模块与散热器之 间、长线电缆与地之间、电机绕组与定子机壳之 间、电机绕组与转子之间、转子与定子之间均存在 寄生电容，此外共模电压与电压上升率、电压反射 系数也影响共模电压的幅值。图1为调速系统的 分布电容示意图。

围、驱动能力、调速精度等方面表现优异，得到了

广泛的应用，但也存在负面的影响：①变频系统产 生的高频共模电压，会在电机转轴上感应出高频 轴电压，从而形成轴电流，影响电机的使用寿命； ②变频器与电机通过长电缆连接，由于长线电缆 具有分布参数特性，即存在漏电感和耦合电容，绝 缘栅双极型晶体管(IGBT)等高速开关器件构成的 变频器输出电压脉冲的上升时间非常短，会在电 机端产生过电压，使负面效应进一步加剧。因此研 宄变频器共模电压的负面效应[1_31及其解决方法 非常重要。在理论分析共模电压产生机理的基础 上，提出了一种抑制共模电压的控制策略。2

共模电压

共模电压[41即零序电压，在电机调速发电系统 中是指电机定子绕组的中性点与地之间的电压，

定稿日期：20丨9-09-24

作者简介：（1973-),男，四川仁寿人，硕士，教授级 图1分布电容示意图

高级工程师，研究方向为电力电子及其在电力系统中的应用。 Fig. 1 The distributed capacitance diagram

118

一种PWM变频器共模电压抑制技术的研究

在变频器端口的共模电压变频器是可耐受 的，下面主要分析电机端口的共模电压，因为电机 通过长线电缆与PWM变频器相连，由于长线电 缆具有分布参数特性，即存在漏电感和耦合电容， IGBT等高速开关器件构成的PWM变频器输出电 压脉冲的上升时间非常短，根据电压反射理论，发 电机端电压峰值与电缆长度/、电压脉冲上升 有源滤波方法，常见的有LCR滤波、共模电感滤

波等。软件策略主要是改变PWM变频器开关器 件的组合状态，常见的有无零矢量PWM等。上述 硬件策略存在增加成本，且抑制效果不明显的缺 点，而软件策略存在降低直流母线利用率，增加谐 波的负面效应，影响其推广应用。

时间及电机端电压反射系数/V之间的关系为：

^{UJK+U^, t^tJ3式中：为脉冲在电缆上传输一次所需的时间，tl=l/K

为

电压脉冲在长线电缆中的传播速度，一般取光速的1/2; 仏为直流母线电压。

而电机基本电压方程为：

Uk+RJk+LjUk，dt=U贈 k=l,2,3 (2)

式中：圪为电机电阻;为电机相电感。

当A分别取1，2,3时，将上式相加得：

3

3

L'uk+(Rm+Lmd/dt)JJik=3Ua„ (3)

若电机三相绕组对称，则H

电机侧共模

3

*=1

电压{^=(1/3)1

当电机所接为三相对称正

k = \\

弦负荷时，时刻都有1=0，即不存在共模电压，

但变频器通常采用SVPWM技术，交流侧电压取 决于三相变频器的开关状态，这是系统产生共模 电压的根本原因。

根据3组桥臂上下开关的通断情况，交流侧 电压有23=8种组合，由SVPWM基本原理可知：

±UJ2,S〇，Sj±UJ6,

s,~s6

(4)

由于发电机通过长电缆连接到机侧变频器， 根据电压反射原理[6](共模电压经长电缆后使电压 发生反射现象，使共模电压增大，造成影响加剧）， 机端会产生最大2倍的过电压，因而有：

\\J.Uk=\\ S Ux

(5)

〇 k=\\ ^

x=a,b,c

根据式（5)，可得发电机端共模电压最大为：±{/女+1%0，

s〇,s7

\"cm= ‘ ±(,y,d c/3+i%〇，

c c V〇)

通过上述分析可看出在任何电压源型PWM 变频器驱动系统模电压都是存在的，这是 PWM带来的固有问题，因此共模电压只能抑制或 减小，不能消除。

目前共模电压抑制171通常有两种策略：硬件策 略和软件策略。硬件策略主要是通过无源滤波和

3共模电压抑制的协同控制策略

3.1 SVPWM算法原理

三相电压型逆变桥|8]结构图如图2所示。V,~

V6为6个功率开关管分别为6路驱动信 号，AT和/V分别为直流母线和电机的中性点。

：

-\\uicn

LV

, SW3JM kV3 i

；

和

V

4 5叫 a

V6，|^V2

图2

三相电压型变频器结构图

Fig. 2 The diagram of the three-phase voltage-type inverter

由图2可知，三相电压型逆变桥由6个功率 开关管组成，这6个开关管分别由PWM,~PWM6 信号进行驱动控制。6个功率开关管共组成3对

桥臂，工作方式是每对桥臂上的两个功率开关管 为180°互补导通工作方式。为了防止短路，每对 桥臂的上下两个功率开关管不能同时导通，因此 上下两个功率开关管采用互锁模式。其中，SA,SB， Sc分别表示A,B，C三个桥臂上的两个开关的逻 辑状态，将上桥臂功率开关管导通且下桥臂开关 管关断的状态记作“1”，上桥臂功率开关管关断且 下桥臂开关管开通的状态记作“0”。

可见,6个功率开关管共有8种开关组合，分 别是：5,(100)，52(110)，53(010)，(011)，55(001)， 56(101),5。(000)和 S7(lll)。当三相桥处于 SX100) 状态时，此时三相电压UA, 和叫分别表示三相桥开通后A，B，C和yv'之间 的电压。当电机的定子三相绕组分别通入三相平 衡的正弦电压时，此时的三相合成电压矢量为：

*i8=M/W+MBV+M〇v=ltA^+UBA€)2lr/3+Iic/Ve^ll/3：=

uAN'+uBN'd2'\",3+Ucfi'e^,',i-um'( 1 +ei2\"/3+ei4,r/3) (7)

由于1+6^/3+0^/3=〇，因此上式可化简为：

U,= UM'+ UW^，3+ Uqv'^3 (8)

由式（8)可知，虽然AT和/V的电位不等，但合 成的电压矢量表达式相等。因此三相合成电压空间 矢量与参考点无关。

由上述可以得到，三相电压型逆变器有8种

119

第卷第5期2020年5月

电力电子技木

Power Electronics

Vol., No.5May 2020

工作状态，当（5、，511义)=51(100)时，将此时三相 输出电压代入式（8),可得对应此状态下的三相合 成电压空间矢量为：

«,=^(1-^211/3-6^/3)/2=^ (9)

同理，当（SA，SB，SC)=S2(110)时，相应的三相 电

压将此时的二相输出电

压代入式（8)，可得对应该状态下的三相合成电压 空间矢量为：

«2= (1 )/2=U^13 (10)以此类推，将8种开关状态下相应的三相电 压值代入式（8)，就可得到对应三相电压型逆变桥 各个状态的几个基本空间矢量。

8种开关状态组合对应于8个空间电压矢 量，可称为基本电压矢量。3个桥臂上功率开关管 的8种开关状态组合对应的三相合成电压矢量和三相电压列于表1中。

表

1 8

种状态下的基本空间电压矢量

Table 1 Eight states of the basic space voltage vectors

5a5bSc

M,

000Uo

-UJ2-UJ2-UJ20

100Ml

UJ2-UJ2-UJ2110m

2

UJ2UJ2-UJ2010w3

-UJ2UJ2-UJ2011u4

-UJ2UJ2UJ2001w5-UJ2-UJ2UJ2u

^3

101«6UJ2-UJ2UJ21

1

1

w7

UJ2

UJ2

UJ2

0

由表1可知，8个空间电压矢量中，除了零电 压矢量和J<7以外，其余6个有效电压矢量 叫的幅值均为在空间上相互之间相差77/3。 如果在两相静止坐标系下将它们表示出来，让每 个电压矢量的起点都为坐标原点，则2个零电压 矢量位于坐标原点，6个有效电压矢量将整个坐 标平面分为相互间隔tt/3的6个扇区，见图3。

图3 8个基本电压矢量图

Fig. 3 The diagram of eight basic voltage vectors

3.2协同控制策略下的SVPWM算法原理

根据SVPWM算法原理，电机端的共模电压 可表示为电机侧变频器开关状态与电网侧开关组

120

合之差，因此电机侧与电网侧8种状态下共模电

压幅值对应关系如表2所示。

表

2 8

种状态下的共模电压

Table 2 Eight states of common mode voltages电网侧电机侧变频器

变频器

M2，M4,M6

U〇«7

0

UJ3

-UJ32UJ3U2yUAyU()

-UJ30

-2UJ3UJ3

U〇UJ32UJ3Ui

-2UJ3

-UJ3

-l

0

由表2可知，当电机侧和电网侧开关状态零 矢量相交时共模电压为最大，如果使电机侧和电 网侧开关状态同时按照同一个顺序进行切换，共

模电压值即会明显减小。

因此协同控制策略的原理是电机侧和电网侧的三角载波同时刻从零开始计数，并同时结束计 数，此时电压空间矢量在6个扇区按照同一个顺 序进行变换，以第1扇区为例，协同控制策略下输 出的PWM波形如图4所示。

CMPRCMPR3CMPRI

2I1--------!^_L_5

lPWM,

」 •PWM

,

1 ! .；

i ii

/PPWWMM,

,

i i

PWM,

：；!

-i 1

i

/

PWM,

•V4|,/2：

”0,4

/

ud

斗__

图4第1扇区的PWM波形

Fig. 4 PWM waveforms of sector 1

按照协同控制策略生成6个扇区的PWM可

以得出电机侧与电网侧8种状态下共模电压幅值 对应关系如表3所示，可见按照协同控制下的共 模电压最大只有&/3。

表

3

协同控制下的数值

Table 3 Date of cooperative control

电网侧电机侧变频器

变频器

tt2，M4，ll6

U〇m

7

0

UJ3

-UJ3—

m

2，m4，w6-UJ30—

UJ3

U〇UJ3

—

0—Ui

—

-UJ3

—

0

4仿真与实验分析

4.1 仿真参数

搭建的系统参数如下：背靠背变频调速系统

一种PWM变频器共模电压抑制技术的研究

中，电网电压690 V,母线电压1 100 V,电机采用 三相变频电机，额定转速1 600 rmirr1。4.2仿真结果

仿真过程:变频器网侧建立母线电压1 100 V， 变频器拖动电机到额定转速运行，图5a中未采用 协同控制时电机端口的共模电压峰值为1 100 V; 图5b中采用协同控制时电机端口的共模电压峰 值仅为700 V。由仿真结果可知，采用协同控制策 略从控制算法层面有效减小了共模电压的幅值。

5结论

根据共模电压的产生机理的算法层面设计了

一种协同控制策略，此控制策略从算法层面降低 了共模电压的产生，通过仿真和实验进行了验证。 可见，采用协同控制策略有效降低了共模电压的 生成，降低了共模电压在调速系统中的负面效应， 在变频调速系统中具有很高的推广应用价值。参考文献

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J-1 000

6.9 7.1

7.3

mm

t/s 7.5

7.7

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m

t/sm

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6.9 7.1 7.3 7.5 7.7（b)协同拧制策略算法

图5仿真波形

1120.

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lculation of Capacitive Coupling Between Inner and Outer Races of a Ball Bearing [A]. IEEE Power Electron­ics and Motion Control Conference[C].2008 ： 903-907.[4]

Fig. 5 Simulation waveforms

4.3 头验结果

通过某个变频调速系统现场，变频器和电机

通过150 m的长电缆连接，测试结果验证了采用协 同控制算法控制理论的正确性，图6a为未采用协 同控制策略时电机端口共模电压波形，图6b为采 用协同控制策略的电机端口共模电压波形。

管兰

e万健如，禹华军.PWM变频调速系统电机特性变化对

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略

算

法

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(a)传统SVPWM算法

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[8]张崇巍，张兴.PWM变频器及其控制[M].北京：机械

图6实验波形

Fig. 6 Experimental waveforms

工业出版社，2003.

2020年第12期“电力电子技术在氢能中的应用”专辑征文启事

为了更好地推进氢能中电力电子相关技术的研究与应用，衣刊拟将2020年第12期辟为“电力电子技术在氢能中的应$ 用”专辑，以集中反映这一领域国内外近期的研究情况、关键技术的发展和创新。专题征文范围包括：①目前国内外氢能行 业状况及相关；②MW级IGBT AC/DC制氢电源拓扑及经济性分析；③MW级低压大电流（kA)DC/DC制氢电源拓扑分）e

■析与比较；④大功率IGBT AC/DC制氬电源的控制策略；⑤大功率低压大电流（kA)DC/DC制氢电源的控制策略；©风光互t

补制氢用微网的结构和优化配置方法；⑦风光互补制氢用微网的控制和保护技术；⑧氢燃料电池汽车高功率密度DC/DC变$ 换器设计技术；©氬燃料电池技术的应用。上面专题是本次征稿的重点方向，但不局限于此，与氬能中电力电子技术相关的#

.研究都可以投稿，欢迎广大学者和专家踊跃投稿。

欲投稿的作者请在2020年9月30曰前将论文发送到本刊编辑部邮箱（Email:dldzjstg@163.com),并注明“电力电子技

:术在氢能中的应用”专辑字样。所投论文将按本刊常规审稿程序请国内外同行专家评审，评审结果将于2020年10月31曰^ :前通知作者。本刊遨请北京低碳清洁能源研究院杨高工和西南交通大学郭世明教授作为本专辑的特遨主编，对本领域^

的研究及专辑的论文进行分析和点评。

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