摘 要 ：由電網(wǎng)供電，輸出到電機(jī)的三相中性點(diǎn)可浮動的變頻器驅(qū)動系統(tǒng)中，其負(fù)載端往往存在共模電壓。對于串聯(lián)H橋高壓變頻器來說，雖然其共模電壓很小，但本質(zhì)上共模電壓仍然存在。由于此結(jié)構(gòu)中存在變壓器，且每相由多個H橋單元串聯(lián)而成，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，為共模電壓的分析增加了難度。本文首先給出共模電壓的一般定義，然后提出一種串聯(lián)H橋多電平變頻器共模電壓的分析方法，并給出仿真結(jié)果。仿真結(jié)果和參考文獻(xiàn)中的實(shí)際測量結(jié)果非常接近，驗(yàn)證了所提出方法的有效性。 關(guān)鍵詞： 多電平變頻器 共模電壓 仿真 1 引言 目前，變頻調(diào)速已被廣泛應(yīng)用于包括工業(yè)領(lǐng)域在內(nèi)的許多行業(yè)中。在這些調(diào)速系統(tǒng)中，采用交－直－交變換結(jié)構(gòu)，將三相幅值固定、頻率固定的輸入電壓轉(zhuǎn)換為電壓可調(diào)、頻率可調(diào)的三相輸出，驅(qū)動三相異步電機(jī)。在這個變換過程中，需要采用電力電子開關(guān)器件，例如在整流橋和逆變橋中。但是這種開關(guān)切換過程，往往會導(dǎo)致電機(jī)端電壓存在零序分量(即共模電壓(CMV))，變頻電機(jī)的設(shè)計(jì)就必須考慮到此問題。 本文首先對共模電壓的定義和產(chǎn)生原因進(jìn)行描述，然后對串聯(lián)H橋變頻器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。在此基礎(chǔ)上給出串聯(lián)H橋變頻器共模電壓的分析方法，以及仿真電路結(jié)構(gòu)。 最后，本文將給出一組典型參數(shù)下該系統(tǒng)的仿真結(jié)果，并和參考文獻(xiàn)中實(shí)際測量的電壓波形進(jìn)行比較。串聯(lián)H橋變頻器共模電壓的幅值不但與各二次側(cè)繞組對地的電容值，各H橋單元直流環(huán)節(jié)的電壓有關(guān)，而且也和控制方法有密切的關(guān)系。 仿真和試驗(yàn)結(jié)果非常接近，充分說明了文中對共模電壓的分析有一定的參考價值。 2 共模電壓的描述 圖1為電壓源型和電流源型變頻器的系統(tǒng)框圖。圖中，整流橋可以是二極管不控整流，也可以是晶閘管整流或電壓/電流源型PWM可控整流等結(jié)構(gòu);電機(jī)側(cè)的逆變橋可以是普通兩電平電壓源型變頻器(VSI)、電流源型變頻器(CSI)以及多電平變頻器等不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為簡單起見，輸入和輸出 的濾波器在圖中沒有畫出。對于VSI結(jié)構(gòu)，直流母線電容Cd必須足夠大，電感Ld可以省去;而CSI與此剛好相反。虛擬電阻Rd在實(shí)際系統(tǒng)中可以不存在，在此只是為了方便得到直流側(cè)的中點(diǎn)電壓。實(shí)際系統(tǒng)中，如果跨接直流母線的電容是兩組電容并聯(lián)后再串聯(lián)連接，其中間連接點(diǎn)的電位與此等同。相對于系統(tǒng)接地點(diǎn)G，直流側(cè)的中點(diǎn)電壓可以由下式得到: (1) 式(1)中，vPG和vNG分別為正/負(fù)直流母線的對地電壓。實(shí)際上，vZG為整流橋產(chǎn)生的共模電壓。電機(jī)中性點(diǎn)相對于直流側(cè)中點(diǎn)的電壓可由下式計(jì)算得到: (2) 式(2)中，vOP和vON分別為電機(jī)中性點(diǎn)相對于正/負(fù)直流母線的電壓;vOZ為逆變橋產(chǎn)生的共模電壓。因此，電機(jī)中性點(diǎn)對地總的電壓為: (3) 式(3)給出了整流橋和逆變橋產(chǎn)生的總的共模電壓。電機(jī)的A相對地電壓則如下式: (4) 即為電機(jī)相電壓vAO與系統(tǒng)總共模電壓vCM之和。可以看出，如果不抑制共模電壓vCM，電機(jī)繞組的絕緣可能會被破壞。 3 串聯(lián)H橋變頻器的結(jié)構(gòu) 圖2為7電平串聯(lián)H橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從圖中可以知道，每相由三個H橋單元組成，輸出串聯(lián)連接。G為曲折連接變壓器一次側(cè)的等效中性點(diǎn)，可以認(rèn)為其與大地相聯(lián)，O為電機(jī)的中性點(diǎn)，Vt1～Vt9為變壓器9個二次側(cè)的等效中性點(diǎn)。為了分析方便，圖中還給出了Vm1～Vm9，分別為9個功率單元直流環(huán)節(jié)直流電壓的中點(diǎn)，上下兩個電容平均承擔(dān)直流電壓;Va1～Va3，Vb1～Vb3，Vc1～Vc3分別為9個功率單元的輸出電壓;Va，Vb，Vc為輸出到電機(jī)上的三相電壓。 對于每個H橋單元，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。經(jīng)過分析可以知道，其等效電路圖如圖4所示。圖4中包括功率單元中整流橋產(chǎn)生的共模電壓，以及H橋逆變橋產(chǎn)生的共模電壓。 根據(jù)圖4可以把圖2簡化為圖5的電路結(jié)構(gòu)，即串聯(lián)H橋共模電壓的分析電路。從圖4和圖5中可以知道，在串聯(lián)H橋多電平變頻器中，共模電壓與電容C的大小、直流電壓Vdc以及控制方法有關(guān)?？刂品椒〞绊懙綀D4中的Vpos和Vneg兩個電壓。 對圖5還可以進(jìn)行進(jìn)一步簡化，然后進(jìn)行仿真和分析。為了分析方便，以上都假設(shè)了變壓器的所有二次側(cè)對地電容都相同，而在實(shí)際中，這些值很難完全相同，可能分別為各不相同的C1～C9。 由于這種結(jié)構(gòu)的變頻器中存在變壓器，如果電機(jī)的中性點(diǎn)沒有接地，電機(jī)就存在共模電壓。當(dāng)電機(jī)的中性點(diǎn)接地后，共模電壓仍然存在，沒有消失，但會轉(zhuǎn)移到變壓器上。由于變壓器比較容易設(shè)計(jì)以提高耐壓值，加上這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本身的共模電壓較小，所以在很多場合幾乎忽略了這個共模電壓。 4 共模電壓的仿真仿真結(jié)果 對于一組典型的實(shí)際測量參數(shù)，9電平串聯(lián)H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)如附表所示: 附表 9電平串聯(lián)H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù) A相電容 容值(pF) B相電容 容值(pF) C相電容 容值(pF)電機(jī)中性點(diǎn)對地的電容Cm為65000pF。其它參數(shù)見文獻(xiàn)[2]。根據(jù)所提出的電路結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果如圖6所示。仿真時，PWM控制方法為純正弦波調(diào)制方法，調(diào)制因數(shù)MI為1。 仿真結(jié)果和參考文獻(xiàn)中給出的結(jié)果非常接近。圖6中的編號參見參考文獻(xiàn)。 為了對結(jié)果進(jìn)行更加仔細(xì)的觀察，圖7給出了改變控制方法，即純正弦波疊加3次諧波時的PWM控制方法時MI仍然為1的仿真波形。從中可以看出，疊加次諧波時，電機(jī)共模電壓略有上升。 5 結(jié)束語 本文首先對通用變頻器中的共模電壓及其定義給出了介紹，然后對串聯(lián)H橋多電平變頻器的共模電壓分析方法進(jìn)行了研究，并給出了一種新的便于分析的電路結(jié)構(gòu)。基于該簡化電路，對一組典型測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真研究，所得到的結(jié)果與實(shí)際值非常接近。進(jìn)一步的研究表明，共模電壓與變壓器二次側(cè)繞組的對地電容、電機(jī)中性點(diǎn)對地電容、功率單元直流側(cè)電壓以及各H橋單元的PWM控制方法都有關(guān)系。 參考文獻(xiàn) [1] Y. Shakweh, E.A. Lewis, ‘Assessment of Medium Voltage PWM VSI Topologies for Multi-megawatt variable speed Drive Application’, In Conf. Rec. EPE 98, 1998 [2] D.A.Rendusara, E.Cengelci, P.N.Enjeti, et al, “Analysis of common mode voltage – “neutral shift in medium voltage PWM adjustable speed drive (MV-ASD) systems”, IEEE Trans. On PE, Vol 15, No. 6, 2000, pp1124 1133 [3] Sanmin Wei, N.Zargari, B.Wu and S.Rizzo, “Comparison and Mitigation of Common Mode Voltage in Power Converter Topologies” Industry application society conference(IAS), 2004 作者簡介 劉 忱(1973-) 深圳康沃電氣技術(shù)有限公司研發(fā)部經(jīng)理。從事變頻技術(shù)的研究、產(chǎn)品開發(fā)、技術(shù)管理。