大功率变频器中的共模电压及其消除方法

关键词：变频器；交流调速 5 多电平；共模电压
中图分类号：H8IAI；H8J>9?C
文献标识码：K
文章编号：9===L9==M（>==C）=CN==IFN=I
&()*+,-.(/ +/0 ’-1-2+1-(/ (3 &())(/ ’(04 5(61+24 -/ 7(84, &(/94,14, :(*(6(2-4.
wk.baidu.com
图 B 多电平串联 F 桥变频器的共模电压
图 H 和图 E 分别示出在接地系统中带有有源前 端的两电平 3J@ 和三电平 7’< 变频器共模电压波 形，仿真中整流桥和逆变桥的开关顺序是不同步的。
J’K= 的 3J@ 系统的共模电压典型波形。可以看出，
!)" 中包含类似输出电压 ’K= 波形，且幅值比 !"% 大很多。其电压变化率 L!?L+ 由开关器件的开通和
有效方法。由于隔离变压器次级为浮地状态，电机中
7O2 1&.!PQ.9，7R DQ.>，1R 7(Q!S(.’9，TR7OU D#9 （#$’()*)+, !-+.- /0(123)1 !-4 "25，’()*)+, 9==9@A，!6)+7； %$8(9732:(+2 -; /0(123)170 V !-:9&2(3 /+,)+((3)+,W #<(3=-+ >+).(3=)2<; ?-3-+2-; @+273)-; !7+757 AB’ CDE）
（.）有隔离变压器系统 一个系统如果采用了 隔离变压器且负载侧存在中性点，则该中性点可能 直接与大地连接，或者通过接地电阻接地。
负载中性点
与 大 地 相 连 ，可
能会产生较高漏
电流，这也取决
于总零序电抗。
图 % 无隔离变压器的电压&电流型 变频器的共模电压峰值
对某些变频器拓 扑如三电平 )#$， 可在直流母线或
摘要：由电网供电，输出到电机的三相中性点可浮动的变流器系统，在负载端往往存在共模电压。本文系统分析
了交流调速常用的几种变频器拓扑结构，如两电平电压型、电流型和多电平变频器的共模电压问题，同时考虑了采
用有源前端整流桥时的情况。文中分析了共模电压产生的原因，并对不同拓扑的共模电压幅值进行了仿真比较。最
后，讨论了共模电压的影响及其减小方法。
构的共模电压问题。除特别注明外，文中所有参数均
以标幺值（CD）形式给出。其中，将相对电机中性点的
线电压有效值取为额定电压。频率基值为 E%FG，为
了清楚显示共模电压幅值中的脉动频率，变频器的 输出频率设定为 HI4IFG。
! 电压型变频器的共模电压
本节研究不同结构电压型变频器产生的共模电 压。图 $ 示出采用二极管不控整流、逆变桥采用
7’<逆变桥的一个电平仅为直流母线电压的 &?$，使 得电压跳变较小。在器件开关速度相同的情况下， L!?L+ 也相应降低。总之，输出电压基波相同时，7’< 结构的变频器产生的共模电压比两电平 3J@ 的小。
压：
!)":
!)’;!)& $
:!<= @73
（$）
式中 !)’ 6!)& — ——电机中性点相对于正?负直流母线的电压
第 FJ 卷第 C 期 >==C 年 9= 月
电力电子技术 6#Y(+ O$(,%+#.Q,X
大功率变频器中的共模电压及其消除方法
卫三民 9，吴 斌 >，苏位峰 9，宇文博 9
（9? 北京康沃电气有限公司，北京 9==9@A；>B 瑞尔森大学，多伦多 加拿大 8CD >EFG
"#$BFJ; U#BC d,%#‘(+; >==C
!<= @73— ——逆变桥产生的共模电压，!<= @73:!)"
因此，电机中性点对地总共模电压为：
图 5 三电平 7’< 变频器驱动系统中的共模电压
!)%:!)";!"%:!<= 10A;!<= >,<:!<=
（5）
图 B 示出串联 F 桥式七电平变频器的共模电
由上式可见，系统总共模电压 !<= 由整流桥和 压仿真波形NOP。需要指出的是，该拓扑结构需要隔离
相对于地点，可得直流侧中点电压为：
电平拓扑的结果相似，只是 !)% 幅值稍小一些6因为
!"#:
!$%;!&% $
:!<= >,<
（&）
式中 !’% (!&% — ——正?负直流母线的对地电压
!<= >,<—— —整流桥产生的共模电压，!<= >,<:!"%
相对于 !"%，可由下式计算得到电机中性点电
;<.1,+=1>K$$ XYQ%,ZQ.’ ,#./(+%(+ %#[#$#’Q(X，#[(+&%Q.’ S+#P & ’+#*.:(: *%Q$Q%\ X\X%(P &.: S((:Q.’ & S$#&%Q.’ #*%[*% X\X%(P，,+(&%( ,#PP#. P#:( /#$%&’(X %Z&% &+( [+(X(.% #. %Z( $#&: (]*Q[P(.%BHZQX [&[(+ :(/($#[X & X\X%(P&%Q, &.&$\XQX #. %Z( ,#PP#. P#:( /#$%&’( Q. /&+Q#*X ,#./(+%(+ %#[#$#’Q(X %\[Q,&$$\ *X(: Q. K4 :+Q/(X，Q.,$*:Q.’ 678 "12 ^/#$%&’( X#*+,( Q./(+%(+G，412 ^,*++(.% X#*+,( Q./(+%(+G &.: P*$%Q!$(/($ Q./(+%(+XB HZ( &,%Q/( S+#.% (.: +(,%QSQ(+ *X(: Q. (&,Z %#[#$#’\ QX &$X# Q.,$*:(: Q. %Z( &.&$\XQXBHZ( X#*+,(X #S ,#PP#. P#:( /#$%&’( &+( &.&$\_(: &.: %Z( P&’.Q%*:(X #S ,#PP#. P#:( /#$%&’(X ’(.(+&%(: ‘\ :QSS(+(.% ,#./(+%(+ %#[#$#’Q(X &+( ,#P[&+(:BHZ( [+&,%Q,&$ ,#.X(]*(.,(X #S %Z( ,#PP#. P#:( /#$%&’( &.: PQ%Q’&%Q#. %(,Z.Q]*(X &+( :QX,*XX(:B1QP*$&%Q#. &.: (a[(+QP(.%&$ +(X*$%X &+( [+#/Q:(: S#+ /(+QSQ,&%Q#.B
关断时间决定。由于整流桥为二极管不控整流方式， !"% 幅值较小，频率为基频的 5 倍。
图 H 采用有源前端的两电平变频器的共模电压
图 $ 两电平 3J@ 驱动系统中的共模电压
图 5 示出接地系统中的三电平中点箝位式 （7’<）变频器共模电压波形。该系统采用了移相
’K=方案，每个器件的开关频率为 %4IHMFG，而逆变 OO
首先描述了共模电压产生的定义，并对不同拓 扑变频器，包括两电平电压型变频器（"#$%&’( )#*+,( -./(+%(+，")-）、 电 流 型 变 频 器 （0*++(.% 1#*+,( 2./(+%(+，012）以及多电平结构产生的共模电压幅值 进行了定量分析和对比。接着，分别对电压型和电 流型变频器中的共模电压进行了仿真和比较。除了 不同工作点的影响之外，还分析了其它一些实际因 素的影响，如系统对地的寄生电容，系统的接地方式
图 ! "#$ 驱动系统的共模电压
图 * 采用 +,- 整流桥的 "#$ 的共模电压
! 交流调速系统共模电压的对比
为了解决共模电压问题，许多交流调速系统采 用了隔离变压器方案。在此，分别对采用隔离变压 器和不采用隔离变压器的拓扑结构进行了比较，以 分析其共模电压的差异。
（!）无隔离变压器系统 图 % 对上述所有接地 系统中拓扑结构的共模电压进行了对比。通过改变 变频器输出到电机的电压和输出频率以体现不同工 作点对共模电压的影响。如图 % 所示，采用二极管不 控整流的两电平 )#$ 系统具有最高的共模电压峰 值，且近似为恒值。受开关动作影响，+,- 整流比相 控整流的两电平 "#$ 系统具有更高的共模电压。
图 E 带有源前端的三电平变频器的共模电压
" 电流型变频器的共模电压
本节研究 <J@ 产生的共模电压。图 I 和图 R 分 别示出采用晶闸管和 ’K= 控制整流桥的两电平 <J@ 系统的共模电压。可见，’K= 控制整流桥产生 的 !"% 较大，总的共模电压稍高一些。这两种结构均 不包含 L!?L+ 较高的电压跳变，这是电流型拓扑的 一个优点，因为被调制的是输出电流而不是电压6且 输出端滤波电容也可使得线电压波形更接近正弦。
?4@ 8(,0.>Q./(+%(+；K4 X[((: +(’*$&%Q#. b P*$%Q!$(/($；,#PP#. P#:( /#$%&’(
! 概 述"!!#$
目前，变频调速已广泛应用于包括工业领域在 内的许多行业中。在这些调速系统中，利用交!直!交 变换结构，可将幅值和频率固定的三相电压转换为 电压可调、频率可调的三相输出，去驱动三相异步电 机。在该变换过程中，需要采用电力电子开关器件! 例如在整流桥和逆变桥中。然而，开关过程往往会 导致电机端电压存在零序分量，即共模电压，在设计 变频电机时必须加以考虑。
大功率变频器中的共模电压及其消除方法
增加一个接地电阻。图 0( 给出 1 种拓扑结构的共模 电压，如带隔离变压器的两电平 )#$，三电平 2+" 结构（二极管整流&可控整流，直流侧有共模扼流 器），带有输出接地电抗器的 "#$ 结构，以及多电平 串联 / 桥结构。由图可见，当改变电机转速和电压 时，!"# 也随之变化。意即，当系统中存在隔离变压器 时，通过接地阻抗使中性点接地可极大地减小共模
!!!!!!定稿日期：>==Cc=@cF=
作者简介：卫三民（9J@Fc），男，山西人，博士，研究方 向为高压变频器。
等等。最后，简单论述了减小共模电压的几种典型方 法，并给出了仿真和试验结果。
% 共模电压 !&’ 的描述
图 3 示出 "12 和 412 框图，图中整流桥可以是 二极管不控整流，也可以是晶闸管整流或电压5电流 型 678 可控整流等结构；电机侧逆变桥可以是普 通两电平 "12，412 及多电平变频器等不同拓扑结 构。为简单起见，在图中未画出输入和输出滤波器。
逆变桥共同产生。电机 * 相对地电压则为：
变压器，因此这里给出的结果未与接地系统中的其
!*%:!*);!)%:!*);!<=
（B）
!*% 即为电机相电压 !*) 与 !<= 之和。可见，如果
不抑制共模电压，电机绕组的绝缘就可能被破坏。
下节将讨论用于交流调速的不同变流器拓扑结
他拓扑结构进行比较。尽管该系统中 !"% 和 !)" 的计 算公式与式（&）!（B）相似，但在仿真中难以定义施 加于电机的 !8Q。变压器的参数，如分布电容等均会 影响共模电压的幅值。
图 9 电压型5电流型驱动系统的框图
图中
!:—— —直流母线电容 ":— ——电感 #:—— —虚拟电阻
$—— —逆变桥输出三相电压的公共点 % —— —系统接地点，所有的变压器次级绕组通过相等
的小电容连接到 %
对于 "12 结构，!: 必须足够大;即!:<"，":<= 可 省去；而 412 与此刚好相反;":<";!:<=。#: 在实际系 统中可以不存在，在此只是为了便于得到直流侧的
地。图 0( 从共模
电压角度出发，
给出 1 种拓扑结
构比较结果。若
不使用输出滤波 器，对两电平或
图 ’( 有隔离变压器的 )#$ 和 "#$ 的共模电压峰值
2+" 高压变频器而言，3!&3$ 仍是个问题。
" 抑制方法
（!）采用隔离变压器 如图 00 所示4两电平电
压源驱动系统中采用隔离变压器是抑制共模电压的
中点电压 &$% 而设。实际系统中，如果 !: 由两组电容 IF
第 !" 卷第 # 期
电力电子技术
3(-45"6 7(4#
$%%# 年 &% 月
’()*+ ,-*./+(01.2
8./(9*+6 $%%#
并联后再串联连接，其中间连接点的电位与此等同。 桥的等效开关频率为 &4HMFG。其 !"% 和 !)" 与前述两
者交流输入端增加零序电抗器（即共模扼流器）。对
于多电平串联 / 桥结构，若电机侧对地寄生电容比
输入侧的高，则没必要增添接地电阻。电机共模电
压 !"# 幅值较小，约等于一个单元的直流电压。对于 "#$ 系统，为抑制漏电流，往往需要在中点和地之间
电压。若用足够大的零序阻抗限制共模电流，负载中
性点也可直接接