PWM逆变器共模电压抑制策略的综述

变频调速技术虽然实现了节能减排目的。但 是，在电机系统中由于变频器输出的三相对地电 压之和不恒等于零，因此在电机的定子绕组中产 生了交变的共模电压[3]。由于电机定子、转子之 间和电机外壳之间存在寄生电容，在共模电压的 作用下，会在电机轴上形成电荷的累积[4-6]。电机 轴上使用绝缘的润滑剂，因此电机轴内外层没有
为了减低 PWM 逆变器的输出共模电压对电 机的损坏，保障电机可靠工作，延长电机的寿命，
必须采取措施抑制 PWM 逆变器输出的共模电 压。
在上个世纪 90 年代后期，国外的一些学者才 开始对 PWM 逆变器电机传动系统进行传导性电 磁干扰的研究。而且早期的研究只是局限于传导 性电磁干扰进行的预测。为共模电压的预测和治 理提供了理论基础。1998 年，Li Ran 分别从时域 和频域的角度对三相 PWM 变流器电机调速系统 进行了传导性干扰的建模分析[13-14]。2002 年 L. Arnedo 使用了 Pspice 仿真研究了 PWM 逆变器传 动系统中传导性电磁干扰和长电缆引起的电机端 的过电压。建立电机的 dq 坐标系下的高频信号模 型，对电缆采用了集中参数模型，IGBT 采用了 高频信号模型。基于以上模型研究了在不同的电 缆长度和逆变器电压上升时间的情况下，电机端 电压的过压情况和系统中共模电磁干扰[15]。
变器共有 27（N3=27,N=3）种开关状态，表 II 中 描述了三电平开关状态以及对应输出共模电压。
表 II 三电平开关状态以及输出共模电压 TABLE II three-level switch stats and output
common-model voltages
组
开关状态
共模电压
A
+++
双三电平消除共模电压拓扑结构如图 2 所 示，感应电机的绕组的两端分别连接三电平逆变 器。图 2 中的三电平的拓扑结构，采用两个两电 平级联的形式，与传统的二极管箝位型三电平相 比，不需要箝位二极管，只需要使用传统的两电 平主电路即可实现。与级联 H 桥结构相比，相同 的电平输出，使用的管子数目相同，而需要的直 流电源最少[27]。
Keywords: PWM inverter，common-mode voltages，control strategy，bearing current
1 引言
变频调速系统具有：功率因数高、调速范围 宽、启动转矩大、改善交流电机系统的动态性能， 提高电机的效率等优点[1-2]。因此变频调速技术在 工业中得到广泛的应用。电力电子变频器是交流 变频调速系统的主要设备。
电气连接，当电荷累积到一定程度，会击穿绝缘 的润滑剂，产生轴电流和漏电流，形成共模电磁 干扰。共模电磁干扰会引起用于保护的接地电流 继电器误动作，并且影响电网上其它用电设备的 正常工作[7]。另一方面，共模电压过大，会使电 机的轴电压、轴电流过大，引起电机发热，加速 电机轴承老化，降低电机寿命，并损害电机[8-9]。 如果电机未接地或者接地不良就会发生电击事故 [10]。电机轴损害占电机总损坏的 40%，而其中的 25% 的 轴 损 坏 时 由 脉 宽 调 制 逆 变 器 供 电 引 起 [11-12]。
3 零共模电压开关状态调制
3.1 零共模电压调制原理
传 统 的 SVPWM(space vector pulse width
modulation) 和 SPWM(sinusoidal pulse width
modulation)主要考虑消除提高逆变器的动态性能
以及减少开关损耗。采用零共模电压开关状态调
PWM 变流器产生的共模电压的抑制策略的 研究相对晚一些。现有的研究策略主要针对调制 算法[16-17]，电机的结构[18-20]，逆变器的结构[21-23] 和 增 加 输 出 滤 波 器 [1][24] 等 几 个 方 面 。 对 于 SVPWM 调制算法抑制共模电压的思想是采用了 输出共模电压为零的空间矢量进行调制。利用电 机的结构抑制共模电压主要是通过增加电机的绕 组数，消除共模电压，例如：双三相电机，四相 电机，双馈电机。通过改进逆变器的结构可以消 除共模电压，例如：采用双逆变器结构，此时电 机的绕组两端分别接在两个逆变器上。采用三相 四桥臂逆变器，通过增加一个桥臂，抑制共模电 压。加入 EMI 滤波器， EMI 滤波器又分为无源 EMI 滤波器，有源 EMI 滤波器。
2 共模电压产生原理
PWM 逆变器输出的共模电压定义[17]：
Vcom=(Va+Vb+Vc)/3
(1)
对于两电平逆变器每相输出的电压有+Vdc/2 或
-Vdc/2 两种情况。两电平共有 8（N3=8,N=2）种开
关状态，如表 I 所示
表 I 两电平开关状态以及输出共模电压
Table I Two-level switch states and output common-mode
PWM 逆变器共模电压抑制策略的综述
朱荣伍 伍小杰 戴 鹏 王颖杰
（中国矿业大学信息与电气工程学院 江苏 徐州 221008） 摘要 基于 PWM(pulse width modulation)逆变器的电机控制系统，提高电机的动态性能和 能源利用效率。但是 PWM 逆变器在电机端子上产生的共模电压与电机内寄生电容的相互作用 下产生轴电流。轴电流会造成电机轴过早的损坏，影响电机使用寿命。本文分析 PWM 逆变器 系统共模电压产生的原因和抑制的理论基础，并对基于 PWM 逆变器共模电压所采用的各种抑 制策略进行分析和比较。最后，展望了基于 PWM 逆变器电机系统的共模电压抑制策略的研究 热点和研究方向。 关键词：PWM 逆变器 共模电压 抑制策略 轴电流 中文图分类号：TM464
制的控制策略可用于任意奇数电平的逆变器，适
用性强。 表 II 可以看出，三电平的 27 个开关状态中
只有 7 个开关状态对应输出的共模电压为零。如 果只采用这 7 个零共模电压开关状态合成参考矢 量，那么输出的共模恒等于零。由图 1 可以看出， 输出空间电压矢量的幅值由 W 变成 V。此时线性 调制区内输出电压矢量的幅值等于 Udc/2,与而传 统三电平线性调制区内输出电压的幅值为
dt
(2)
在一个开关周期中认为电压矢量恒定，又因为
V7=0，可以将式(2)化简为
V1 ⋅ T1 + V2 ⋅ T2 = Vref ⋅ Ts
(3)
其中，Ts 为开关周期，T7 为零矢量 V7 作用时间，
T1 为电压矢量 V1 作用时间，T2 为电压矢量 V2 作
用时间，且 T7=Ts-T1-T2。
图 1 七个零共模电压开关状态
An Overview of Common-Mode Voltage Elimination for PWM Inverters Zhu Rongwu Wu Xiaojie Dai Peng Wang Yingjie
(China University of Mining and Technology Xuzhou 221008 China)
Fig.1 seven state with zero common voltage
3.2 中点电位控制 三电平中点电位平衡，是 PWM 变流器可靠
工作的前提条件。对于常规的三电平调制算法， 可以通过合理的选择冗余小矢量调节中点电位。 本节为了抑制共模电压，采用了零共模电压(zero common-mode, ZCM)空间矢量调制的策略。由图 1 可以看出 ZCM 矢量只包含中矢量和零矢量，不 包括小矢量。因此不能够通过软件的策略调节正 负小矢量控制中点电位。本文介绍在 ZCM 矢量 调制时，控制中点电位的两种方法：附加电路[28] 和三相四桥臂[29]。 3.2.1 附加电路控制中点电位
图 2 双三电平电机绕组开路结构
Fig.2 Schematic of dual three-level fed open end
winding induction motor drive
4.1 双三电平共模电压定义
voltages
组
开关状态
共模电压
A
+++
+Vdc/3
B
++-,+-+,-++，
+Vdc/6
C
+--,-+-,--+
-Vdc/6
D
---
ห้องสมุดไป่ตู้
+Vdc/3
为了进一步表达开关状态的含义，举例说明
开 关 状 态 (+--) 代 表 Va=+Vdc/2 ， Vb=-Vdc/2 ， Vc=-Vdc/2，将各量代入公式(1)可以得到该开关状 态输出的共模电压为 Vcom1= -Vdc/6。将各种开关状 态对应的输出相电压代入公式(1)可以得到各种 开关状态所对应的输出共模电压。由表 I 可得两 电平输出的共模电压都不等于零。对于三电平逆
与采用三电平 EMI 硬件滤波器大方法滤除 共模电压相比，三相四桥臂结构减少了设备的体 积和重量，随着 PWM 变流器的容量增加，这种 优点更加突出。
还有一些文献采用了，0 共模电压矢量和 േVdc/6 的共模电压的空间矢量调制，适当降低输 出共模电压的幅值，降低共模电压对系统的影响。
4 双三电平共模电压抑制
B
++0,+0+,0++，
C ++-,+-+,-++,+00, 0+0, 00+
D +0-,0+-,-+0, -0+,0-+,+-0, 000
+Vdc/2 +Vdc/3 +Vdc/6
0
E
+--,-+-,--+,0-0,-00,00-
F
0--,-0-,--0
G
---
-Vdc/6 -Vdc/3 - Vdc/2
在母线的上下电容上分别添加 Boost 和 Buck 电路。根据母线的上下电容电压的差调整 Boost 电路和 Buck 电路工作工作状态，维持中点电位 平衡。该策略增加了主电路的结构和控制策略的 复杂性。 3.2.2 三相四桥臂中点电位
与传统的二极管箝位型三电平电路相比，该 结构增加了一个附加桥臂，附加桥臂的输出通过 电感连接到直流母线电容的中点。在一个开关周 期中比较上下母线电容的电压的差值，根据差值 决定上下开关管导通状态，从而控制附加桥臂对 中点电容的充放电电流。附加桥臂的电流流入或 流出控制了母线电压的平衡。
Udc / 3 ,因而调制比为原来的 3 / 2 ，降低了母 线电压的利用率。
在图 1 中，参考电压矢量落在由电压矢量 V1， V2，V7 所组成的区域内。根据伏秒平衡原则，可 得：
∫ ∫ ∫ ∫ V Ts 0 ref
⋅ dt
=
T1 0
V1
⋅
dt
+
T1 T1
+T2
V2
⋅
dt
+
Ts T1 +T2
V7
⋅
Abstract Based on PWM inverter motor drives system, has made a significant contribution to increasing the energy utilization efficiency as well as improving system the dynamic performance and productivity. The bearing current, which caused by the interaction of the generated common-model voltage in the PWM inverter and the motor-inner parasitic capacitances, speeds up aging of the motor bearing and shorten service life of the motor. The reason of common-mode voltage bringing and elimination of it are analyzed in this paper and then some control strategies are introduced base on the PWM inverter. At last, the advantages and disadvantages of all control strategies are discussed in this paper and the prospect research focus are given.