大功率变频器中的共模电压及其消除方法

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。
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。
中点电压 &$% 而设。实际系统中，如果 !: 由两组电容 IF
第 !" 卷第 # 期
电力电子技术
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并联后再串联连接，其中间连接点的电位与此等同。 桥的等效开关频率为 &4HMFG。其 !"% 和 !)" 与前述两
第 FJ 卷第 C 期 >==C 年 9= 月
电力电子技术 6Байду номын сангаасY(+ O$(,%+#.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
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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
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
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
（$）
式中 !)’ 6!)& — ——电机中性点相对于正?负直流母线的电压
相对于地点，可得直流侧中点电压为：
电平拓扑的结果相似，只是 !)% 幅值稍小一些6因为
!"#:
!$%;!&% $
:!<= >,<
（&）
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
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
（.）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
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
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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
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
$—— —逆变桥输出三相电压的公共点 % —— —系统接地点，所有的变压器次级绕组通过相等
的小电容连接到 %
对于 "12 结构，!: 必须足够大;即!:<"，":<= 可 省去；而 412 与此刚好相反;":<";!:<=。#: 在实际系 统中可以不存在，在此只是为了便于得到直流侧的
者交流输入端增加零序电抗器（即共模扼流器）。对
于多电平串联 / 桥结构，若电机侧对地寄生电容比
输入侧的高，则没必要增添接地电阻。电机共模电
压 !"# 幅值较小，约等于一个单元的直流电压。对于 "#$ 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
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