高壓變頻器和電子電力變壓器共模電壓的思考

富勤飛 顧月剛

摘要：高壓變頻器及電子電力變壓器的應用，可以很好地支撐電力系統的健康發展，但采用變換器為電機提供電源時，共模電壓會嚴重影響電機性能。本文首先對高壓變頻器共模電壓及其抑制措施進行探討，進而探討電子電力變壓器共模電壓抑制策略。

關鍵詞：高壓變頻器；電子電力變壓器；共模電壓

前言：

隨著電力系統的高速發展，大功率電力電子技術的應用愈發普遍，而傳統電力系統運行過程中存在的能源浪費及共模電壓等負面問題，依舊需要加以改善。而高壓變頻器及電子電力變壓器運行過程中，共模電壓的存在極大地影響著高壓變頻器等電力裝置的性能與作用，為此就需要探討高壓變頻器及電子電力變壓器應用中共模電壓降低的有效方法。

1.高壓變頻器共模電壓及其抑制措施

1.1高壓變頻器共模電壓的產生

以單項DC-AC逆變器為例，該逆變器具備4種開關方式，當電動機與三相對稱正弦電壓源相互連接時，共模電壓并不會對該系統帶來危害。而如果電動機與電壓源變頻器相互連接，則逆變器中共開關器件的導通狀態會直接決定共模電壓的大小。兩電平逆變器應用情況下，其每相橋臂的開關狀態包括了兩種類型，三相逆變器則會帶來8種變化，帶入三相逆變器的輸出電壓，獲得共模電壓。采用SPWM控制方法，可實現對共模電壓的有效控制。逆變器共模電壓、開關速度及其狀態，都與直流母線電壓息息相關。共模電壓的存在不受PWM策略應用的影響，具備高dv/dt及高幅值脈沖特征。共模電壓的幅值在快速開關逆變器中可以達到極高的數值，并進一步對驅動系統產生明顯影響。三電平逆變器運行中會產生共模電壓，但其共模電壓的最大值，也不足兩電平逆變器的共模電壓，可證明三電平逆變器的應用可實現共模電壓的有效降低。

1.1高壓變頻器共模電壓的抑制

高壓變頻器運行中，共模電壓會經由電機及其內部的寄生電容進行傳導，進入地線，產生漏電流，當漏電流超過一定標準時，則會導致電機保護電路出現誤操作，導致電機出現損壞及非必要停機現象。漏電流的頻率變化并不合理，在經由地線回流并進入系統三相電源當中時，則會對高壓變頻器造成電磁干擾，出現電網電壓波形畸變問題，并對電網上其他設備的運行造成影響，致使軸電壓及軸承電流超過合理范圍，導致電機軸承出現凹槽、溝槽等缺陷，并影響電機壽命。針對這種問題，應采取有效的抑制措施減少其負面影響，主要的抑制方法包括硬件方法及軟件措施。

1.1.1硬件措施

傳統的硬件抑制方法，主要是通過提高潤滑劑的傳導性對軸承電流進行減低，為電機軸承提供保護，但這種方法的應用，并不能真正消除共模電壓的負面作用，共模電壓的存在會導致負載軸承受到破壞性電流的影響。而靜電屏蔽感應電機的應用，可以實現對于屏蔽定子繞組的方式，對軸電壓加以降低，使其下降到軸承潤滑劑放電電壓以下，以減少由于PWM變換器所導致的軸承磨損問題，該方法的應用盡管有效，但需要投入較高成本，因而還可采用多電平與級聯型逆變器拓撲結構，為輸出電壓質量提供保證，有效減少開關的不必要損耗。

1.1.2軟件措施

通過硬件抑制共模電壓的方法會導致系統體積與質量的增加，導致控制系統的操作愈發復雜，在實際應用中需要重新設計濾波器或變壓參數，影響驅動系統穩定運行。因而近年來利用軟件措施抑制共模電壓的研究不斷增加。軟件措施的應用，主要是通過對變換器控制方法加以改變以實現對共模電壓的控制。

首先應當對傳統三電平SPWM共模電壓的生成原因進行分析，可以確定的是，以三電平開關周期內，對軸O上部情況加以參考，在載波幅值小于調制波幅值，以及參考軸下部調制波幅超過載波幅值的情況下，對輸出相電壓情況加以明確，以獲得三相電壓狀態組合，在共模電壓定義公式中帶入其狀態組合，獲得共模電壓。該共模電壓受到開關狀態的直接影響，共模電壓絕對值的最大值有所下降，則可以使共模電壓負面效應得以弱化。

對共模電壓的三電平SPWM進行消除，可采用三角載波及三角對稱正弦調制波以獲得控制信號，但該方法的應用，并不同于兩電平SPWM方法不同。采用SPWM方法抑制共模電壓，首先應當通過三角載波與三相正弦調制波中的兩相進行比較，得出兩相PWM中間信號，經過計算以確定其一相電壓波形，以確定變頻器控制信號，從而有效消除共模電壓。

2.電子電力變壓器共模電壓

電子電壓電力變壓器應用，可以作為輸配電系統的設備組成，電子電力變壓器負載是組感性負載，當其負載為異步電動機進行電源供給時，應當充分考量電機負載受到電源特性的影響。電子電力變壓器輸出逆變器運行時會形成共模電壓，并對電機造成負面影響，因而需要對電力變壓器的共模電壓問題加以充分考量。

電子電力變壓器共模電壓的形成，其源頭在于變換器，即整流器與逆變器。在實際應用中，應當對其輸出三相輸出單相所構成的三相輸出共模電壓加以重視。在實際研究中，應當重點考量交流-直流-交流相結合的通用變換結構的整流裝置。平衡電子電力變壓器所輸出的每一相都會形成三相輸出電壓，對其每相輸出相與進行并列連接。單元并聯的情況下，應當充分滿足輸出端口電壓條件，為了就更好地對平衡電子電力變壓器共模電壓進行研究，可以對每輸入項所對應的中頻變壓器及高壓變頻器的工作狀態進行假設，模擬三相輸出共模電壓情況。在中頻變壓器的副方到輸出側部分，將中頻變壓器副方繞組與其同側N及N點相互連接，其電路共模電壓輸出情況得以下降。

結語：

高壓變頻器及電子電力變壓器的應用，在受到共模電壓影響的情況下，無論設備性能還是電力系統的運行都會受到影響，為此就需要充分采取有效措施對共模電壓加以抑制。

參考文獻

[1]賈貴璽，周曉暢，李華. 高壓變頻器輸出差模濾波器設計和共模電壓抑制[J]. 電工技術學報，2011，26（1增）：161-165.

[2]李銀玲，唐允寶，劉鵬. 基于SVPWM共模電壓抑制方法的研究與仿真[J]. 電氣傳動自動化，2010，32（4）：32-35.