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(yīng)用，可以很好地支撐電力系統(tǒng)的健康發(fā)展，但采用變換器為電機(jī)提供電源時，共模電壓會嚴(yán)重影響電機(jī)性能。本文首先對高壓變頻器共模電壓及其抑制措施進(jìn)行探討，進(jìn)而探討電子電力變壓器共模電壓抑制策略。

關(guān)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(tǒng)的高速發(fā)展，大功率電力電子技術(shù)的應(yīng)用愈發(fā)普遍，而傳統(tǒng)電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在的能源浪費(fèi)及共模電壓等負(fù)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(yùn)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(yīng)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(chǎn)生

以單項DC-AC逆變器為例，該逆變器具備4種開關(guān)方式，當(dāng)電動機(jī)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(tǒng)帶來危害。而如果電動機(jī)與電壓源變頻器相互連接，則逆變器中共開關(guān)器件的導(dǎo)通狀態(tài)會直接決定共模電壓的大小。兩電平逆變器應(yīng)用情況下，其每相橋臂的開關(guān)狀態(tài)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(shí)現(xiàn)對共模電壓的有效控制。逆變器共模電壓、開關(guān)速度及其狀態(tài)，都與直流母線電壓息息相關(guān)。共模電壓的存在不受PWM策略應(yīng)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(guān)逆變器中可以達(dá)到極高的數(shù)值，并進(jìn)一步對驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生明顯影響。三電平逆變器運(yùn)行中會產(chǎn)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(yīng)用可實(shí)現(xiàn)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(yùn)行中，共模電壓會經(jīng)由電機(jī)及其內(nèi)部的寄生電容進(jìn)行傳導(dǎo)，進(jìn)入地線，產(chǎn)生漏電流，當(dāng)漏電流超過一定標(biāo)準(zhǔn)時，則會導(dǎo)致電機(jī)保護(hù)電路出現(xiàn)誤操作，導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)損壞及非必要停機(jī)現(xiàn)象。漏電流的頻率變化并不合理，在經(jīng)由地線回流并進(jìn)入系統(tǒng)三相電源當(dāng)中時，則會對高壓變頻器造成電磁干擾，出現(xiàn)電網(wǎng)電壓波形畸變問題，并對電網(wǎng)上其他設(shè)備的運(yùn)行造成影響，致使軸電壓及軸承電流超過合理范圍，導(dǎo)致電機(jī)軸承出現(xiàn)凹槽、溝槽等缺陷，并影響電機(jī)壽命。針對這種問題，應(yīng)采取有效的抑制措施減少其負(fù)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(tǒng)的硬件抑制方法，主要是通過提高潤滑劑的傳導(dǎo)性對軸承電流進(jìn)行減低，為電機(jī)軸承提供保護(hù)，但這種方法的應(yīng)用，并不能真正消除共模電壓的負(fù)面作用，共模電壓的存在會導(dǎo)致負(fù)載軸承受到破壞性電流的影響。而靜電屏蔽感應(yīng)電機(jī)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)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(dǎo)致的軸承磨損問題，該方法的應(yīng)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(lián)型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為輸出電壓質(zhì)量提供保證，有效減少開關(guān)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(dǎo)致系統(tǒng)體積與質(zhì)量的增加，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的操作愈發(fā)復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中需要重新設(shè)計濾波器或變壓參數(shù)，影響驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(yīng)用，主要是通過對變換器控制方法加以改變以實(shí)現(xiàn)對共模電壓的控制。

首先應(yīng)當(dāng)對傳統(tǒng)三電平SPWM共模電壓的生成原因進(jìn)行分析，可以確定的是，以三電平開關(guān)周期內(nèi)，對軸O上部情況加以參考，在載波幅值小于調(diào)制波幅值，以及參考軸下部調(diào)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(tài)組合，在共模電壓定義公式中帶入其狀態(tài)組合，獲得共模電壓。該共模電壓受到開關(guān)狀態(tài)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(fù)面效應(yīng)得以弱化。

對共模電壓的三電平SPWM進(jìn)行消除，可采用三角載波及三角對稱正弦調(diào)制波以獲得控制信號，但該方法的應(yīng)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(yīng)當(dāng)通過三角載波與三相正弦調(diào)制波中的兩相進(jìn)行比較，得出兩相PWM中間信號，經(jīng)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(yīng)用，可以作為輸配電系統(tǒng)的設(shè)備組成，電子電力變壓器負(fù)載是組感性負(fù)載，當(dāng)其負(fù)載為異步電動機(jī)進(jìn)行電源供給時，應(yīng)當(dāng)充分考量電機(jī)負(fù)載受到電源特性的影響。電子電力變壓器輸出逆變器運(yùn)行時會形成共模電壓，并對電機(jī)造成負(fù)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(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)對其輸出三相輸出單相所構(gòu)成的三相輸出共模電壓加以重視。在實(shí)際研究中，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考量交流-直流-交流相結(jié)合的通用變換結(jié)構(gòu)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(jìn)行并列連接。單元并聯(lián)的情況下，應(yīng)當(dāng)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(jìn)行研究，可以對每輸入項所對應(yīng)的中頻變壓器及高壓變頻器的工作狀態(tài)進(jìn)行假設(shè)，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(cè)部分，將中頻變壓器副方繞組與其同側(cè)N及N點(diǎn)相互連接，其電路共模電壓輸出情況得以下降。

結(jié)語：

高壓變頻器及電子電力變壓器的應(yīng)用，在受到共模電壓影響的情況下，無論設(shè)備性能還是電力系統(tǒng)的運(yùn)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。

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