高壓變頻器共模電壓仿真研究

1、高壓變頻器共模電壓仿真研究    1  引言    隨著高壓大功率電力電子器件如IGBT、IGCT相繼問(wèn)世，高壓變頻技術(shù)也逐漸被推廣應(yīng)用到高壓大容量風(fēng)機(jī)、水泵的變頻調(diào)速中，以改善調(diào)速性能和提高節(jié)能效果1。圖1就是一種典型的電壓源型變頻調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它包括：三相輸入電壓、全波整流、電容濾波、PWM逆變器、輸出濾波器和傳輸電纜共6部分。由于PWM逆變器輸出電壓跳變幅度較大，且高壓電動(dòng)機(jī)(3kV以上)不可避免地存在寄生電容，因而必然會(huì)產(chǎn)生很高的dv/dt，它不僅會(huì)對(duì)電機(jī)絕緣產(chǎn)生破壞作用，而且由于逆變器產(chǎn)生的較高共模電

2、壓，將直接加到電機(jī)終端，引起電機(jī)的絕緣擊穿。共模電壓中由于含有與開(kāi)關(guān)頻率相同的高頻分量，它將通過(guò)輸出電纜與分布電容產(chǎn)生高頻漏電流，漏電流通過(guò)繞組和轉(zhuǎn)子間的分布電容、軸承、機(jī)殼，然后到地，圖2示意了PWM變頻器共模電流和差模電流通路。在高電壓、大容量場(chǎng)合，受開(kāi)關(guān)損耗的影響，開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)頻率一般限制在1kHz內(nèi)，因此它的電流諧波總畸變率(THD)不容忽略2。2  長(zhǎng)傳輸電纜對(duì)電機(jī)的負(fù)面影響    由于逆變器產(chǎn)生的高頻脈沖在輸出電纜中傳輸時(shí)，與傳輸線上的行波情況類(lèi)似。根據(jù)文獻(xiàn)2-5可得電機(jī)負(fù)載端電壓反射系數(shù)M為式中  ZM、ZC分別為電機(jī)負(fù)載阻抗和

3、輸出電纜特征阻抗（或者稱為波阻抗）。逆變器端電壓反射系數(shù)inv為式中  Zinv為逆變器起始端阻抗，一般Zinv=0。    逆變器輸出的高頻脈沖在輸出電纜中傳輸時(shí)的速度v為式中  LC、CC為輸出電纜的分布參數(shù)。    假設(shè)輸出電纜的長(zhǎng)度l，高頻脈沖由逆變器第一次傳輸?shù)诫姍C(jī)端至少需要時(shí)間tinv    tinv=l/v            (5) 

4、60;  當(dāng)時(shí)間t>tinv時(shí)，由逆變器第一次傳輸?shù)诫姍C(jī)端的高頻脈沖被反射，產(chǎn)生反向行波，向逆變器方向傳輸。假設(shè)逆變器輸出的高頻脈沖的上升時(shí)間為trise，可以得到有關(guān)高頻脈沖在電纜中傳輸?shù)姆禐?#160;   基于式(6)，輸出電纜最小長(zhǎng)度lmin為    本文涉及的輸出電纜分布參數(shù)列于表1。根據(jù)式(9)和式(10)，作出電機(jī)線電壓峰值的歸一化電壓VLN與高頻脈沖的上升時(shí)間trise、輸出電纜的長(zhǎng)度l的關(guān)系如圖3所示。在高電壓、大容量變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，由于電力電子開(kāi)關(guān)器件（如IGCT）受開(kāi)關(guān)損耗的限制，其開(kāi)關(guān)頻率一般限制在1k

5、Hz內(nèi)1,2。       由圖3可知：在PWM高壓變頻器中，隨著變頻器與電動(dòng)機(jī)之間電纜線長(zhǎng)度的增加電機(jī)線電壓峰值的名義電壓值會(huì)介于2.02.5倍之間。原因在于：為有效抑制PWM逆變器產(chǎn)生的共模電壓而采用多電平和級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)時(shí)，高頻脈沖的上升時(shí)間trise會(huì)因多電平的采樣方法（如規(guī)則采樣、自然采樣和低次諧波消除法）不同而不同6,7。因此高頻脈沖的上升時(shí)間trise一般較?。?lt;1.0ms，取決于IGCT型號(hào)）。但是由于trise要受PWM調(diào)制方法中最小脈寬和最小脈沖間歇的制約，而最小脈寬和最小脈沖間歇分別受IGCT器件的導(dǎo)通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間和開(kāi)關(guān)

6、損耗的限制，因此trise不會(huì)太小。    當(dāng)電纜長(zhǎng)度l >lmin時(shí)，高頻脈沖的上升時(shí)間trise與反射電壓無(wú)關(guān)，即高頻脈沖在電纜中傳輸?shù)姆涤墒?7)決定。所以電機(jī)線電壓峰值VLpeak為3  PWM逆變器共模電壓分析3.1  常規(guī)濾波器的逆變器參數(shù)    圖1給出了常規(guī)PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)“交-直-交”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，點(diǎn)“O”表示直流中心箝位點(diǎn)，點(diǎn)“N”表示系統(tǒng)地。LSP (P=A, B, C)為三相輸入電源的漏抗；VSP為輸入電壓；VP、Vdc為整流器輸入、輸出電壓；VMt、iMt (t=1, 2, 3

7、)為電纜輸出電壓、電流；V si (i=a, b, c)為電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；ig，vg為共模電流、電壓；CM、CN分別為交流輸入、電機(jī)終端對(duì)地電容；C1、C2為直流濾波電容；LF、CF、RF為輸出濾波器參數(shù)。3.2  分析電位VON    由拓?fù)鋱D1，假設(shè)輸入平衡，可得VON為2,6式中  VAO表示A點(diǎn)對(duì)箝位點(diǎn)“O”的電位；VBO、VCO類(lèi)推。    分析VON的恒定值：在整流回路中，當(dāng)上面3個(gè)或下面3個(gè)整流管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，VON=±3Vdc/2；當(dāng)上面兩個(gè)和下面一個(gè)或下面兩個(gè)和上面一個(gè)整流管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，

8、VON=±Vdc/2。由此可見(jiàn)，整流輸出的直流中間點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)地的電位不為零，即VON0。3.3  分析兩電平逆變器中共模電壓Vg    當(dāng)逆變器與電動(dòng)機(jī)之間存在長(zhǎng)電纜線時(shí)，逆變器所產(chǎn)生的共模電壓Vg為式中  VaO表示a點(diǎn)對(duì)箝位點(diǎn)“O”的電位，其它類(lèi)推（見(jiàn)圖1）。為抑制逆變器產(chǎn)生的過(guò)高電壓上升率（dv/dt）會(huì)在電動(dòng)機(jī)繞組上產(chǎn)生極不均勻的電壓分布的不良影響，必須裝上輸出濾波器，有    圖4 給出了常規(guī)逆變器的輸出的相電壓和共模電壓波形相對(duì)Vdc的歸一化值。式(16)和圖4均表明：兩電平逆變器所產(chǎn)生的共模電

9、壓是非常高的。4  三電平逆變器共模電壓4.1  三電平逆變器產(chǎn)生的共模電壓    三電平逆變器，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，每一個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件所承受的關(guān)斷電壓僅為直流側(cè)電壓的一半，于是在同等情況下，功率器件的相同直流母線電壓就可以提高1倍，容量也就可以提高1倍，所以它比較適用于高電壓、大容量變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中6, 7，相對(duì)5、7電平而言，控制方式更加簡(jiǎn)單。    由于三電平逆變器所產(chǎn)生的共模電壓為式中Si (i=a, b, c)表示三電平逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)函數(shù)，其狀態(tài)分別為“1”，“0”和“-1”?？梢詫⑵浞譃?種，即：大、中等、

10、小和零4種開(kāi)關(guān)狀態(tài)。分析得出三電平逆變器產(chǎn)生的最大共模電壓為Vdc/2（見(jiàn)表2所示），小于兩電平逆變器所產(chǎn)生的共模電壓。4.2  三電平逆變器箝位點(diǎn)電壓不平衡性分析    圖6為開(kāi)關(guān)狀態(tài)與箝位點(diǎn)電壓關(guān)系示意圖。       圖中(100)表示(Vdc/2,0,0)；(0-1-1)表示(0,-Vdc/2, -Vdc/2)。箝位點(diǎn)電壓VO和電流iO為式中  ii為電機(jī)相電流；C為直流濾波電容。    式中Sa和Sb為dq坐標(biāo)下的開(kāi)關(guān)矢量。研究表明：三電平逆變器箝位點(diǎn)電壓

11、隨著開(kāi)關(guān)矢量的變化而波動(dòng)，其波動(dòng)狀況與開(kāi)關(guān)矢量的關(guān)系如表2所示，大和零開(kāi)關(guān)狀態(tài)不影響箝位點(diǎn)電壓，但是中等和小開(kāi)關(guān)狀態(tài)要影響箝位點(diǎn)電壓，兩者區(qū)別在于：小開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)箝位點(diǎn)電壓的影響呈對(duì)稱性8：如(100)使得VO增大，見(jiàn)圖6(a)所示；(0 -1 -1)使得VO減小，見(jiàn)圖6(b)所示，其它5對(duì)小開(kāi)關(guān)狀態(tài)的影響可類(lèi)推。5  特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逆變器的共模電壓分析5.1  帶有輸出濾波器時(shí)共模電壓分析    為有效抑制常規(guī)PWM逆變器所產(chǎn)生的較大共模電壓的不良影響，文獻(xiàn)指出6,7可采取包括多電平（如5、7電平）和級(jí)聯(lián)型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（特別是當(dāng)驅(qū)動(dòng)高壓大容量電

12、機(jī)且開(kāi)關(guān)器件受到技術(shù)限制時(shí)（如IGCT出現(xiàn)前），提高輸出電壓質(zhì)量，降低開(kāi)關(guān)損耗，當(dāng)然其控制方式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均比較復(fù)雜。隨著電力半導(dǎo)體技術(shù)迅猛發(fā)展，完全可以用三電平非級(jí)聯(lián)型逆變器來(lái)驅(qū)動(dòng)高壓大容量電機(jī)。    本文提出在三電平逆變器中串聯(lián)共模電抗器和輸出濾波器，并將圖1中的“S”、“O”點(diǎn)連接起來(lái)，再與整流器中性點(diǎn)和系統(tǒng)地“N”相連（見(jiàn)圖5所示）。式(21)表明： 合理選擇RF，CF，LF可減小共模電壓Vg； 為確保Vg要小，可見(jiàn)RF要小，CF要大，但是考慮到功耗，RF不可太小，且考慮傳輸電纜的波反射。    有關(guān)輸出濾波器的參數(shù)優(yōu)選、動(dòng)態(tài)

13、特性的研究詳見(jiàn)文2、6、9、11本文不作論述。5.2  帶有共模電抗器時(shí)共模電壓分析    接上共模電抗器后，調(diào)速系統(tǒng)的等效電路可用圖7表示，列寫(xiě)電路方程6式中  M和LC為共模電抗器的互感和自感，且假設(shè)MLC；ZM為電機(jī)等效阻抗；VM為加在電機(jī)上的共模電壓；Zd為直流線路不平衡阻抗，假設(shè)Zd<< ZM。忽略共模電抗器漏抗時(shí)，可得電路方程    聯(lián)立式(22)和式(23)，可得    式(24)表明：加入共模電抗器后，可以明顯抑制變頻器所產(chǎn)生的共模電壓，即VM減小。5.3&

14、#160; 接地電阻確定    根據(jù)10kV和13.8kV電力輸電系統(tǒng)理論，一般均是將其中心點(diǎn)通過(guò)共模小電阻(RN)和系統(tǒng)地聯(lián)結(jié)10。如果將圖5中24脈波整流器、三電平逆變器、共模電抗器、輸出濾波器與輸入變壓器一起看做供能裝置，電機(jī)看做負(fù)載，可以將其看做電力輸電系統(tǒng)。由4.2分析可知：箝位點(diǎn)“O”的電位增大或減小取決于所選擇的電壓矢量（開(kāi)關(guān)狀態(tài)）、負(fù)載電流和直流濾波電容。如果將它們通過(guò)小電阻強(qiáng)制接地，以抑制其電位的波動(dòng)和偏移。由于在10kV電力輸電系統(tǒng)中，要求RN<4 W，以確保接地電流IN小于30A；在13.8kV電力輸電系統(tǒng)中，要求4 W <RN&

15、lt;40W，以確保接地電流IN介于200A和2000A之間。由于電機(jī)負(fù)載的線電壓為6kV（>1kV），因此應(yīng)該類(lèi)比于13.8kV而非10kV的電力輸電系統(tǒng)理論；并且RN只影響零序電流，根據(jù)系統(tǒng)串聯(lián)諧振理論有式中 Z0為該系統(tǒng)的特征阻抗，本文取過(guò)阻尼狀態(tài)。6  仿真研究    本文設(shè)計(jì)了圖5所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變器，利用MATLAB軟件進(jìn)行了仿真研究2, 6, 9, 11。所涉及到的仿真電路參數(shù)見(jiàn)表1。圖8為利用圖5進(jìn)行仿真獲得的電機(jī)相電流、線電壓和逆變器輸出共模電壓的波形；圖9為利用圖5但未串接共模電抗器的仿真結(jié)果。    在新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中接上最優(yōu)參數(shù)的共模電抗器、輸出濾波器和50m輸出電纜后，共模電壓有效值由圖9中高達(dá)5kV降到圖8中近1kv，降低了近5倍，并且圖8中電機(jī)相電流、線電壓波形平滑、波形畸變小。仿真研究還發(fā)現(xiàn)：逆變器所產(chǎn)生的共模電壓與電機(jī)速度（即正弦調(diào)制波