傳統(tǒng)的兩電平PWM變頻器在電動(dòng)機(jī)繞組中產(chǎn)基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50377008）。

　　生的共模電壓會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)面效應(yīng)，即共模電壓通過(guò)靜電耦合在轉(zhuǎn)子和機(jī)殼間建立起軸電壓，當(dāng)軸電壓超過(guò)軸承潤(rùn)滑劑絕緣能力時(shí)將產(chǎn)生過(guò)大的軸承電流。軸承電流可以使電動(dòng)機(jī)軸承過(guò)早損壞。同時(shí)，共模電壓產(chǎn)生非常大的共模漏電流，通過(guò)定子繞組和接地機(jī)殼間的靜電耦合流入地。可產(chǎn)生足夠大的共模電磁干擾，還會(huì)使漏電流保護(hù)繼電器誤動(dòng)作。

　　現(xiàn)有的消除技術(shù)一般用于軸承電流和傳導(dǎo)電磁干擾的抑制，而很少能直接和成功地應(yīng)用到共模電壓的抑制上。中提出的濾波器可以直接用來(lái)抑制共模電壓，抑制效果非常顯著，但要求共模變壓器必須足夠大。而多電平PWM技術(shù)在抑制共模電壓方面的相關(guān)更少。除了硬件方法，從控制策略上，引入空間矢量算法，通過(guò)使整流器和變頻器的開(kāi)關(guān)序列同步化，電動(dòng)機(jī)定子繞組中性點(diǎn)對(duì)地電壓可降低到2./3，但這種方法需要用在可控整流變頻器，不適于應(yīng)用到二極管變頻器中。而后者的應(yīng)用范圍更廣。

　　本文將討論多電平變頻器中共模電壓的抑制方法，并采用Matlab仿真軟件來(lái)驗(yàn)證該方法的有效性。多電平PWM變頻器常見(jiàn)結(jié)構(gòu)是二極管嵌位型多電平變頻器NPC（Neutral-Point-Clamped），飛跨電容型多電平變頻器和級(jí)聯(lián)式變頻器，常用于中壓等級(jí)（2300/4160V）裝置以降低功率開(kāi)關(guān)器件的額定電壓，進(jìn)而降低輸出電壓中的諧波成分。本文中以二極管嵌位型多電平變頻器為例分析共模電壓的抑制技術(shù)，其結(jié)論可以推廣到其它結(jié)構(gòu)中。

　　2多電平變頻器輸出中的共模電壓傳統(tǒng)兩電平變頻器每相輸出為±。/2，其三相有效開(kāi)關(guān)狀態(tài)為8種。根據(jù)共模電壓的定義可知，上述開(kāi)關(guān)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的共模電壓均不為零，為土/6和±/2，其共模加愈為±/3，即對(duì)兩電平變頻器而言，不能從控制策略角度完全消除變頻器輸出的共模電壓，共模電壓是兩電平變頻器輸出電壓中存在的必然現(xiàn)象。其結(jié)論同理可推廣到具有偶數(shù)倍的多電平變頻器中。

　　對(duì)于三電平變頻器，如三電平NPC變頻器，其結(jié)構(gòu)如，由12個(gè)開(kāi)關(guān)和12個(gè)反并聯(lián)二極管及6個(gè)嵌位二極管組成。與傳統(tǒng)兩電平變頻器相比，NPC有兩個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)：①在每個(gè)橋臂上串聯(lián)4個(gè)開(kāi)關(guān)，使關(guān)斷狀態(tài)下的開(kāi)關(guān)承受直流母線(xiàn)電壓的一半，而不像兩電平變頻器中的開(kāi)關(guān)承受全壓；②每相輸出電壓中包含3個(gè)電平，即*Fdc/2和0，使變頻器輸出更接近正弦波，有利于降低輸出電壓中的諧波。電壓電平數(shù)量的增加使開(kāi)關(guān)有效狀態(tài)增加到27個(gè)，如。將這些開(kāi)關(guān)狀態(tài)帶入共模電壓的定義公可知，三電平變頻器也會(huì)產(chǎn)生共模電壓，共模電壓的幅值為土/6，為。/6.但在這些開(kāi)關(guān)狀態(tài)中，有7種狀態(tài)不會(huì)產(chǎn)（0?+），（+?0）和（000）。如果將變頻器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)限制在這7種中，NPC變頻器將不產(chǎn)生共模電壓。

　　三電平變頻器開(kāi)關(guān)狀態(tài)這是一個(gè)非常有用的結(jié)論，即共模電壓在三電平變頻器中是可消除的。同理，這個(gè)結(jié)論可推廣到具有奇數(shù)倍的多電平變頻器中。

　　和傳統(tǒng)變頻器一樣，多電平變頻器控制的主要目的是使輸出電壓盡可能接近期望的正弦波。盡管許多調(diào)制策略已經(jīng)被用于減少諧波和減低開(kāi)關(guān)損耗，傳統(tǒng)的SPWM對(duì)多電平變頻器仍是較好的選擇，也廣泛用于多電平變頻器的控制之中。因此，本文將利用上面的結(jié)論詳細(xì)討論SPWM在三電平變頻器中抑制共模電壓的方法，該方法還可推廣到奇數(shù)倍電平變頻器中。

　　3三電平逆變器的SPWM控制3.1傳統(tǒng)的三電平SPWM對(duì)共模電壓的抑制作用本節(jié)主要討論SPWM方法在三電平變頻器控制中的應(yīng)用。通過(guò)傳統(tǒng)的SPWM方法與本節(jié)提出的用以抑制共模電壓的SPWM方法進(jìn)行比較，并從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩角度評(píng)價(jià)不同的SPWM控制方法對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的影響，以驗(yàn)證所提方法的有效性及可用性。

　　SPWM由于其原理簡(jiǎn)單和諧波失真較低的特性廣泛用于傳統(tǒng)的兩電平變頻器中。同樣，這種方法擴(kuò)展到多電平變頻器控制的應(yīng)用中時(shí)，對(duì)電平變頻器每相應(yīng)采用（-1）個(gè)三角載波信號(hào)，相應(yīng)的正弦調(diào)制信號(hào)只采用1個(gè)。

　　傳統(tǒng)三電平變頻器中一相的SPWM控制策略為一個(gè)正弦波和幅值相等、相位相同、位置相差一個(gè)幅值的兩個(gè)三角波進(jìn)行比較得出的三電平變頻器一相橋臂中4個(gè)開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)波形。正弦調(diào)制信號(hào)分別前后移動(dòng)2n/3，就可得到其它兩相開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)。應(yīng)用這些信號(hào)就可控制所示的三電平變頻器，使其帶動(dòng)負(fù)載進(jìn)行工作。

　　下面用仿真分析手段得出傳統(tǒng)SPWM控制下三電平變頻器工作情況。采用Matlab6.0仿真軟件。

　　是三電平變頻器輸出各類(lèi)電壓的波形，為的仿真結(jié)果。（a）為相電壓波形，相電壓中包含3種電平：*Fdc/2和0.比兩電平變頻器輸出的相電壓中多出一個(gè)電平；（b）為線(xiàn)電壓波形，比兩電平輸出線(xiàn)電壓波形更接近正弦波，因而諧波含量降低；（c）為變頻器輸出的共模電壓波形，可見(jiàn)三電平變頻器也會(huì)產(chǎn)生共模電壓，其dv/d是母線(xiàn)電壓的1/6；而兩電平變頻器輸出的共模電壓是母線(xiàn)電壓的1/3，即三電平技術(shù)使共模dv/d降低了一半，有利于降低共模電壓的負(fù)面效應(yīng)。共模電壓的比較大值由原來(lái)的l*Fdc/2|降到|*Fdc/3|，其有效值也得到了降低。但是由于三電平變頻器輸出共模電壓中的dv/出和其幅值仍很大，對(duì)電動(dòng)機(jī)的負(fù)面影響仍不可忽略，必須設(shè)法消除之。在仿真過(guò)程中未出現(xiàn)電容電壓不平衡現(xiàn)象。給出了在三電平變頻器中可以保持電容電壓平衡的原因。

　　（a）相電壓對(duì)母線(xiàn)中點(diǎn)波形（b）線(xiàn)電壓（c）對(duì)母線(xiàn)中點(diǎn)共模電壓傳統(tǒng)SPWM控制下三電平變頻器的電壓波形盡管傳統(tǒng)的三電平SPWM方法降低了輸出電壓中的諧波成分，同時(shí)共模電壓也有所降低，但由于變頻器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)包含所有的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，如前所述，變頻器輸出中包含了非零的共模電壓。

　　3.2降低共模電壓的三電平SPWM對(duì)共模電壓的抑制作用由于SPWM產(chǎn)生的共模電壓對(duì)系統(tǒng)的負(fù)面效應(yīng)非常顯著，對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來(lái)了負(fù)面影響。本節(jié)提出了降低共模電壓的SPWM控制策略。

　　首先分析一下傳統(tǒng)三電平SPWM產(chǎn)生共模電壓的原因，如所示。以（a）所示時(shí)刻為例，在三電平一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，在軸0的上部，如果調(diào)制波幅值大于載波幅值，輸出相電壓為1，否則為0；在軸的下部，如果調(diào)制波幅值大于載波幅值，輸出相電壓為0，否則為-1.將三相開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合在一起就形成所示的各種狀態(tài)。將這個(gè)關(guān)系帶到共模電壓定義公，就得到相應(yīng)的共模電壓P.由于此時(shí)圖中包含了7種狀態(tài)以外其它開(kāi)關(guān)狀態(tài)即（0，-1，-1），（0，0，-1）和（1，0，0），共模電壓就會(huì)產(chǎn)生，但已經(jīng)比兩電平下的共模電壓小多了。這是用開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)描述共模電壓的產(chǎn)生問(wèn)題。由于共模電壓是由開(kāi)關(guān)狀態(tài)決定的，因此本節(jié)提出一種盡量使開(kāi)關(guān)狀態(tài)在7種狀態(tài)之內(nèi)的方法。如（b）所示，在一個(gè)周期內(nèi)，仍采用兩個(gè)載波信號(hào)，但與（a）不同的是這兩個(gè)載波信號(hào)的相位相差n.采用與上述相同的分析方法，得出在這種條件下的共模電壓Rm波形。與比較，共模電壓絕對(duì)值的比較大值由Kc/3降到Fdc/6，即這種方法可降低共模電壓有效值，從而減輕共模電壓的負(fù)面效應(yīng)，但對(duì)共模dv/dt無(wú)效。為米用本節(jié)方法仿真的結(jié)果。

　　SPWM產(chǎn)生共模電壓原理（a）相電壓對(duì)母線(xiàn)中點(diǎn)波形（c）對(duì)母線(xiàn)中點(diǎn)共模電壓用于降低共模電壓的SPWM控制下的三電平變頻器的輸出電壓波形（a）為變頻器輸出的相電壓；（b）為變頻器輸出的線(xiàn)電壓；（c）所示的共模電壓波形的幅值比（c）的幅值小，將（c）中的共模電壓比較大值消除了，因此共模電壓的降低效果顯著。

　　3.3消除共模電壓的三電平SPWM對(duì)共模電壓的抑制作用上一節(jié)中的SPWM技術(shù)雖然可以降低共模電壓的負(fù)面效應(yīng)，但由于共模電壓沒(méi)有完全消除，其負(fù)面效應(yīng)仍就存在，共模dv/dt也沒(méi)有得到降低。

　　本節(jié)提出另外一種SPWM方法解決這個(gè)問(wèn)題。

　　可以消除共模電壓的SPWM與傳統(tǒng)的兩電平SPWM相似，即只采用一個(gè)三角載波和三相對(duì)稱(chēng)正弦調(diào)制波進(jìn)行比較得出控制信號(hào)。但是具體實(shí)現(xiàn)的方法與兩電平SPWM不同。

　　具體實(shí)現(xiàn)方法：首先，將三相正弦調(diào)制波中的兩相分別與三角載波進(jìn)行比較，如U相和V相，得出兩個(gè)PWM中間信號(hào)Fi和心然后計(jì)算（Fi-）得出三電平變頻器的一相相電壓波形。由相電壓的波形就可以確定變頻器的控制信號(hào)了。相同的方法計(jì)算其它兩相。由式（1）可知共模電壓為零。

　　該方法得到的SPWM控制信號(hào)控制三電平變頻器工作，得所示的變頻器輸出的各類(lèi)波形。

　　（a）為變頻器輸出的相電壓；（b）為變頻器輸出的線(xiàn)電壓波形；（c）所示的共模電壓波形的幅值比（b）的幅值更小，消除共模電壓的效果非常顯著；剩余的毛刺電壓是由于開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)斷過(guò)渡過(guò)程產(chǎn)生的。總體來(lái)說(shuō)，這種方法是可以達(dá)到消除共模電壓的目的。

　　（a）相電壓對(duì)母線(xiàn)中點(diǎn)波形（b）線(xiàn)電壓（c）對(duì)母線(xiàn)中點(diǎn)共模電壓用于消除共模電壓的SPWM控制下的三電平變頻器的輸出電壓波形3.4SPWM對(duì)共模電壓抑制效果比較以上分析可看出，變頻器采用多電平結(jié)構(gòu)，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整調(diào)制策略也可達(dá)到抑制變頻器輸出共模電壓的目的。為評(píng)價(jià)本文提出的多電平變頻器SPWM策略的性能，本節(jié)將這幾種方法與傳統(tǒng)的兩電平SPWM進(jìn)行比較，分析共模電壓抑制情況和差模電壓諧波抑制情況。比較條件與仿真條件相同。

　　上述幾種方法產(chǎn)生的差模電壓和共模電壓的FFT，以確定這幾種方法產(chǎn)生的諧波含量，如。

　　還給出了兩電平變頻器輸出的差模電壓和共模電壓的FFT，目的是與三電平進(jìn)行比較得出兩者在降低共模電壓?jiǎn)栴}上的不同之處。可見(jiàn)，傳統(tǒng)三電平技術(shù)的差模電壓的諧波含量比較小，降低共模電壓的三電平技術(shù)產(chǎn)生的諧波含量比傳統(tǒng)三電平技術(shù)的多，但比兩電平的少，而消除共模電壓的三電平技術(shù)產(chǎn)生的諧波與兩電平技術(shù)的相當(dāng)。三電平技術(shù)產(chǎn)生的共模電壓諧波成分比兩電平的少，即采用多電平技術(shù)是降低共模電壓的良好手段，其中消除共模電壓的三電平技術(shù)產(chǎn)生的共模電壓的FFT中幾乎看不到諧波成分，效果比較好，降低共模電壓的三電平次之；兩電平產(chǎn)生的共模電壓諧波成分比較多。

　　（a）兩電平情況下差模電壓（b）兩電平情況下共模電壓（c）傳統(tǒng)三電平情況下差模電壓（d）兩電平情況下共模電壓（e）降低共模電壓的傳統(tǒng)三電平情況下差模電壓降低共模電壓的兩電平情況下共模電壓（g）消除共模電壓的傳統(tǒng)三電平情況下差模電壓（h）消除共模電壓的兩電平情況下共模電壓幾種SPWM控制方法下FFT比較將變頻器輸出共模電壓相關(guān)參數(shù)的比較如表示。從圖中可以看出，多電平技術(shù)使變頻器輸出的共模dv/dt降低了1/2，共模電壓的幅值降低幅度大，其有效值比較后幾乎將為零，即采用消除共模電壓的SPWM技術(shù)可以幾乎完全抑制共模電壓，消除共模電壓負(fù)面效應(yīng)的作用比較明顯。

　　共模電壓比較為變頻器輸出線(xiàn)電壓相關(guān)參數(shù)的比較：采用三電平技術(shù)使變頻器輸出的總諧波含量mo大大減小，但采用消除共模電壓的三電平使三電平技術(shù)的這一優(yōu)勢(shì)不存在，原因是變頻器中的零序分量不存在。同時(shí)對(duì)線(xiàn)電壓的基波幅值和有效值均降低幅度較大，影響電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行。

　　兩電平傳統(tǒng)三電平降低三電平消除三電平□基波幅值度有效值□線(xiàn)電壓比較0給出了不同控制策略對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的影響。圖中1，2，3分別代表控制策略為兩電平、傳統(tǒng)三電平和降低共模電壓的三電平SPWM作用下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；圖中4代表消除共模電壓的三電平SPWM作用下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。可見(jiàn)，不同控制策略對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的影響不同，前3種波形幾乎重合，對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的影響近似相同；消除共模電壓的三電平SPWM策略對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速上升時(shí)間的影響比較大，延遲近0.1s，且起動(dòng)過(guò)程中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩降低，則增大了電動(dòng)機(jī)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，其原因是消除共模電壓的三電平技術(shù)使變頻器輸出的差模電壓降低幅度比較大。

　　0幾種SPWM控制方法下電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能比較綜上，幾種SPWM方法中，三電平技術(shù)在降低共模電壓方面的優(yōu)勢(shì)很明顯：①三電平技術(shù)在低壓系統(tǒng)中應(yīng)用主要就是降低共模電壓對(duì)變頻器驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的負(fù)面效應(yīng)；②盡管消除共模電壓的三電平技術(shù)抑制共模電壓的效果比較佳，但由于這種方法對(duì)變頻器輸出的差模電壓影響比較大，從幅值到總諧波含量THD都不盡如人意，因此在實(shí)際應(yīng)用中，這種方法是不宜采用的；③而降低共模電壓的三電平技術(shù)綜合性能是比較佳的，因此這種方法在實(shí)際應(yīng)用中是可行的。

　　4結(jié)論研究了三電平變頻器驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中降低變頻器輸出共模電壓的方法。首先分析了傳統(tǒng)的三電平技術(shù)，指出三電平變頻器也產(chǎn)生共模電壓。但其產(chǎn)生的共模電壓要比兩電平技術(shù)產(chǎn)生的共模電壓小，即多電平技術(shù)有利于降低共模電壓的負(fù)面效應(yīng)。并以SPWM技術(shù)為例分析了三電平技術(shù)中共模電壓的產(chǎn)生原因。據(jù)這個(gè)原因提出了降低共模電壓和消除共模電壓的方法。利用仿真手段驗(yàn)證了所提方法的有效性，對(duì)各種方法進(jìn)行了比較，其結(jié)論是在不影響電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能的條件下本文所提出的降低共模電壓SPWM是比較理想的手段。