1 引言对于一般的中低压变频调速系统，电机的中性点是不接地的，因此在电机的中性点与电源地之间会产生共模电压，并通过寄生电容建立与地之间的通路产生高频的共模电流，同时引发电磁干扰(emi)。过大的共模电压还会威胁电机的绝缘，产生轴电流，最终造成电机的损坏。目前消除共模电压的方法主要是通过增加滤波或扼流装置[1]。本文主要针对目前得到广泛采用的基于电压源型逆变器供电的传统svpwm控制[2],[3]所引起的共模电压进行分析，在此基础上介绍了一种新颖的svpwm控制方法[1]，改变了传统的零矢量的产生方式，从而简单有效的降低了共模电压，最后以异步电机驱动系统为对象进行了仿真研究，证明了该方法的正确性和有效性。
2 共模电压的分析2.1 共模电压采用两电平电压源逆变器供电的交流电机驱动系统如图1所示，若三相绕组对称，则可以得到式(1)。 式中，z为电机每相绕组等效电抗，i1，i2，i3分别为三相电流，von为图1中的直流母线电压中点0至电机中性点n之间的电压，voa，vob，voc分别为图1中直流母线电压中点0至a、b、c点的电压。
图1 电压源逆变器供电的交流驱动系统
假设电机的三相电流对称，也即i1+i2+i3=0，则可以推得共模电压vcom: 2.2 svpwm控制引起的共模电压可以用“1”表示逆变器上桥臂功率开关器件的导通状态，关断状态则用“0”表示。由于上下桥臂的开关状态互补，那么逆变器的开关状态共有8种组合，构成对应的基本电压空间矢量，分别为:v1[001]、v2[010]、v3[011]、v4[100]、v5[101]，v6[110]、v0[000]、 v7[111]，如图2所示。
图2 电压空间矢量
对于svpwm控制，如果每个pwm周期内相邻两个电压矢量的作用时间分别为t1和t2，零矢量的作用时间t0则为: 传统的svpwm注入两个零矢量和来合成所需的电压矢量，且分别作用t0/2，波形对称。图3给出了参考电压矢量位于区间3(参考电压矢量由v4和v6进行合成)时的一个采样周期内的pwm时序。
图3 普通svpwm输出
由式(2)可以看出，如果采用连续的三相平衡电源供电，是不会产生共模电压的，也即此时:但当采用pwm方式进行逆变器的电压调制时，共模电压的产生是不可避免的。式(4)进一步给出了根据式(2)所得到的基本电压空间矢量产生的共模电压。由于除了v0[000]和v7[111]外，其余非零电压矢量对应的同一侧桥臂的三个功率开关器件的开关状态中有两个必定是相同的(非0即1)，故可以分别用sa和sb表示。s0和s7分别为v0以及v7对应的开关状态;sa为v1[001]，v2[010]或v4[100]对应的开关状态;sb为v3[011]，v5[101]或v6[110]对应的开关状态。 可以得出当采用零矢量v0[000]或v7[111]时的共模电压峰值是采用其它非零矢量时共模电压峰值的3倍。
3 新型svpwm仍以第三区间为例，图4给出了传统svpwm的矢量合成原理。
图4 传统的svpwm矢量
式(4)表明零矢量会产生更大的共模电压。为了减小共模电压，可以考虑采用其它相位相反的非零电压矢量进行组合，同样可以起到与零矢量相同的作用。具体的实现方法可以分为三种方式:(1)，即通过施加sa以及对应的电压矢量组合来等效产生零矢量。(2)，即通过施加sb以及对应的电压矢量组合来等效产生零矢量。(3)，即通过施加sa+sb以及对应的电压矢量组合来等效产生零矢量。原理分别如图5-图7所示。
图5 方式一的改进图6 方式二的改进图7 方式三的改进
传统svpwm控制方法以及上述三种改进方式所对应的在一个pwm采样周期t中的开关时序在表1中列出。表1 低共模电压svpwm的开关时序
4 仿真结果以一台异步电动机为控制对象，我们进行了相关的仿真研究。仿真参数如下:母线电压udc=340v，pwm开关频率10khz，异步电动机星型接法，逆变器输出一相电压ua=100v。图8为经过滤波后的逆变器输出的一相电压ua;图9为采用传统svpwm控制方式的电机共模电压vcom;图10为采用改进方法中方式1时的电机共模电压vcom情形(方式2及方式3的情形类似)。从仿真结果可以看出，在保证逆变器输出电压的同时，改进方法有效地减小了共模电压，且其大小与理论分析完全一致。
图8 逆变器输出一相电压图9 传统svpwm产生的共模电压图10 方式一svpwm产生的共模电压
5 结束语综上所述，pwm形式供电的电压源逆变器会使异步电机驱动系统产生较大的共模电压，进而引发电磁干扰和威胁电机安全运行。通过本文所介绍的改进零矢量的合成方式，可以有效减小传统svpwm控制所产生的共模电压，且不需要增加额外的硬件耗费，实现简单。
参考文献 [1] mario cacciato, alfio consoli, giuseppe scarcella, antonio testa. reduction of common-mode currents in pwm inverter motor drives[j]. ieee trans on ia,35(2),1999,469-475.[2] h. w. van der broeck, hans-christoph skudelny. analysis and realizaion of a pulsewidth modulator based on voltage space vectors[j].ieee trans on ia,1988,24(1):235-243.[3] bowes, s.r., lai, y-s. the relationship between space-vector modulation and regular-sampled pwm[j]. ieee transactions on ie,1997,44(5):1011-1020.
作者简介 窦汝振(1976-) 男 博士 毕业于天津大学电力电子与电力传动专业，现从事电动汽车驱动技术的研究。
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