欢迎您 登录 |  注册 | 找回密码

产品类型
低压变频器
中高压变频器

变频器技术
基础理论
前沿技术
专利技术

实际应用
行业应用
维修技术

总评分:很好,获得大多数人的喜爱

7.1

10人评分    29关注    487977次浏览

我的评分

  

专题名称:变频器
热门群组:营销群英会
官方网址:进入官方网站

品牌推荐:暂缺
行业精英:暂缺
相关专题:伺服系统,PLC

返回本专题首页

串联H桥高压变频器共模电压的研究

作者:张静   2012-05-11   来源:中国自动化网   评论:0条    浏览:871

摘 要 :由电网供电,输出到电机的三相中性点可浮动的变频器驱动系统中,其负载端往往存在共模电压。对于串联H桥高压变频器来说,虽然其共模电压很小,但本质上共模电压仍然存在。由于此结构中存在变压器,且每相由多个H桥单元串联而成,拓扑结构复杂,为共模电压的分析增加了难度。本文首先给出共模电压的一般定义,然后提出一种串联H桥多电平变频器共模电压的分析方法,并给出仿真结果。仿真结果和参考文献中的实际测量结果非常接近,验证了所提出方法的有效性。 
 
关键词: 多电平变频器   共模电压   仿真 
  
1  引言
目前,变频调速已被广泛应用于包括工业领域在内的许多行业中。在这些调速系统中,采用交-直-交变换结构,将三相幅值固定、频率固定的输入电压转换为电压可调、频率可调的三相输出,驱动三相异步电机。在这个变换过程中,需要采用电力电子开关器件,例如在整流桥和逆变桥中。但是这种开关切换过程,往往会导致电机端电压存在零序分量(即共模电压(CMV)),变频电机的设计就必须考虑到此问题。
本文首先对共模电压的定义和产生原因进行描述,然后对串联H桥变频器的结构进行介绍。在此基础上给出串联H桥变频器共模电压的分析方法,以及仿真电路结构。
最后,本文将给出一组典型参数下该系统的仿真结果,并和参考文献中实际测量的电压波形进行比较。串联H桥变频器共模电压的幅值不但与各二次侧绕组对地的电容值,各H桥单元直流环节的电压有关,而且也和控制方法有密切的关系。
仿真和试验结果非常接近,充分说明了文中对共模电压的分析有一定的参考价值。


bb【中国自动化网社区】a9878c【http://sns.ca800.com】94

2  共模电压的描述
图1为电压源型和电流源型变频器的系统框图。图中,整流桥可以是二极管不控整流,也可以是晶闸管整流或电压/电流源型PWM可控整流等结构;电机侧的逆变桥可以是普通两电平电压源型变频器(VSI)、电流源型变频器(CSI)以及多电平变频器等不同拓扑结构。为简单起见,输入和输出
21【中国自动化网社区】9628a5【http://sns.ca800.com】a857

的滤波器在图中没有画出。对于VSI结构,直流母线电容Cd必须足够大,电感Ld可以省去;而CSI与此刚好相反。虚拟电阻Rd在实际系统中可以不存在,在此只是为了方便得到直流侧的中点电压。实际系统中,如果跨接直流母线的电容是两组电容并联后再串联连接,其中间连接点的电位与此等同。相对于系统接地点 G,直流侧的中点电压可以由下式得到:
  
(1)
式(1)中,vPG和vNG分别为正/负直流母线的对地电压。实际上,vZG为整流桥产生的共模电压。电机中性点相对于直流侧中点的电压可由下式计算得到:
    
(2)
式(2)中,vOP和vON分别为电机中性点相对于正/负直流母线的电压;vOZ为逆变桥产生的共模电压。因此,电机中性点对地总的电压为:

(3)
式(3)给出了整流桥和逆变桥产生的总的共模电压。电机的A相对地电压则如下式:

(4)
即为电机相电压vAO与系统总共模电压vCM之和。可以看出,如果不抑制共模电压vCM,电机绕组的绝缘可能会被破坏。  21【中国自动化网社区】9628a5【http://sns.ca800.com】a857

3  串联H桥变频器的结构
图2为7电平串联H桥的拓扑结构。从图中可以知道,每相由三个H桥单元组成,输出串联连接。G为曲折连接变压器一次侧的等效中性点,可以认为其与大地相联,O为电机的中性点,Vt1~Vt9为变压器9个二次侧的等效中性点。为了分析方便,图中还给出了Vm1~Vm9,分别为9个功率单元直流环节直流电压的中点,上下两个电容平均承担直流电压;Va1~Va3,Vb1~Vb3,Vc1~Vc3分别为9个功率单元的输出电压;Va,Vb,Vc为输出到电机上的三相电压。


7729【中国自动化网社区】717aba【http://sns.ca800.com】395

对于每个H桥单元,其具体结构如图3所示。经过分析可以知道,其等效电路图如图4所示。图4中包括功率单元中整流桥产生的共模电压,以及H桥逆变桥产生的共模电压。
根据图4可以把图2简化为图5的电路结构,即串联H桥共模电压的分析电路。从图4和图5中可以知道,在串联H桥多电平变频器中,共模电压与电容C的大小、直流电压Vdc以及控制方法有关。控制方法会影响到图4中的Vpos和Vneg两个电压。 
7729【中国自动化网社区】717aba【http://sns.ca800.com】395

对图5还可以进行进一步简化,然后进行仿真和分析。为了分析方便,以上都假设了变压器的所有二次侧对地电容都相同,而在实际中,这些值很难完全相同,可能分别为各不相同的C1~C9。
由于这种结构的变频器中存在变压器,如果电机的中性点没有接地,电机就存在共模电压。当电机的中性点接地后,共模电压仍然存在,没有消失,但会转移到变压器上。由于变压器比较容易设计以提高耐压值,加上这种拓扑结构本身的共模电压较小,所以在很多场合几乎忽略了这个共模电压。  7729【中国自动化网社区】717aba【http://sns.ca800.com】395

4  共模电压的仿真仿真结果
对于一组典型的实际测量参数,9电平串联H桥拓扑结构的相关参数如附表所示:
附表    9电平串联H桥拓扑结构的相关参数
153e【中国自动化网社区】d334b6【http://sns.ca800.com】439

A相电容 容值(pF) B相电容 容值(pF) C相电容 容值(pF)电机中性点对地的电容Cm为65000pF。其它参数见文献[2]。根据所提出的电路结构,仿真结果如图6所示。仿真时,PWM控制方法为纯正弦波调制方法,调制因数MI为1。
仿真结果和参考文献中给出的结果非常接近。图6中的编号参见参考文献。 
153e【中国自动化网社区】d334b6【http://sns.ca800.com】439

为了对结果进行更加仔细的观察,图7给出了改变控制方法,即纯正弦波叠加3次谐波时的PWM控制方法时MI仍然为1的仿真波形。从中可以看出,叠加次谐波时,电机共模电压略有上升。 
153e【中国自动化网社区】d334b6【http://sns.ca800.com】439

5  结束语
本文首先对通用变频器中的共模电压及其定义给出了介绍,然后对串联H桥多电平变频器的共模电压分析方法进行了研究,并给出了一种新的便于分析的电路结构。基于该简化电路,对一组典型测量数据进行了仿真研究,所得到的结果与实际值非常接近。进一步的研究表明,共模电压与变压器二次侧绕组的对地电容、电机中性点对地电容、功率单元直流侧电压以及各H桥单元的PWM控制方法都有关系。  153e【中国自动化网社区】d334b6【http://sns.ca800.com】439

参考文献
[1] Y. Shakweh, E.A. Lewis, ‘Assessment of Medium Voltage PWM VSI Topologies for Multi-megawatt variable speed Drive Application’, In Conf.  Rec. EPE 98, 1998
[2]   D.A.Rendusara, E.Cengelci, P.N.Enjeti, et al, “Analysis of common mode voltage – “neutral shift in medium voltage PWM adjustable speed drive (MV-ASD) systems”, IEEE Trans. On PE, Vol 15, No. 6, 2000, pp1124 1133
[3] Sanmin Wei, N.Zargari, B.Wu and S.Rizzo, “Comparison and Mitigation of Common Mode Voltage in Power Converter Topologies” Industry application society conference(IAS), 2004 45【中国自动化网社区】92c9ce【http://sns.ca800.com】8a8ce1

评论

内容加载中,请稍候...
内  容:

中国自动化网 版权所有  © 2010 - 2016     经营许可证编号: 粤ICP备09051729