外文翻译 PWM驱动系统中的共模电压及抑制.doc

毕业设计（论文）外文翻译 毕业设计（论文）题目：基于单片机的软件滤波系统的设计 外文题目：Common-mode voltage and its cancelation in PWM drive system 译文题目：PWM驱动系统中的共模电压及抑制学生姓名： 陈 飞 专 业： 07自Y 指导教师： 王 崴 中文翻译： PWM驱动系统中的共模电压及抑制0引 言在现代化工业中，由于PWM 变频器全面能力的提高，它的使用范围比以前更加广泛。但是也出现了一些显著的负面效应。如在1-4：1）在使用中有轴承电流和轴电压，使电动机的轴承在短时间损坏，缩短电动机的使用寿命。2）电磁干扰问题，它可以影响其它控制系统和电子设备的正常工作。3）当不可避免地用长线电缆连接变频器与电动机时，在电动机端会产生过大的电压，加大电动机绕组绝缘的压力，使上述负面效应产生的影响进一步显著。所有的这些负面效应可以减少系统的可靠性，但这经常被变频器的使用者忽视。负面效应带来的损失可能会超过整个系统的花费。因此，研究PWM变频器负面效应和它的消除是很重要的。降低共模电压（CMV）的方法已经在5-10提到。但它很少分析了CMV的特点。他们大部分都集中在技术上消除CMV。本文首先对共模电压的负面效应进行详细的研究，对共模电压的负面效应充分分析和一些试验验证找出共模电压的负面效应导致电机轴损伤和电子设备干扰的主要原因。然后提出一种新的消除共模电压的算法。在对这滤波器的功能理论分析，终于一些实验证明了消除共模电压负面效应的可行性好有效性。1共模电压共模电压存在于任何一个电压源PWM驱动系统，在常用的二级变频电动驱动系统中，八个状态存在于逆变器，在电机中点CMV可以根据方程（1） （）其中，为共模电压；, 和 为电动机端相电压。1.1共模电压幅值根据公式（1），如果三相对称正弦电压源接到电动机，则，系统中没有共模电压带来的影响。如果电压源变频器接到电动机，共模电压的大小由逆变器中开关管所有允许的导通关断状态所确定。如图1： 图1：逆变器所允许的八种开关状态以图 1(a)为例，逆变器三相输出为，则共模电压为，为直流母线电压，以图 1(b)为例，逆变器三相输出为，则共模电压为，等等，如式(2)可已得到，共模电压有四个电平特性。 （2）1.2共模电压波形共模电压的波形可以由（1）得，图形如图（2）.用SPWM控制方法，一个正弦调制波与三角载波相比较，得到一个相位可控制信号，如图2（a）所示，其他各控制信号进行计算，仅调制波有120相位差。图2（b），（c）和（d）为三相相电压波形。图2 (e)是由式(1)得出的共模电压波形。这表明逆变器产生共模电压波形特点和其幅值大小与式(2)相同。由图 2 还可以看出，逆变器产生的共模电压与开关的速度，开关的状态和直流母线电压有关。这说明共模电压存在于任何PWM控制。共模电压具有高dv /dt和高幅值电压脉冲的特性。例如 在IGBT 逆变中，共模电压幅值可以达到几百伏，它的dv/dt可以达到每秒几千伏。因此，共模电压将对驱动系统可以产生明显的影响，这主要体现在寄生电容上。在这工作频率情况下，寄生电容在电动机中的影响很小，但是在 PWM 变频器中有大量的高频成分时产生电容的影响就很明显了。（a） SPWM信号产生（b） 相输出电压（c）相输出电压（d）相输出电压（e）共模电压图2：三相逆变器输出的共模电压波形 共模电压的傅立叶分析用SPWM，例如，由文献11可知，三相逆变器傅里叶扩展输出电压表现为（3），a 为调制深度；1 为调制波角频率；s 为载波角频率。在（3）中第一项是角频率为1 的基波成分，即输出相电压的基波幅值为 ，第二项为谐波成分，将（3）代入式(1)中，用贝塞尔函数可以得到共模电压的傅立叶表达式，如（4）中。 （3） （4）由（4）式可以得出结论，在调制波为正弦波时，三相变频器输出共模电压中幅值为0，这就说明共模电压没有频率为调制波频率的成分；这意味着共模电压是以载波 ns 为中心， 分配在它的两侧，幅值两侧对称衰减的谐波；共模电压的谐波幅值不随载波频率大小的变化而变。但是它随载波频率的变化而移动，而且一倍载波频率处的s最大。1.4实验验证一些对关于共模电压的研究已经进行，为了验证方法的正确性和验证共模电压的不良影响。实验的基础为一个32 kW, 3802V，500Hz的异步电动机，来测量它的轴电压和电流。一个艾伦-布拉德利1336逆变器设置在42千赫，100米电缆连接电机和变频器及模拟配置的工业应用程序测试。和一个泰克公司西二色示波器来显示波形。图3显示CMV试验波形及其频谱，它清楚的显示了CMV有四个间段的波形，它的谐波特性分析是和上述相同的。唯一不同是图（3）中包含了频率为 150Hz的谐波。这个电压成分不是由逆变器开关状态产生的，不是共模电压，所以上面关共模电压的分析对的。 图3 ：共模电压实验波形及其频谱根据CMV频谱，存在很多的高频谐波分量，它可能在电机和变压器产生噪音，也可影响输出波形的质量，甚至可以产生电磁干扰。图（4）-图（6）是在不同条件下共模电压的不利影响的实验结果。图 4 (a)中为三相对称电源直接驱动电动机时电动机端的共模电压波形。在这，CMV形成正弦波形状，也就不存在电压反射现象。图 4(b)的第一个方波形为变频器输出的共模电压波形，图 4(b)的第二个波形为电动机定子绕组星接中点处测得的共模电压。从波形可以看出，变频器输出的共模电压经过100米长电缆后到达电动机端时，除波形本身外又加入了高频成分即长线电缆对共模电压的影响使电压发生反射现象。这可以从波形2中波形出现振荡现象看出，共模电压的反射现象使共模电压幅值增大，高频部分加大，对系统的影响加剧。此外，在功率开关的快速通断的时候，高频的dv/dt会在电动机中引起热损耗，也会使电动机消耗更多的能量，加剧电动机的热损耗，导致电动机功率损耗增大，效率降低，影响电动机的性能。 图4 ：不同驱动条件下电动机端的共模电压 图5：不同驱动条件下的电动机轴电压 图6：逆变器驱动时的电动机漏电流图 5 是电动机端轴电压波形。图5（a）是轴电压源电动机三相对称直接相连，其幅值小所以轴承寿命的影响较小。在图5（b）中，波形a为变频器输出共模电压波形，波形b为在电机端共模电压波形，共模电压经长线电缆后发生振荡，轴电压也发生振荡。这说明电动机端轴电压是由变频器输出的共模电压产生的电压值超过轴承绝缘强度时，油膜被破坏，而产生轴承电流出现电蚀现象，导致电动机轴承损坏。而轴电压激增加剧这一现象。图6为由电动机机壳流入地的电流即漏电流。波形1为逆变器输出的共模电压波形。波形2为漏电流波形。从中可以看出逆变器开关每动作一次使共模电压出现一次dv/dt，相应的漏电流产生一次振荡，电动机端漏电流是由共模电压产生的。从图中还可以看出，漏电流的振荡频率非常高达几百kHz。这样的高频电流通过接地线流回电网中将产生 EMI并且影响供电电网电能质量和电网上的其它电子设备的正常工作。所以，上面实验可以得出一些结论。交流电网直接供电时，异步电动机轴电压很小，不会形成有害的轴承电流，但是PWM 变频器供电的电动机有较大的轴电压和轴承电流时载波频率越高轴电压和轴承电流越大。1.5共模电压的消除方法 以上所有这些分析可提供一些抑制CMV理论指导，一种方法是产生一个CMV波形具有相同的振幅和相反方向的电压，加于逆变器输出端，然后一个适当的方法用于逆变器输出端来抵消共模电压。另一种方法是通过滤波器，切断频率远低于开关频率，根据共模电压振幅的频率特性，也可以达到相同的效果。2.PWM 逆变器输出前馈有源滤波器在这一节，一种用四个阶段的积极共模电压补偿器被提出。其基本思想是将控制电压源在每一个阶段插入逆共模电压，实验结果可以验证该过滤器的可行性。 2.1 滤波器拓扑分析滤波器示意图如图7所示，一个单向逆变器是用来产生的电压和一个五厘米绕组变压器是用来引导交流电压。三相变频器和单相逆变器可以被一个DSP控制器。 图7：前馈有源滤波器系统示意图作为普通模式的电机电流很小（接近于0），IGBTs