傳統的兩電平PWM變頻器在電動機繞組中產基金項目：國家自然科學基金項目（50377008）。

　　生的共模電壓會導致電動機和驅動系統出現負面效應，即共模電壓通過靜電耦合在轉子和機殼間建立起軸電壓，當軸電壓超過軸承潤滑劑絕緣能力時將產生過大的軸承電流。軸承電流可以使電動機軸承過早損壞。同時，共模電壓產生非常大的共模漏電流，通過定子繞組和接地機殼間的靜電耦合流入地。可產生足夠大的共模電磁干擾，還會使漏電流保護繼電器誤動作。

　　現有的消除技術一般用于軸承電流和傳導電磁干擾的抑制，而很少能直接和成功地應用到共模電壓的抑制上。中提出的濾波器可以直接用來抑制共模電壓，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技術在抑制共模電壓方面的相關更少。除了硬件方法，從控制策略上，引入空間矢量算法，通過使整流器和變頻器的開關序列同步化，電動機定子繞組中性點對地電壓可降低到2./3，但這種方法需要用在可控整流變頻器，不適于應用到二極管變頻器中。而后者的應用范圍更廣。

　　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仿真軟件來驗證該方法的有效性。多電平PWM變頻器常見結構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聯式變頻器，常用于中壓等級（2300/4160V）裝置以降低功率開關器件的額定電壓，進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，其結論可以推廣到其它結構中。

　　2多電平變頻器輸出中的共模電壓傳統兩電平變頻器每相輸出為±。/2，其三相有效開關狀態為8種。根據共模電壓的定義可知，上述開關狀態所對應的共模電壓均不為零，為土/6和±/2，其共模加愈為±/3，即對兩電平變頻器而言，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象。其結論同理可推廣到具有偶數倍的多電平變頻器中。

　　對于三電平變頻器，如三電平NPC變頻器，其結構如，由12個開關和12個反并聯二極管及6個嵌位二極管組成。與傳統兩電平變頻器相比，NPC有兩個明顯優點：①在每個橋臂上串聯4個開關，使關斷狀態下的開關承受直流母線電壓的一半，而不像兩電平變頻器中的開關承受全壓；②每相輸出電壓中包含3個電平，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。電壓電平數量的增加使開關有效狀態增加到27個，如。將這些開關狀態帶入共模電壓的定義公可知，三電平變頻器也會產生共模電壓，共模電壓的幅值為土/6，為。/6.但在這些開關狀態中，有7種狀態不會產（0?+），（+?0）和（000）。如果將變頻器的開關狀態限制在這7種中，NPC變頻器將不產生共模電壓。

　　三電平變頻器開關狀態這是一個非常有用的結論，即共模電壓在三電平變頻器中是可消除的。同理，這個結論可推廣到具有奇數倍的多電平變頻器中。

　　和傳統變頻器一樣，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。盡管許多調制策略已經被用于減少諧波和減低開關損耗，傳統的SPWM對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論詳細討論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倍電平變頻器中。

　　3三電平逆變器的SPWM控制3.1傳統的三電平SPWM對共模電壓的抑制作用本節主要討論SPWM方法在三電平變頻器控制中的應用。通過傳統的SPWM方法與本節提出的用以抑制共模電壓的SPWM方法進行比較，并從電動機轉速和轉矩角度評價不同的SPWM控制方法對電動機運行產生的影響，以驗證所提方法的有效性及可用性。

　　SPWM由于其原理簡單和諧波失真較低的特性廣泛用于傳統的兩電平變頻器中。同樣，這種方法擴展到多電平變頻器控制的應用中時，對電平變頻器每相應采用（-1）個三角載波信號，相應的正弦調制信號只采用1個。

　　傳統三電平變頻器中一相的SPWM控制策略為一個正弦波和幅值相等、相位相同、位置相差一個幅值的兩個三角波進行比較得出的三電平變頻器一相橋臂中4個開關管的控制信號波形。正弦調制信號分別前后移動2n/3，就可得到其它兩相開關管的控制信號。應用這些信號就可控制所示的三電平變頻器，使其帶動負載進行工作。

　　下面用仿真分析手段得出傳統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電壓的波形，為的仿真結果。（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電平；（b）為線電壓波形，比兩電平輸出線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，可見三電平變頻器也會產生共模電壓，其dv/d是母線電壓的1/6；而兩電平變頻器輸出的共模電壓是母線電壓的1/3，即三電平技術使共模dv/d降低了一半，有利于降低共模電壓的負面效應。共模電壓的比較大值由原來的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，對電動機的負面影響仍不可忽略，必須設法消除之。在仿真過程中未出現電容電壓不平衡現象。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）相電壓對母線中點波形（b）線電壓（c）對母線中點共模電壓傳統SPWM控制下三電平變頻器的電壓波形盡管傳統的三電平SPWM方法降低了輸出電壓中的諧波成分，同時共模電壓也有所降低，但由于變頻器的開關狀態包含所有的開關狀態，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對共模電壓的抑制作用由于SPWM產生的共模電壓對系統的負面效應非常顯著，對系統的正常運行帶來了負面影響。本節提出了降低共模電壓的SPWM控制策略。

　　首先分析一下傳統三電平SPWM產生共模電壓的原因，如所示。以（a）所示時刻為例，在三電平一個開關周期內，在軸0的上部，如果調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.將三相開關狀態組合在一起就形成所示的各種狀態。將這個關系帶到共模電壓定義公，就得到相應的共模電壓P.由于此時圖中包含了7種狀態以外其它開關狀態即（0，-1，-1），（0，0，-1）和（1，0，0），共模電壓就會產生，但已經比兩電平下的共模電壓小多了。這是用開關狀態來描述共模電壓的產生問題。由于共模電壓是由開關狀態決定的，因此本節提出一種盡量使開關狀態在7種狀態之內的方法。如（b）所示，在一個周期內，仍采用兩個載波信號，但與（a）不同的是這兩個載波信號的相位相差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面效應，但對共模dv/dt無效。為米用本節方法仿真的結果。

　　SPWM產生共模電壓原理（a）相電壓對母線中點波形（c）對母線中點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對共模電壓的抑制作用上一節中的SPWM技術雖然可以降低共模電壓的負面效應，但由于共模電壓沒有完全消除，其負面效應仍就存在，共模dv/dt也沒有得到降低。

　　本節提出另外一種SPWM方法解決這個問題。

　　可以消除共模電壓的SPWM與傳統的兩電平SPWM相似，即只采用一個三角載波和三相對稱正弦調制波進行比較得出控制信號。但是具體實現的方法與兩電平SPWM不同。

　　具體實現方法：首先，將三相正弦調制波中的兩相分別與三角載波進行比較，如U相和V相，得出兩個PWM中間信號Fi和心然后計算（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了。相同的方法計算其它兩相。由式（1）可知共模電壓為零。

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

　　（a）為變頻器輸出的相電壓；（b）為變頻器輸出的線電壓波形；（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關管的導通關斷過渡過程產生的。總體來說，這種方法是可以達到消除共模電壓的目的。

　　（a）相電壓對母線中點波形（b）線電壓（c）對母線中點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構，通過適當調整調制策略也可達到抑制變頻器輸出共模電壓的目的。為評價本文提出的多電平變頻器SPWM策略的性能，本節將這幾種方法與傳統的兩電平SPWM進行比較，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。

　　上述幾種方法產生的差模電壓和共模電壓的FFT，以確定這幾種方法產生的諧波含量，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，目的是與三電平進行比較得出兩者在降低共模電壓問題上的不同之處。可見，傳統三電平技術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產生的諧波含量比傳統三電平技術的多，但比兩電平的少，而消除共模電壓的三電平技術產生的諧波與兩電平技術的相當。三電平技術產生的共模電壓諧波成分比兩電平的少，即采用多電平技術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產生的共模電壓的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參數的比較如表示。從圖中可以看出，多電平技術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技術可以幾乎完全抑制共模電壓，消除共模電壓負面效應的作用比較明顯。

　　共模電壓比較為變頻器輸出線電壓相關參數的比較：采用三電平技術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的這一優勢不存在，原因是變頻器中的零序分量不存在。同時對線電壓的基波幅值和有效值均降低幅度較大，影響電動機驅動系統的運行。

　　兩電平傳統三電平降低三電平消除三電平□基波幅值度有效值□線電壓比較0給出了不同控制策略對電動機起動性能的影響。圖中1，2，3分別代表控制策略為兩電平、傳統三電平和降低共模電壓的三電平SPWM作用下電動機的轉速和轉矩；圖中4代表消除共模電壓的三電平SPWM作用下電動機的轉速和轉矩。可見，不同控制策略對電動機的轉速和轉矩的影響不同，前3種波形幾乎重合，對電動機性能的影響近似相同；消除共模電壓的三電平SPWM策略對電動機的轉速上升時間的影響比較大，延遲近0.1s，且起動過程中電動機轉矩降低，則增大了電動機的過渡過程時間，其原因是消除共模電壓的三電平技術使變頻器輸出的差模電壓降低幅度比較大。

　　0幾種SPWM控制方法下電動機起動性能比較綜上，幾種SPWM方法中，三電平技術在降低共模電壓方面的優勢很明顯：①三電平技術在低壓系統中應用主要就是降低共模電壓對變頻器驅動感應電動機系統中的負面效應；②盡管消除共模電壓的三電平技術抑制共模電壓的效果比較佳，但由于這種方法對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，因此在實際應用中，這種方法是不宜采用的；③而降低共模電壓的三電平技術綜合性能是比較佳的，因此這種方法在實際應用中是可行的。

　　4結論研究了三電平變頻器驅動感應電動機系統中降低變頻器輸出共模電壓的方法。首先分析了傳統的三電平技術，指出三電平變頻器也產生共模電壓。但其產生的共模電壓要比兩電平技術產生的共模電壓小，即多電平技術有利于降低共模電壓的負面效應。并以SPWM技術為例分析了三電平技術中共模電壓的產生原因。據這個原因提出了降低共模電壓和消除共模電壓的方法。利用仿真手段驗證了所提方法的有效性，對各種方法進行了比較，其結論是在不影響電動機運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。