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1  引言

    變頻器在節(jié)能、改善人類生活環(huán)境、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及提高工業(yè)自動化程度等方面作出了巨大的貢獻(xiàn)，但同時也產(chǎn)生了一些顯著的負(fù)面效應(yīng)^[1-4]。由于現(xiàn)代電力電子器件的飛速發(fā)展，功率開關(guān)器件（如絕緣柵雙極晶體管IGBT）開關(guān)頻率可達(dá)幾萬赫茲，其快速導(dǎo)通或關(guān)斷特性將使逆變器的輸出產(chǎn)生很高的dv/dt。dv/dt過高將對變頻器驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生一系列危害：

        (1)  由于高頻時電源線路存在分布電容以及電動機(jī)內(nèi)部存在寄生電容，將產(chǎn)生充放電電流（稱為漏電流），流入地線，漏電流過大將引起電機(jī)保護(hù)電路誤動作；還會由于電容的累積作用使得轉(zhuǎn)子軸電壓升高。這兩者都會引起潤滑油膜擊穿，產(chǎn)生電火花加工作用，從而導(dǎo)致電機(jī)軸承過早損壞，增加電機(jī)的維修費(fèi)用，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

        (2)  高頻的漏電流經(jīng)地線流回系統(tǒng)的三相電源中，產(chǎn)生高頻電磁干擾(EMI)，高次諧波電流在線路阻抗上形成諧波壓降，產(chǎn)生有功和無功損耗，影響供電電網(wǎng)電能質(zhì)量，供電效率下降；還會使繼電保護(hù)裝置因受干擾而產(chǎn)生誤動作，影響電網(wǎng)上的其他電子設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至在功率開關(guān)器件的高速通斷期間，高頻的dv/dt會在電機(jī)鐵芯疊片中激勵渦流引起熱損耗，還會使電機(jī)的銅線繞組通過集膚效應(yīng)消耗更多的能量，加劇電機(jī)的熱損耗，導(dǎo)致電流功率損耗增大，效率降低，從而影響電動機(jī)性能。當(dāng)變頻器產(chǎn)生的高頻電磁振蕩的頻率與電機(jī)的零部件的固有振蕩頻率相近時，會誘使其發(fā)生機(jī)械共振和噪聲。

        (3)  當(dāng)電機(jī)和逆變器之間不可避免地采用長線傳輸電纜時，如在石油開采、造紙，采礦業(yè)等領(lǐng)域，由于長線電纜存在分布電感和分布電容，將產(chǎn)生反射波現(xiàn)象，使電機(jī)端dv/dt加倍。共模dv/dt加倍可以使上述危害加重；差模dv/dt加倍引起電機(jī)端出現(xiàn)過電壓，加劇繞組絕緣老化過程，造成電機(jī)絕緣損傷，甚至絕緣擊穿，縮短了電機(jī)使用壽命，嚴(yán)重時會使電動機(jī)燒毀、電纜爆裂。

        上述問題的存在，嚴(yán)重影響了變頻器驅(qū)動系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，制約了變頻技術(shù)的進(jìn)一步推廣使用。為此本文首先分析了變頻器輸出負(fù)面效應(yīng)產(chǎn)生的根源，然后綜述了負(fù)面效應(yīng)的抑制對策并對這些對策進(jìn)行了評價，最后提出可有效消除或降低變頻器輸出負(fù)面效應(yīng)的方案。

2  負(fù)面效應(yīng)存在的根源

    常規(guī)的兩電平電壓源型PWM變頻器輸出的相電壓信號如圖1所示，為一系列寬度周期性變化的近似方波的脈沖信號。目前，大多數(shù)變頻器采用的開關(guān)器件為IGBT，其典型上升時間為100ns，因此PWM信號的dv/dt約為5 400V/μs，而對于中高壓變頻器其dv/dt可達(dá)20 000 V/μs，這樣高的dv/dt會對電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊作用。

    在常規(guī)的PWM控制方式下，變頻器三相輸出的相電壓盡管相位互差1208，但三者之和并不為零，即存在很高的零序電壓，又稱共模電壓。共模電壓的典型波形如圖2所示，一種階梯式的躍變電壓，幅值與直流母線電壓U_DC有關(guān)，為±U_DC/6和±U_DC/2。這4個值之間隨著開關(guān)器件導(dǎo)通狀態(tài)的不同而不斷跳變，因此，共模電壓也存在較高的dv/dt。共模電壓幅值跳變的頻率為變頻器開關(guān)頻率的6倍，是一種高頻信號。另外，共模電壓上還疊加著一個頻率為變頻器輸出基波3倍的近似三角波的信號，因此共模電壓有著頻率為輸出基波3倍的包絡(luò)線。由于上述高頻共模電壓的存在，也會給交流變頻調(diào)速系統(tǒng)帶來負(fù)面效應(yīng)。

    一方面，高頻的共模電壓作用在電機(jī)上，由于電機(jī)內(nèi)部存在高頻寄生電容耦合作用，在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上會耦合出軸電壓，如果電機(jī)沒有接地或接地不良，就會產(chǎn)生電擊事故。另外，當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時，電機(jī)的軸承中，滾珠在油膜中高速運(yùn)行，使?jié)櫥瑒┰谳S承內(nèi)部形成兩層油膜，使電機(jī)軸承呈現(xiàn)出容性作用。由于電機(jī)軸承的內(nèi)座圈與轉(zhuǎn)軸相接，外作圈與定子相聯(lián)，軸電壓將作用在軸承上。當(dāng)軸電壓略大于軸承潤滑劑絕緣電壓閾值時，感應(yīng)出較小的軸承電流，使?jié)櫥瑒┌l(fā)生化學(xué)變化，最終由于軸承座圈受到化學(xué)侵蝕而降低壽命；當(dāng)軸電壓遠(yuǎn)大于絕緣閾值時，將產(chǎn)生電容放電性電流-軸承電流，當(dāng)套圈和滾珠接觸時，這個電流會擊穿油膜產(chǎn)生較高的放電電流，使套圈局部溫度迅速升高，導(dǎo)致軸承座圈上產(chǎn)生熔化性凹點(diǎn)，最終產(chǎn)生凹槽，如圖3所示，增大軸承的機(jī)械磨損，降低了機(jī)械壽命。

    另一方面，共模電壓激勵了系統(tǒng)中的雜散電容和寄生耦合電容，產(chǎn)生很大的共模漏電流，通過定子繞組和接地機(jī)殼間的靜電耦合流入地即漏電流，這個電流將通過接地導(dǎo)體流回電網(wǎng)中從而產(chǎn)生足夠大的共模電磁干擾(EMI)。這個干擾分為兩類：輻射干擾和傳導(dǎo)干擾。由于驅(qū)動器的機(jī)殼通常采用金屬制成從而削弱了輻射干擾。傳導(dǎo)噪聲通過連接驅(qū)動器的，系統(tǒng)電源的和負(fù)載的電力線進(jìn)行傳導(dǎo)，因而共模電壓是產(chǎn)生傳導(dǎo)性EMI的主要因素。另外，漏電流還引起用于保護(hù)的接地電流繼電器的誤動作。

    當(dāng)變頻器和電動機(jī)的位置相隔較遠(yuǎn)時，需要一定長度的電纜引線把變頻器輸出的PWM信號傳輸至電動機(jī)的接線端，當(dāng)電纜線達(dá)到一定長度時，由于dv/dt的存在，變頻器發(fā)出的PWM脈沖信號可被看作是在電纜線上進(jìn)行長線傳輸?shù)男胁ǎ陔妱訖C(jī)的接線端會產(chǎn)生反射，反射波與入射波疊加，從而使電動機(jī)端的電壓近似加倍，因此會在電動機(jī)端產(chǎn)生過電壓。這個過電壓包括共模電壓的加倍和差模電壓的加倍。共模電壓的加倍使上述負(fù)面效應(yīng)進(jìn)一步加重，差模電壓的加倍超過電機(jī)繞組的絕緣范圍，是電機(jī)絕緣提前老化，使電纜爆裂，如圖4所示，影響了電機(jī)的長期運(yùn)行，也增大了系統(tǒng)的維護(hù)成本。這是采用PWM變頻器的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在長線傳輸時所帶來的負(fù)面效應(yīng)。

    圖5為驗(yàn)證變頻器負(fù)面效應(yīng)產(chǎn)生根源的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證波形。實(shí)驗(yàn)條件：AB 1336 FORCETM 變頻器，3kW感應(yīng)電機(jī)，采用100米長電纜連接。

    通過圖5(b)和(d)可以看出，長線電纜可以使變頻器輸出的差模和共模dv/dt幅值近似加倍，這將對電機(jī)的絕緣產(chǎn)生影響；圖(f)表明電機(jī)軸電壓是由共模電壓產(chǎn)生的，因其波形相近，圖(g)說明共模電壓每出現(xiàn)一次dv/dt，都將感應(yīng)出漏電流。圖5說明了變頻器負(fù)面效應(yīng)產(chǎn)生的根源：共模電壓和差模dv/dt，也說明要想消除變頻器負(fù)面效應(yīng)，根本方法是減小或消除共模電壓和差模dv/dt。