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(5) 有源共模电压消除器(ACCom)
Y.Q.Xiang提出了有源共模电压补偿器(ACCom)用于降低PWM VSI驱动感应电机系统中的轴电流，其结构如图15所示[23]。有源共模电压补偿器由单相多电平半桥逆变器（SPMHI）和四绕组共模变压器组成。由于共模电压是四电平开关电压，可采用一多电平逆变器去产生方向相反的四电平电压用于补偿共模电压，通过共模变压器将这个补偿电压叠加到系统中。Y接电阻网络用于检测逆变器输出。ACCom能完全消除共模电压，同时由于基于电力半导体器件的开关操作，可降低损耗，适于高电压应用。 这种结构的滤波器的变压器原边由具有6个开关器件组成的四电平半桥逆变器驱动，元件的数量和驱动这些元件的电路非常复杂，串联电容的电压平衡问题没有解决。变压器的原边产生反向共模电压，具有线性放大器的作用，因此可以产生很高的功率损耗，还需要有较大的变压器励磁电感，使变压器的体积很大。 (6) 其他方法 为了消除共模电流，文献[24]指出A. Consoli等研究采用公共直流母线多驱动工业系统中的共模电流消除技术。他提出了一个廉价的允许在由两个或多个逆变器组成的多驱动系统中补偿共模电压变化的技术。该技术基于在两个逆变器之间的适当连接，采用新的PWM调制策略。这样的调制策略在两个逆变器中控制逆变器状态序列使共模电压同步变化。由于通过两个RLC滤波器的连接，可以视为六线系统，在两个驱动系统中就可以获得一个理论上的零共模电压。 用零电压开关方法抑制dv/dt[25] ：目前的变频器有采用硬开关电路，即功率开关器件在高电压下导通，大电流下关断，处于强迫开关过程。高电压下导通是造成在功率器件导通瞬间产生高幅值dv/dt的直接原因。如果采用零电压在导通，随后输出电压平稳上升，那么就不会产生电压突变，dv/dt问题就会迎刃而解了。谐振软性开关逆变电路的提出，解决了硬开关电路所造成的高幅值dv/dt问题的有效途径。在谐振软性开关电路中，功率开关器件是在零电压条件下导通的，因此就不存在硬开关电路在高压下强迫导通时产生的电压突变，因此也就不存在高幅值dv/dt的问题。目前，谐振软性开关逆变电路已经用于低压航空电源，在大功率范围的实际应用上，还存在着一些需要解决的问题。但是软开关逆变器整体来说不能比硬开关逆变器提供出更好的优势，实验表明软开关逆变器产生的轴电压等于或大于硬开关逆变器产生的轴电压。软开关逆变器产生的轴承电流与硬开关逆变器产生的轴承电流相当，即软开关逆变器不能从本质上解决逆变器开关产生的轴承电流和轴电压的问题。 4.4 软件方法 上面的方法是在增加硬件的基础上来降低共模电压的，如采用四相逆变器、推挽射随跟随器、双桥逆变器等。这些方法的缺点是逆变器的重量和体积增大了，控制系统复杂了，需要对所用的滤波器或变压器参数进行再设计，这都降低了驱动系统的可靠性。近年来开始从控制策略上入手来研究这些问题。如文献[26]在控制策略中采用PWM方式来降低共模电压，但这种方法由于缺少零电压分量容易产生较大的电流脉动，对调制比有很大的限制，从而限制了其在工业领域中的应用。还有如文献[27]在PWM升压整流/逆变器中采用空间矢量PWM同步控制的方法来降低共模电压，使共模电压的幅值降到母线电压的2/3。这种方法一是不能用到使用更为普遍的二极管整流/逆变器驱动系统中，二是由于共模电压脉冲的数量减少，使电机漏电流的尖峰数减少，漏电流的有效值降低了，但漏电流的峰值可能没有变化。文献[28]对文献[27]的不足提出了改进的方法，这种方法可以在二极管整流/逆变器系统应用。由于共模电压脉冲的数量减少，使电机漏电流的尖峰数减少，尽管漏电流的峰值可能没有变化，漏电流的有效值降低了。文献[29]采用空间矢量方法控制逆变器的开关器件的通断，文中提出新的调制策略，在采用三种逆变器状态以维持共模电压保持不变。这种策略可以有效降低共模电流，但对电机定子电压的影响很大。
5 同时抑制差模dv/dt和共模电压负面效应的对策
针对上述滤波器结构的不同之处，本文提出一种新颖的滤波器结构如图16所示。该滤波器具有两个功能，即可以同时消除共模电压和差模dv/dt，即LC构成差模滤波器用于滤除差模dv/dt，CRL1-L2构成共模滤波器消除共模电压。由于这时变频器和电容C之间存在差模电感，可以缓冲电容C在变频器开关动作时产生尖峰电流对变频器的冲击作用，因此对电容C的数值选取不受限制，其取值以差模滤波为主。由图16可见，电容C网络有两个功能：一个是与电感L一起组成差模dv/dt滤波器来降低差模dv/dt ；另一个是作为共模电压检测装置并给共模变压器提供驱动电流。 图17(a)是电动机端差模电压波形。由于存在100m长的电缆连接在逆变器和电动机中间，电动机端出现了电压反射现象，电动机端的线电压值几乎加倍，这将使电动机的绝缘寿命缩短。当在电动机和逆变器之间加上滤波器后，如图17(b)所示，电动机端线电压波形被滤成正弦波，由于电动机端的差模dv/dt几乎完全消除，电压反射现象不存在了，使电动机和变频器之间的电缆长度不受限制了。同时这个结果也说明，所提滤波器中的共模变压器对差模电压没有影响。图17(c)为没加入任何滤波器时，共模电压由于较高的dv/dt也产生了电压反射现象，它将产生较大的轴电压和轴承电流从而使电动机轴承过早损坏。图17(d)中，采用本文提出的滤波器时，共模dv/dt被明显降低了，由此其负面效应被有效抑制了。 因此，本文提出的滤波器结构的特点是：可以同时消除变频器输出产生的负面效应，而且还能适应载波频率的变化，在不同的载波频率下都可以得到满意的谐波抑制效果，这些特点要比单独抑制共模电压或差模dv/dt的滤波器要好得多。 6 结论 本文首先分析了现代变频器输出产生的负面效应的本质，然后对抑制负面效应的各种对策进行了评价，在此基础上，提出了一种新颖的可以同时消除共模电压和差模dv/dt的新型滤波器，试验结论验证了这种滤波器的有效性。 参考文献： [1] David Leggate, Jeff Pankau, et al. Reflected waves and their associated current [J]. IEEE Trans. Industry Applications vol.35, no.6. November/ December 1999: 1383~1392 [2] Yoshihiro Murai, Takehiko Kubota, et al. Leakage Current Reduction for a High-frequency Carrier Inverter Feeding an Induction Machine [J]. IEEE Trans. Industry Applications, 1992, 28：858~863 [3] Jay M. Erdman, R. J. Kerkman, at el. Effect of PWM Inverters on AC Motor Bearing Currents and Shaft Voltages [J]. IEEE Trans. Industry Applications, vol.32, no.2, March/April, 1996: 250 -259 [4] Dudi A. Rendusara, Prasad N. Enjeti. An improved inverter output filter configuration reduces common and differential modes dv/dt at the motor terminals in PWM drive systems [J]. IEEE Trans. Power Electronics vol. 13, no. 6. November 1998: 1135~1143. [5] Annette von Jouanne, Dudi A. Rendusara, Prasad N. Enjeti. Filtering Techniques to Minimize the Effect of Long Motor Leads on PWM Inverter-fed AC Motor Drive Systems. IEEE Trans. on Industry Applications. 1996,32 (4):919~926 [6] G. Skibinski, R. Kerkman, D. Leggate, J. Pankau, D. Schlegel. Reflected Wave Modeling Techniques for PWM AC Motor Drives. IEEE APEC Proceedings, 1998: 1021~1029 [7] Annette von Jouanne. New Passive and Active Filtering Techniques for the Mitigation of Power System Harmonics and to Reduce the Effects of High Frequency PWM Switching on the Operation of AC Motor Drives, Ph.D., Dissertation, Texas A&M University, 1995 [8] Lawrence A. Saunders, Gary L. Skibinski Steve T. Evon, David L. Kempkes. Riding the Reflected wave: IGBT Drive Technology Demands New Motor and Cable Considerations. IEEE IAS-Petroleum & Chemical Industry Conference, Philadephia, 1996:75~84 [9] Noboru Aoki, Kenichi Satoh, Akira Nabae. Damping Circuit to Suppress Motor Terminal Overvoltage and Ringing in PWM Inverter-Fed AC Motor Drive Systems with Long Motor Leads. IEEE Trans. on Industry Applications. 1999,35(5): 1014~1020 [10] Paul T. Finlayson. Output Filter Considerations for PWM Drives with Induction Motors. IEEE Annual Textile, Fiber and Film Industry Technical Conference, 1996: 1~7 [11] Yilmaz Sozer, David A. Torrey, Suhan Reva. New Inverter Output Filter Topology for PWM Motor Drives. IEEE Trans. on Power Electronics. 2002, 15(6):1007~1017 [12] Annette Von Jouanne, Haoran, Zhang. An Evaluation of Mitigation Techniques for Bearing Currents, EMI and Over-oltages in ASD Applications. IEEE Trans. on Industry Applications. 1998, 34(5): 1113-1121 [13] Shaotang Chen, T. A. Lipo. Circulating Type Motor Bearing Current in Inverter Drives. IEEE Industry Applications Magazine. 1998, 4(1): 32?8 [14] Don Macdonald, Will Gray. PWM Drive Related Bearing Failures. IEEE Industry Applications Magazine. 1999, 5(4): 41-47 [15] Doyle F. Busse, Jay M. Erdman. An Evaluation of the Electrostatic Shielded Induction Motor: A Solution for Rotor Shaft Voltage Buildup and Bearing Current. IEEE Trans. on Industry Applications. 1997, 33(6): 1563?570 [16] Derek Chambers, Annette Von Jouanne. A Novel High Performance Resonant Converter ASD to Eliminate the Adverse Effects of PWM Operation. IEEE Industry Applications Magazine. 2001: 2033-2040 [17] Satoshi Ogasawara, Hirofumi Akagi. Modeling and Damping of High-Frequency Leakage Currents in PWM Inverter-Fed AC Motor Drive Systems. IEEE Trans. on Industry Applications.1996, 32(5): 1105-1114 [18] Mahesh Mysore Swamy, Kenji Yamada, Tsuneo Kume. Common Mode Current Attenuation Techniques for Use with PWM Drives. IEEE Trans. on Power Electronics. 2001, 16(2): 248-255 [19] Zhihong Ye, Dushan Boroyevich, Kun Xing, Fred C. Lee, Changrong Liu. Active Common-Mode Filter for Inverter Power Supplies with Unbalanced and Nonlinear Load. IEEE IAS Proceedings, Phoenix, AZ, USA. 1999: 1858 -1863 [20] Annette Von Jouanne, Haoran Zhang. A Dual-bridge Inverter Approach to Eliminating Common Mode Voltages and Bearing and Leakage Currents. IEEE Trans. on Power Electronics. 1999, 14(1): 43-48 [21] Satoshi Ogasawara, Hideki Ayano, Hirofumi Akagi. An Active Circuit for Cancellation of Common-Node Voltage Generated by a PWM Inverter. IEEE Trans. on Power Electronics. 1998, 13(5): 835-841 [22] Madhav D. Manjrekar, Thomas A. Lipo. An Auxiliary Zero State Synthesizer to Reduce Common Mode Voltage in Three-Phase Inverters. IEEE IAS Proceedings, Phoenix, AZ, USA. 1999: 54-59 [23] Y.Q.Xiang. A Novel Active Common-Mode-Voltage Compensator (ACCom) for Bearing Current Reduction of PWM VSI-Fed Induction Motors. IEEE APEC Proceedings, Anaheim, CA, USA. 1998: 1003-1009 [24] A. Consoli, M. Cacciato, F. Gennaro, G. Scarcella, A. Testa. Common Mode Current Elimination in Multi-Drive Industrial Systems. IEEE IAS Proceedings, Phoenix, AZ, USA. 1999: 1851-1857 [25] Subhashish Bhattacharya, Leopoldo Resta. Experiment- al Comparison of Motor Bearing Currents with PWM Hard-and Soft-Switched Voltage-Source Inverters. IEEE Trans. on Power Electronics.1999, 14(3): 552-562 [26] Y. S. Lai. New Random Inverter Control Technique for Common Mode Voltage Mitigation of Motor Drives. IEE Proceedings Electric Power Applications. 1999, 146(3): 289-96 [27] Hyeoun-Dong Lee, Seung-Ki Sul. A Common Mode Voltage Reduction in Boost Rectifier/Inverter System by Shifting Active Voltage Vector in a Control Period. IEEE Trans. on Power Electronics. 2000, 15 (6): 1094-1101 [28] Hyeoun-Dong Lee, Yo-Chan Son, Seung-Ki Sul. A New Space Vector Pulse-Width Modulation Strategy for Reducing Ground to Stator-Neutral Voltage in Inverter-Fed AC Motor Drives. IEEE APEC Proceedings, New Orleans, LA, USA. 2000: 918-923 [29] Mario Cacciato, Alfio Consoli, Giuseppe Scarcella, Antonio Testa. Reduction of Common-Mode Currents in PWM Inverter Motor Drives. IEEE Trans. on Industry Applications. 1999, 35 (2): 469-476
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