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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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基于滤波器的二极管钳位多电平逆变器馈电三相异步电动机CMV分析的建模与仿真

阿卡什·钱德卡尔1, R.K.Dhatrak2Dr.Z.J汗. .3.
  1. 印度钱德拉普尔R.C.E.R.T电子与动力工程系硕士生
  2. 副教授，电子与动力工程系，R.C.E.R.T，钱德拉普尔，印度
  3. 印度钱德拉普尔R.C.E.R.T电子与动力工程系教授兼系主任
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

在本文中，我们提出了一种无源滤波器，目的是消除共模和差模电压产生。为了确定滤波器的参数，利用滤波器传递函数来实现理想的滤波性能。在415V/3Hp感应电机系统上进行了仿真，验证了所提滤波器的有效性和有效性。多电平逆变器可以合成比等效额定两电平变换器谐波失真程度更低的开关波形。多电平概念用于减少输出波形中的谐波失真，而不降低逆变器输出功率。最重要的拓扑，如二极管箝位逆变器(中性点箝位)，电容箝位(飞行电容器)，级联多电平与独立的直流电源。多电平逆变器的调制技术主要有正弦脉宽调制、选择性消谐波等。&空间矢量调制。



关键字
无源滤波器，共模电压，差模电压，谐波含量

介绍
现代600V或1200v绝缘栅双极晶体管(igbt)的开关频率为1 ~ 20khz，上升时间为0.1μsec，在中压系统中得到了广泛应用，对提高电压、电流和转矩的可控性有很大贡献。它还有助于减少噪音。然而，这种改善伴随着电机端逆变器的高dv/dt值，使电机在开关瞬态时受到应力，随着开关频率的增加，应力在电机上的应用速率增加，并被归因于许多问题，包括众所周知的轴承电流，绕组故障[1]，[2]等。此外，电机终端的高共模电压的百分比已被证明有助于高频泄漏电流到地，以及诱导轴电压由于定子和转子之间的静电耦合[3]，[4]。而高强度的接地泄漏电流已被证明会干扰工业设施中的接地故障保护系统，并导致宽带电磁干扰(EMI)问题。已证明，感应轴电压会引起轴承电流，导致点蚀、凹槽和随后的故障[5]。为了消除上述副作用，在电压型PWM逆变器的输出端采用滤波器。一般来说，滤波器分为两类:无源滤波器和有源滤波器。到目前为止，各种类型的无源滤波器配置，基于电感，电容和电阻或二极管，已在[6]-[11]中提出。Ogasawarea等人提出了一种主要由互补晶体管和共模变压器组成的电路，用于实现共模电压[11]的主动抵消。 This method effectively eliminates the line-to-line common-mode voltage and shaft voltage, but it makes no contribution for reducing differential-mode overvoltage occurs at motor terminals when a long cable is used to connected PWM inverter and motor. At the same time, the active circuits of [11],[12] and [13] have limitations because complimentary transistors rated at 600V or higher are presently not available in the market.
针对这些问题，本文提出了一种同时降低共模和差模电压梯度的新型逆变器输出端无源滤波器，并给出了详细的参数设计步骤。该滤波器由三个电感、三个电容和一个电阻组成。与传统无源滤波器相比，该滤波器通过将共模互感器的一端连接到dc-link的中点，可以对称地抑制共模电压和差模电压的dv/dt值。

共模电压
CMV定义为负载星点和系统地的电压。CMV的大小取决于接地系统
图像
由于图1所示的中性点箝位或二极管箝位逆变器中有12个开关，它们产生19个输出电压矢量，包括一个零电压矢量。如果输出电压之和不为零，则产生共模电压。相位电压波形和所产生的共模电压的示例如图2所示
中性点(NP)电压变化导致三相输出电压的附加变化，并在输出中引起一些谐波。
图像
最后，NP电压变化在三倍于基本输出频率的情况下产生共模电压，即使通过滤波等技术缓解了高频和高dv/dt开关共模电压，这种情况也会发生。当由NP电压变化引起的共模电压和由此产生的轴电压大到足以破坏轴承中的油膜绝缘时，产生轴承电流，通过侵蚀可能导致电机轴承过早失效。因此，NP电压控制不仅对中性点箝位或二极管箝位逆变器的运行很重要，而且对共模电压缓解[5]也很重要。轴电压是在电机轴和电机机架之间测量的，电机机架通常是接地的。它是由共模电压耦合通过由电机定子绕组、转子绕组和它们之间的分布电容组成的路径产生的。它的大小不仅取决于共模电压的大小，而且还取决于耦合阻抗[6]

无源滤波器设计
设计了简单的LC滤波器来消除CMV和谐波失真。滤波器主要分为三类:无源、有源和混合。因此，可以提出基于电感、电容和电阻或二极管的各种类型的无源滤波器配置。无源滤波器通过将共模的一端连接到dc-link的中点，可以对称地抑制共模电压和差模电压的dv/dt值。在415V/3Hp感应电机上的仿真结果验证了该滤波器的有效性。有源滤波器很难实现designâ ' Â所以在本工作中主要是设计无源滤波器。
本文在仿真模型中使用LC滤波器消除了二电平、三电平和五电平逆变器的共模电压和总谐波失真。该lc滤波器适用于在开关频率处及以上C的负载阻抗相对较高的配置。由于增加了分流元件，lc滤波器的成本和无功功率消耗均大于l滤波器
输出电流纹波与带l滤波器的电感电流纹波相同，其中衰减仅取决于滤波器电感。LC低通滤波器能够衰减输出电压波形中的大多数低阶谐波。为了使失真最小化，对于线性或非线性负载，逆变器的输出阻抗必须最小化。因此，在指定截止频率时，电容应最大化，电感应最小化。这降低了整体成本、重量和体积。但通过增加电容，逆变器的额定功率将由于滤波器的无功功率增加而增加。
电感器决定了电感电流中的纹波，并减少了低频谐波成分。考虑逆变器相位“aÃⅱÂ′Â′电压Va，并假设输出电压Vga相对于开关频率变化缓慢。根据该谐波标准，允许电流为额定电流的15-20%。最大纹波现在可以由下式计算。纹波电流取决于直流链路电压、电感和开关频率。直流链路电压和开关频率是恒定的，因此电感可由上述公式计算

共模滤波器
这是降低共模电流的有效方法之一。每相磁芯上的绕组都绕向相同的方向。这抵消了由线路电流产生的磁通和由地电流产生的磁通。因此，共模扼流圈理想地为线路电流提供零电感，并为共模电流提供高电感。在构建CM扼流圈时，必须将第一个匝与最后一个匝分开，否则高频分流的寄生电容会使核心分流，从而降低其有效性。

仿真与结果
A)无滤波器双电平二极管箝位逆变感应电机的仿真
根据上面所示的共模电压和FFT分析窗口的图，参考表一，我们可以声明，随着电平的增加，共模电压以及热谐波失真继续下降，通过将所提出的滤波器应用于二、三和五电平模型，我们进一步能够降低相应的共模电压和热谐波失真

结论
本文介绍了一种无源滤波器的设计与实现。该滤波器的目的是同时从交流输出电压中消除高频共模电压和差模电压。在415V/3Hp电机系统上进行了仿真和实验，验证了该滤波器的输出。对不同级别的总谐波失真和共模电压进行了评估。研究发现，与传统的两电平逆变器相比，多电平逆变器馈电异步电动机的共模电压、差模电压和谐波畸变都较小。两电平逆变器的滤波器尺寸和额定值比多电平逆变器大。与两电平逆变器相比，多电平逆变器交流驱动的能耗更小。

表格一览
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表1

数字一览
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图6 图7 图8 图9 图10
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图11 图12 图13 图14 图15
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参考文献













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