1 引言
PWM調(diào)制技術(shù)提高了電力電子裝置的性能，但也帶來了共模電壓的問題。共模電壓不僅會引發(fā)軸電流，破壞電機絕緣，威脅電機的安全運行，而且其本質(zhì)上也是一種高頻諧波，會帶來嚴(yán)重EMI[1]。
隨著EMC問題的深入研究，共模電壓的消除已經(jīng)越來越引起研究者的關(guān)注。一些方法是采用扼流圈或者附加電路進行消除。但是這些方法需要增加硬件設(shè)備，也增加了裝置體積和復(fù)雜性，并且應(yīng)用于不同對象時，器件及參數(shù)都需要重新設(shè)計。因此一些改進的PWM控制方法被用來消除共模電壓，它們不需要額外硬件裝置且實現(xiàn)靈活[2][3]。文獻[4]介紹的方法易于為目前的數(shù)字化載波方式予以實現(xiàn)。但本文分析后提出這類方法會引發(fā)不同橋臂的開關(guān)器件同時動作，對于電機驅(qū)動系統(tǒng)而言，會導(dǎo)致線電壓出現(xiàn)雙極性調(diào)制，從而引起轉(zhuǎn)矩脈動。因此在實際應(yīng)用中，這類方法的效果需要綜合考慮。
2 減小共模電壓的SVPWM方法的分析
2.1 SVPWM控制引起的共模電壓
文獻[4]給出了共模電壓的定義。假設(shè)電機的三相電流對稱, 如圖1所示, 也即I1+I2+I3=0, 則可以推得共模電壓Vcom:
圖1 電壓源逆變器供電的交流驅(qū)動系統(tǒng)
考慮除了
外，其余非零電壓矢量對應(yīng)的同一側(cè)橋臂的三個功率開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)中有兩個必定是相同的(非0即1)，故可以分別用
表示。這
對于SVPWM控制，如果每個PWM周期內(nèi)相鄰兩個電壓矢量的作用時間分別為T1和T2，零矢量的作用時間T0則為:
傳統(tǒng)的SVPWM注入兩個零矢量
來合成所需的電壓矢量, 且分別作用T0/2, 波形對稱, 如圖2所示。
圖2 傳統(tǒng)的SVPWM矢量
由式(1)可以看出，如果采用連續(xù)的三相平衡電源供電，是不會產(chǎn)生共模電壓的[4]。但當(dāng)采用PWM方式進行逆變器的電壓調(diào)制時，共模電壓的產(chǎn)生是不可避免的。式(3)進一步給出了根據(jù)式(2)所得到的基本電壓空間矢量產(chǎn)生的共模電壓。可以看出，采用零矢量V0[000]或V7[111]時的共模電壓峰值是采用其它非零矢量時共模電壓峰值的3倍。
2.2 改進的SVPWM
式(3)表明如果能夠用相反的電壓矢量進行合成來代替零矢量，一定會減少電機的共模電壓。這正是改進SVPWM的基本原則，大致可以歸納為幾種方式:
事實上, 如果僅考慮等效零矢量的合成而不考慮功率器件的工作狀態(tài), 還可以有更多的合成方式，如
等等。
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圖3 方式（1）的改進
圖4 方式（2）的改進
圖5 方式（3）的改進
圖3~圖5給出了區(qū)間3的合成原理[4]。
2.3 改進的SVPWM引發(fā)轉(zhuǎn)矩脈動的分析
事實上, 采用相反的非零矢量進行零矢量合成的方法改變了傳統(tǒng)方法的基本原則:每次開關(guān)切換僅涉及一個開關(guān)器件。
下面給出了上述三種方式在區(qū)間3的開關(guān)時序示意圖，其中P1/P3/P5分別為三相上橋臂的PWM控制信號。
圖6 方式（1）的開關(guān)時序 圖7 方式（2）的開關(guān)時序
圖6和圖7表明，在一個PWM調(diào)制周期內(nèi)，有兩相功率器件發(fā)生了同時動作。進一步可以推得，采用方式(1)和方式(2)在六個區(qū)間內(nèi)都會引起這樣的情形。而的改進方式會引起每個PWM采樣周期內(nèi)有多次的開關(guān)動作。
圖8 方式（3）區(qū)間切換時的開關(guān)時序（區(qū)間3~區(qū)間1）
從圖8可以看出，同另外兩種方式不同，方式3在同一個扇區(qū)內(nèi)并未引起器件的同時動作，但在扇區(qū)切換的時候仍然會出現(xiàn)上述情形。
也就是說，減小共模電壓的改進SVPWM控制方法會引起線電壓的半周期內(nèi)出現(xiàn)反極性的電壓脈沖，原理如圖9所示，從而產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，引起轉(zhuǎn)矩脈動。
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圖9 開關(guān)器件同時動作時的電壓脈沖
同方式(1)以及方式(2)相比，方式(3)僅僅在區(qū)間切換的時候引起開關(guān)器件的同時動作，不會對轉(zhuǎn)矩造成太大的脈動。而且借助傳統(tǒng)SVPWM方法很容易得到方式(3)的PWM控制信號。其中PWM1/2/3為傳統(tǒng)方法的PWM信號，P1/2/3為改進方式(3)的PWM信號，如附表所示。
3 仿真結(jié)果
以一臺異步電動機為控制對象，我們進行了相關(guān)的仿真研究。仿真參數(shù)如下:
母線電壓Udc=340V，PWM開關(guān)頻率10kHz，異步電動機Y接，逆變器輸出一相電壓UA=100V。
改進方式對共模電壓的改善情形如文獻[4]給出。但是由于功率器件發(fā)生了同時動作，線電壓出現(xiàn)了雙極性調(diào)制。圖10和圖11分別給出了采用傳統(tǒng)方式及改進方式(1)的線電壓調(diào)制波形(其它方式的情形類似)。可以看出，與理論分析是完全一致的。
圖10 采用傳統(tǒng)SVPWM方法時的線電壓調(diào)制波形
圖11 采用改進方式1時的線電壓調(diào)制波形
4 結(jié)束語
綜上所述，PWM形式供電的電壓源逆變器會使異步電機驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生較大的共模電壓，進而引發(fā)電磁干擾和威脅電機安全運行。通過改進的零矢量合成方式可以有效減小傳統(tǒng)SVPWM控制所產(chǎn)生的共模電壓。但本文的分析和仿真結(jié)果表明，改進方法會改變功率器件的工作方式，引發(fā)線電壓的雙極性調(diào)制和轉(zhuǎn)矩脈動。
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