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1  引言

    變頻器在節能、改善人類生活環境、降低生產成本、提高產品質量以及提高工業自動化程度等方面作出了巨大的貢獻，但同時也產生了一些顯著的負面效應^[1-4]。由于現代電力電子器件的飛速發展，功率開關器件（如絕緣柵雙極晶體管IGBT）開關頻率可達幾萬赫茲，其快速導通或關斷特性將使逆變器的輸出產生很高的dv/dt。dv/dt過高將對變頻器驅動系統產生一系列危害：

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

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

        (3)  當電機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，采礦業等領域，由于長線電纜存在分布電感和分布電容，將產生反射波現象，使電機端dv/dt加倍。共模dv/dt加倍可以使上述危害加重；差模dv/dt加倍引起電機端出現過電壓，加劇繞組絕緣老化過程，造成電機絕緣損傷，甚至絕緣擊穿，縮短了電機使用壽命，嚴重時會使電動機燒毀、電纜爆裂。

        上述問題的存在，嚴重影響了變頻器驅動系統的可靠運行，制約了變頻技術的進一步推廣使用。為此本文首先分析了變頻器輸出負面效應產生的根源，然后綜述了負面效應的抑制對策并對這些對策進行了評價，最后提出可有效消除或降低變頻器輸出負面效應的方案。

2  負面效應存在的根源

    常規的兩電平電壓源型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，大多數變頻器采用的開關器件為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20 000 V/μs，這樣高的dv/dt會對電動機驅動系統產生強烈的沖擊作用。

    在常規的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，為±U_DC/6和±U_DC/2。這4個值之間隨著開關器件導通狀態的不同而不斷跳變，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倍的包絡線。由于上述高頻共模電壓的存在，也會給交流變頻調速系統帶來負面效應。

    一方面，高頻的共模電壓作用在電機上，由于電機內部存在高頻寄生電容耦合作用，在電機轉軸上會耦合出軸電壓，如果電機沒有接地或接地不良，就會產生電擊事故。另外，當電機正常運行時，電機的軸承中，滾珠在油膜中高速運行，使潤滑劑在軸承內部形成兩層油膜，使電機軸承呈現出容性作用。由于電機軸承的內座圈與轉軸相接，外作圈與定子相聯，軸電壓將作用在軸承上。當軸電壓略大于軸承潤滑劑絕緣電壓閾值時，感應出較小的軸承電流，使潤滑劑發生化學變化，最終由于軸承座圈受到化學侵蝕而降低壽命；當軸電壓遠大于絕緣閾值時，將產生電容放電性電流-軸承電流，當套圈和滾珠接觸時，這個電流會擊穿油膜產生較高的放電電流，使套圈局部溫度迅速升高，導致軸承座圈上產生熔化性凹點，最終產生凹槽，如圖3所示，增大軸承的機械磨損，降低了機械壽命。

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

    當變頻器和電動機的位置相隔較遠時，需要一定長度的電纜引線把變頻器輸出的PWM信號傳輸至電動機的接線端，當電纜線達到一定長度時，由于dv/dt的存在，變頻器發出的PWM脈沖信號可被看作是在電纜線上進行長線傳輸的行波，在電動機的接線端會產生反射，反射波與入射波疊加，從而使電動機端的電壓近似加倍，因此會在電動機端產生過電壓。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面效應進一步加重，差模電壓的加倍超過電機繞組的絕緣范圍，是電機絕緣提前老化，使電纜爆裂，如圖4所示，影響了電機的長期運行，也增大了系統的維護成本。這是采用PWM變頻器的交流變頻調速系統在長線傳輸時所帶來的負面效應。

    圖5為驗證變頻器負面效應產生根源的實驗驗證波形。實驗條件：AB 1336 FORCETM 變頻器，3kW感應電機，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，這將對電機的絕緣產生影響；圖(f)表明電機軸電壓是由共模電壓產生的，因其波形相近，圖(g)說明共模電壓每出現一次dv/dt，都將感應出漏電流。圖5說明了變頻器負面效應產生的根源：共模電壓和差模dv/dt，也說明要想消除變頻器負面效應，根本方法是減小或消除共模電壓和差模dv/dt。