变频器共模电压对电动机的影响

    共模电压（也叫零序电压），是指电动机定子绕组的中心点和地之间的电压。以图11-41中所示的典型电流源型变频器（不带输入变压器）为例，由于上下直流母线的滤波电抗器大小相同，而且流过相通的电流，所以每个电抗器上的压降也相同，因此以接地点G为参考电平，各点电压符合以下关系，UmG-EpG=EnG-UnG，所以有UpG+UnG=EpG+EnG，除以2，可得，UmG=(UpG+UnG)/2=(EpG+EnG)/2=EmG。由于整流电路在同一时刻只有两相同时导通，导致整流电路输出的直流中点电压不等于供电电源的中心点电压，即UmG≠0。图11-42是在晶闸管触发角为20°时的电压波形，中点电压按照电网电压三倍的频率进行变化，在晶闸管触发角为90°时达到最大值。电流源型变频器的工作原理与整流器大致相同，只是EmV。的变化频率为变频器输出频率的三倍，会随着变频器输出频率的变化而变化。由于UmG=EmG=EmV-UVG，所以共模电压UVG=UmG-EmV。由于输出频率一般不等于电网频率，且不断变化，因此UmG和EmV的组合可以导致共模电压在某一时刻会达到最大值。由于U和E的最大值都可以达到额定相电压峰值的50%，所以共模电压最大可接近相电压的峰值，如果电源的中心点接地，电动机的机壳也接地，这样共模电压变施加到电动机定子绕组的中心点和机壳之间。这样高的共模电压使电动机绕组承受的绝缘应力为正常电网直接运行情况下的两倍，严重影响电动机绝缘。图11-43显示了一输出电压为4160V的GTO晶闸管电流源型变频器的共模电压。其实，低压电动机使用变频器时同样存在共模电压问题，不过影响并不像高压时那么显著。

    图11-41    共模电压表示图

    图11-42    电流源型变频器各点电压波形

    当没有输入变压器时，共模电压会直接施加到电动机上，增加绕组对地的绝缘应力，引起绝缘击穿，影响电动机的使用寿命。如果设置输入变压器，则共模电压有输入变压器和电动机共同来承担，按照原输入变压器一二次绕组间的分布电容和电动机绕组对机壳间的分布电容（两个容抗串联）进行分配。由于一般输入变压器的分布电容大大小于电动机绕组对外壳的分布电容（比如前者为后者的1/10），这样主要的共模电压由输入变压器来承担，只要考虑加强输入变压器的绝缘即可，而变压器的绝缘加强相对电动机要容易得多。如果没有输入变压器，则电动机绝缘必须加强，比如4160V额定电压的电动机要求采用10kV的绝缘设计，不能使用标准的异步电动机。MGI允许6kV电动机可以承受的共模电压范围为基波相电压峰值和共模电压峰值之和不超过8.7kV。

    图11-43    GTO晶闸管电流源型变频器的共模电压

   PWM变频器的共模电压中含有与开关频率相对应的高频分量，高频的电压分量会通过输出电缆和电动机的分布电容产生高频漏电流，影响逆变器电力电子电路的安全。电动机通过地产生高频漏电流一部分是通过电定子绕组经定子绕组和机壳间的分布电容，再经机壳流入地，另一部分是通过绕组和转子产问的分布电容，经过轴承再到机壳，然后到地。后者的作用相当于轴电流，会引起电机轴承的“电蚀”，影响轴承的寿命。

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