Abstract: In some special inverter applications, there are two rectifier units running in parallel.For example, the elevator inverter works with the energy feedback device used in the field.If one PN DC-Bus of the energy feedback device is disconnected,which will causes a strange phenomenon that a rising in the DC-Bus voltage.This paper analyzes the causes of this phenomenon,And propose some solutions.The correctness of the theory is verified by MATLAB simulation and prototype measurement.
Key words: Common mode voltage; Six pulse rectifier; Energy feedback; Neutral grounding
【中图分类号】TM86 【文献标识码】B 【文章编号】1561-0330（2018）07-0000-00
1 引言
电梯已经成为日常生活中非常实用便利的一种设施，为了获得更强的舒适感和安全性，电梯专用变频器作为电梯控制系统中的核心部件起到非常重要的作用。当电梯下行时，电梯的势能会转换为电能灌入到变频器的母线电容中，为了防止母线电压过高，传统方法是在母线处安装制动电阻。通过制动电阻将多余的电能转化为热能消耗掉。这种做法不仅浪费大量的电能，并且会使电梯控制室内温度升高，加速变频器器件的老化。
得益于并网技术的发展，电梯控制系统中常会增加一种能量回馈装置，用于将该部分电能返回电网，可以消除前文所提到的弊端并节约电能。当能量回馈装置失效时，制动电阻作为第二种补充手段使用。但在实际应用现场中，发现了一个由变频器逆变产生的共模信号导致能量回馈单元母线出现异常过电压的现象。
2 变频器和能量回馈装置的拓扑图
如图1是变频器和能量回馈装置的拓扑图。上半部分是由电网、变频器、电机构成的拖动系统，下半部分是能量回馈装置。图中的能量回馈装置由一个三相全桥逆变器和LCL滤波器[ ]（出于画图简便，LCL滤波器用单L电抗器代替，二者皆可用）构成。
当电梯上行时，由于能量回馈装置的P母线上有一个防反二极管，所以电能主要是通过变频器的整流端进入PN母线，然后逆变给电机供电。当电机下行，势能转化为电能时，电流通过逆变侧的反并联二极管进入PN母线，将PN母线电压抬高，当电压上升到某一个阈值（比如380V的系统，阈值可以设置在610V处）。能量回馈装置开始启动，将电能回馈给电网，使得母线电压下降到正常水平。制动电阻作为第二层保护装置，启动的阈值电压高于能量回馈装置的阈值电压（可以设置为700V）。出于保护机器的考虑，能量回馈装置的N母线上安装有一个保险丝。当电机回馈过来的电流尖峰过大时，保险丝熔断可以保护防反二极管免受损害。
在用户现场中，出现这样一个奇怪的现象。由于有过大电流的冲击，保险丝被熔断，但此时并不妨碍变频器的继续工作。当逆变器继续进行PWM调制时，不管电梯是上行还是下行。能量回馈装置的母线电容C2的电压开始缓慢地上升，直至达到阈值电压后，并网装置启动将C2多余的电能回馈到电网，很快C2电容电压下降下来，并网装置停止工作，并开始下一轮的C2电容电压缓慢上升。
3 MATLAB仿真复现过电压现象
从拓扑图上看，当保险丝断开后，能量回馈装置的母线与变频器的母线仅有P母线相连。而能量回馈受到电网电压的钳位，母线电压应该维持在电网线电压的峰值处。电容C2上的电压可以上升至阈值电压，说明一定有电流流过电容，对电容进行充电。母线电压上升很慢，说明充电电流很小。由于N母线已经断开，所以唯一的电流路径是电流从变频器的P母线出发，经过防反二极管进入能量回馈装置的C2电容，并从下桥臂的反并联二极管进入电网。
电流进入电网后，不可能通过变频器的整流二极管回到P母线，因为这不符合常理。考虑到电网变压器的中性点是接地的，而电机外壳也是接地，因此该电流可能是通过接地线进入电机外壳，并通过电机的外壳与定子间存在的杂散电容回到了变频器的逆变侧，进而回到变频器的P母线。
为了验证这个想法，用MATLAB搭建了一个系统模型。如图2所示。
图2是按照图1所搭建的仿真图，图2中依然由电网、变频器、能量回馈装置、电机、电压电流测量元件这几个要素构成。其中电网是线电压380V、频率50Hz、且中性点接地的电源，负载Load模拟电机消耗的有功和无功功率，电容cm1、cm2、cm3模拟电机定子对地端的杂散电容，仿真模型中不妨将之设定为30nF。能量回馈的母线电容C2设置为1000μF。P母线上有一个防反二极管，N母线断开。仿真时间设定为1s，运行查看C2电容上的电压波形，能量回馈装置C2电容上的电压如图3所示。
从图3中可以看出，系统运行1s钟以后，能量回馈装置C2上的电容已经上升至625V，而且还有继续上升的趋势（MATLAB中能量回馈装置只模拟硬件，没有加入并网算法）。仿真结果符合实测现象。当能量回馈装置的N母线断开时，如果变频器正常工作，则能量回馈装置的母线电压会上升。在模型中，如果将变压器的中性点不接地，则C2电容的电压不会上升。并且仿真中还发现，加大电机的杂散电容cm1、cm2、cm3的容值，可以明显加快C2电容电压上升的速率。
因此可以看出，对C2电容充电的电流，与之前分析的一样，确实是通过地线流通的。
4 过电压产生的原因分析
为了分析母线过电压的原因，首先需要分析系统电流流通的路径，处于便利，可以将系统中的一些复杂部件简化为等效的电压源模型。在对系统的分析中，以变压器中性点接地的电平作为“零”电平。
首先分析电源加整流桥构成的系统。变频器的整流端，是一个由二极管构成的标准的三相全桥整流器。在能量回馈装置中，在C2电压上升到阈值前，并网系统不启动，电流也是通过整流器的反并联二极管流通，因此都是标准的三相不控整流，输出的母线P、N对变压器中性点的电位如图4所示。
从图4可以看出，P母线电压为一个含有150Hz交流脉动分量的直流电压，电压值为正。同理N母线电压为含有交流脉动分量的直流电压，电压值为负。因此可以将电网和整流桥合并为一个电压源模型，如图5中的P、N处电压源。
为了便于分析，先只考虑电机中某一相对地电容，不妨以图2中Cm1为例分析，下面讨论变频器单独工作时，Cm1上的电压变化。如图5所示，将变频器中对应相上下桥的IGBT简化为开关sw1和sw2。
忽略工作时的一些高频振荡，随着开关sw1、sw2的切换，Cm1上的电压随之在P母线和N母线电压之间切换，P、N母线对电容的充放电电流均从地线流通。
现在加上能量回馈装置，由于能量回馈的N母线断开，充电电流是从P母线流入的，因此这里只考虑sw1的等效模型。在sw1闭合、sw2断开时，sw1上的压降等于0V，当sw1断开，sw2闭合时，sw1上的压降等于PN母线电压。现在可以画出系统的简图，如图7所示，图7中所有电压源模型的正方向如标示所示。
为了详细讨论电流流动过程，需要分步分析各自的状态。
从式（7）中可以看出，三相变频器输出的共模电压分量中，载波频率奇数倍处存在谐波，偶数倍处没有。因此，实际上通过电机杂散电容进入地线给C2电容充电的正是由逆变器产生的共模分量。
5 过电压现象的抑制
上文分析了过电压现象产生的原因，充电电流流通的路径，因此可以从这几点来抑制过电压现象。
（1）软件上抑制共模电压：现在很多学者在软件上提出了抑制共模电压的算法[ ][ ]。抑制了变频器输出的共模电压，即可用有效地抑制了变频器对地的共模电流的大小。
（2）硬件上抑制共模电流：共模电流是通过电机杂散电容进入地线的，因此最简便的方式是在三相电机线上加共模磁环，它对驱动电机的调制波频率的差模电流不表现出抗性，对高频的共模电流呈现很大的阻抗，因此只要磁环选择合适，可以极大地抑制共模电流。
也可以在变频器输出端外接一种更为有效的LRC无源滤波器[ ]，其原理为用LRC组成一个过滤差膜du/dt的滤波器，保护电机免受过电压而损坏，其中R既起到滤波器阻尼电阻的效果，也能在信号传输理论中起到阻抗匹配的作用。而电容C为星型接法，中性点用线接到变频器PN母线中串联的两个电容的中间部分。由于滤波器的电容远大于电机对地的杂散电容，使得滤波器起到旁路作用，共模电流经过该滤波器流通而非通过电机的杂散电容流入地线。它的优点是能过滤差模电压的同时能旁路共模电流，缺点是它并没有抑制共模电流的大小，虽然通过旁路，共模电流可以直接回到母线，但可能会加大对自身的EMC干扰。且结构上接线也不方便。
还有一种由LRC+四绕组共模变压器组成的变频器输出端无源滤波器[ ]。它能同时抑制差模和共模信号，它的滤波效果更好，缺点是成本较高。
由于能量回馈装置中有均压电阻和电路板等消耗能量的器件。如果共模电流被抑制到足够小，那么共模电流对C2电容充电的功率小于C2上损耗的功率时，C2电容电压不再上升。图8为本次实验样机的照片。
图8中左侧为变频器，中间为能量回馈装置，右侧为实验中用到的多种磁环。为了让C2电容电压上升现象更加明显，在变频器的输入侧的三相进线上套入磁环，用于提高针对共模电流的阻抗，促使流经地线的共模电流更多地流向C2电容。实验结果表明，C2电容的电压最高可以上升至660V左右。而MMATLAB的仿真结果表明，C2上的电容电压会受到许多因素相关，三相输入电压越高则越高，载波频率越大则越高，电机杂散电容越大则越高，逆变母线电压利用率越低则越高，等等因素。
6 结语
本文通过调查能量回馈装置母线电压上升这一怪异现象出发，通过仿真和实测的手段最后查明是由变频器流过电机杂散电容的共模电流所引起。进而提出避免这种现象的许多措施。事实上，变频器作为一种调速装置在工业上有很广泛的应用，但它所引起的共模电流也是非常强的EMC干扰源，共模电流流经地线，会对周围器件产生串扰，测量下来共模电流有几十乃至上百毫安。从安规角度上来说，也是必须要抑制的。因此变频器研发人员必须对共模电流有足够的重视，这也是改善变频器性能的一个重点。
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作者简介
王璐琤 （1988-） 男 硕士研究生 硬件研发工程师 电气装备专业中级工程师 研究方向为大功率变频器的硬件研发，EMI滤波器，无源滤波器，dudt滤波器等设计
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