《Electronics》：An Active Common-Mode Voltage Compensation Method for Three-Phase Induction Motor Drives
Zeeshan Waheed and
Woojin Choi
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脉宽调制（PWM）电压源逆变器在工业应用中广泛用于为感应电机供电。然而，它们会产生共模电压（CMV），这会导致高轴电压和轴承电流，从而引起电机过早失效。研究人员提出了一种新颖的有源消除方法，用于补偿高压感应电机驱动中的CMV。该方法采用Y形连接的电阻进行CMV
脉宽调制（PWM）电压源逆变器在工业应用中广泛用于为感应电机供电。然而，它们会产生共模电压（CMV），这会导致高轴电压和轴承电流，从而引起电机过早失效。研究人员提出了一种新颖的有源消除方法，用于补偿高压感应电机驱动中的CMV。该方法采用Y形连接的电阻进行CMV检测，并使用带有MOSFET的推挽放大器生成复现的CMV（RCMV）。通过隔离变压器将RCMV施加到电机框架上，有效减少了由CMV引起的共模电流（CMC）。所提出的方法在仿真中将CMC从1.5 A峰峰值显著降低至4 mA，在采用1.1 kW、415 V/60 Hz电机的实验中将CMC从2.7 A峰值降低至57 mA峰值。这种经济高效的方法提高了电机驱动的可靠性并减轻了电磁干扰（EMI），使其适用于高压应用。
以下是根据论文内容撰写的解读文章：
**引言与研究背景**
在工业应用中，由脉宽调制（PWM）电压源逆变器供电的感应电机因成本低、可靠性高而被广泛使用。然而，PWM的高速开关过程会产生共模电压（CMV），该电压通过电机内部的寄生电容在定子绕组中感应出轴电压，进而导致轴承电流和静电放电，显著缩短电机轴承寿命。此外，CMV还会引起共模电流（CMC）、传导电磁干扰（EMI）以及泄漏电流。为解决这些问题，现有方法分为三类：调制技术（如AZPWM、NSPWM等）通过限制开关状态来降低CMV，但会牺牲波形质量并引入谐波畸变；被动滤波（如LC、LCL、CMTR等）虽有效但面临谐振、体积和成本问题；有源共模消除（ACC）电路则通过检测并复制CMV进行补偿，但早期方案受限于电流能力或需要独立电源，难以用于高电压驱动系统。针对上述局限，本研究提出了一种优化的有源CMC消除方法，无需独立电源，适用于更高直流母线电压的电机驱动系统，相关论文发表在《Electronics》。
**研究内容与结论**
研究人员设计了一个基于前馈电压检测-补偿结构的有源补偿电路：采用Y形连接电阻（10 kΩ）检测CMV，再通过MOSFET推挽放大器（互补N沟道和P沟道MOSFET）复制生成复现共模电压（RCMV），经隔离变压器（ITR）和补偿电感施加到电机框架，从而最小化电机中性点与框架之间的电压差，有效消除CMC。该方法在PSIM仿真中实现CMC从1.5 A峰峰值降至4 mA峰峰值，在1.1 kW、415 V/60 Hz电机的实验平台上实现CMC从2.7 A峰值降至57 mA峰值，降幅达97.89%，并显著降低了传导EMI噪声。该方案还通过低频率阻塞电容（LFBC）滤除SVPWM中的三次谐波分量，防止ITR磁芯饱和，并通过补偿电感抑制寄生电容谐振。研究结论表明，该有源补偿方法无需额外电源即可适用于较高直流母线电压（400 V），提高了电机驱动的可靠性，为高压电机驱动提供了一种可扩展的解决方案。
**主要关键技术方法**
研究方法主要利用以下关键技术：1）**Y形连接电阻**（10 kΩ）用于检测CMV，避免传统电容检测导致的线电流尖峰；2）**MOSFET推挽放大器**（互补N/P沟道MOSFET）工作在线性区，作为电压缓冲器复制CMV，具有宽带宽和高输入阻抗；3）**隔离变压器（ITR）**与低频率阻塞电容（LFBC）串联，滤除原边电流中的低频分量（如SVPWM的三次谐波），缩小磁芯尺寸并防止饱和；4）**补偿电感**（105 mH，基于开关频率10 kHz和寄生电容2.4 nF计算）串联于ITR副边与电机框架之间，抵消寄生电容引起的谐振尖峰；5）**直流侧电容**（4.7 μF）去除推挽输出的直流分量，稳定中性点电压。实验平台使用1.1 kW、415 V/60 Hz三相感应电机，寄生电容为2.4 nF。
**研究结果**
**2. 工作原理解析**：通过数学推导，建立检测CMV与RCMV之间的关系，指出误差主要来自MOSFET的阈值电压（V
gs），而门极电流可忽略。仿真证实，选择低输入电容（C
iss）为40 pF的MOSFET可使RCMV完美跟踪CMV。
**3. 有源消除电路设计**：具体说明了各组件选择依据：感应电阻（10 kΩ）平衡I
2R损耗与开关差异；MOSFET推挽放大器的导通损耗约1.82 W，处于安全工作区（SOA）；直流侧电容（4.7 μF）稳定中性点电压；ITR采用ETD29/16/10铁氧体磁芯，原副边各305匝，磁化电流10 mA，加入0.03 μF LFBC后原边电流从120 mA降至8 mA；补偿电感（105 mH，43匝纳米晶磁芯）消除因2.4 nF寄生电容引起的谐振峰。此外，讨论了安全措施：电机框架需通过高频旁路电容和低频接地电阻实现“软接地”，并结合物理隔离柜。
**4. 仿真结果**：在PSIM中验证了加入LFBC后变压器原边电流低频分量从120 mA峰值降至8 mA。加入ACC电路后，电机中性点对框架电压的高频分量从400 V峰峰值降至6 V峰峰值（SVPWM），CMC从1.5 A峰峰值降至4 mA峰峰值，SVPWM和SPWM下效果一致。
**5. 实验结果**：在1.1 kW、415 V/60 Hz电机实验平台上，未加ACC时CMV峰峰值为500 V，CMC峰值为2.7 A；加入ACC后CMV降至30 V峰峰值，CMC降至57 mA峰值（降幅97.89%）。频谱分析显示，CMC噪声在低频段低于?50 dB，高频段从?100 dB降至约?150 dB；CMV频谱从165 dBμV降至136 dBμV。对比现有方法，该方案实现了最高的CMC降幅，且兼容多种PWM方案，无需独立电源或主线路上的共模变压器。
**总结讨论与结论**
讨论部分指出：所提出的有源共模消除（ACC）方法使电机框架电位浮动在RCMV水平而非固定接地，这在标准工业安装中（IEC 60034）属于安全偏差。实际部署需通过电机物理隔离柜、绝缘安装架和过电压保护装置应对。结论明确：本文设计了适用于1.1 kW、415 V/60 Hz感应电机驱动的有源CMC消除方法，采用Y形电阻检测CMV、MOSFET推挽放大器复制RCMV并经ITR施加到电机框架，有效消除电位差，显著降低CMC（仿真中从1.5 A降至4 mA，实验中从2.7 A降至57 mA，降幅97.89%），并减轻EMI，无需额外电源。该方法提供了一种可靠、可扩展的高压电机驱动解决方案，但需重视安全防护措施。
