變頻電機軸電壓與軸電流產(chǎn)生機理分析

ax11 · 發(fā)表于 2006-9-19 08:00:44

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><A href="http://bbs.hardwaretoday.com/read.php?tid=1049"></A>1 引言 當電動機在正弦波電源驅(qū)動下運行時,通過電機軸的交變磁鏈產(chǎn)生軸電壓,。這些磁鏈是由轉(zhuǎn)子和定子槽,、分離鐵心片之間的連接部分、磁性材料的定向?qū)傩院凸╇婋娫床黄胶獾纫蛩匾鸫磐ú黄胶舛a(chǎn)生的[1],。到90年代,，以IGBT為功率器件的PWM逆變器作為電機驅(qū)動電源時，電機軸電流問題更加嚴重,，且其產(chǎn)生機理與正弦波電源驅(qū)動時完全不同,。文獻[1]指出，具有高載波頻率（例如10kHz以上）的 IGBT逆變器導(dǎo)致電動機的軸承比低載波頻率的逆變器驅(qū)動時損壞更快,。Busse較為詳細地分析了軸承電流的產(chǎn)生及軸承電流密度與軸承損壞之間的關(guān)系 [2],，并建立了PWM驅(qū)動下的軸承電流電路模型，但該模型未能體現(xiàn)出軸承電流與逆變器開關(guān)頻率之間的關(guān)系,。為討論高頻PWM脈沖電壓驅(qū)動時電機軸電壓與軸電流的產(chǎn)生機理,，本文在建立軸電壓與軸電流電路模型的基礎(chǔ)上，分析軸電流產(chǎn)生的條件及形式,，并針對逆變器輸出電壓的特性變化以及電機端有無過電壓等情況,，通過仿真分析得到不同情況下的軸電壓與軸承電流波形。 在抑制軸承電流方面,，文獻[1]給出的辦法用正弦波濾波器將PWM電壓轉(zhuǎn)換成正弦波電壓,，使電機工作在正弦波供電狀態(tài)下，但該方法所串電感大,，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)慢,，同時電感上的壓降和功耗增大。本文在逆變器輸出端串小電感并輔以RC吸收網(wǎng)絡(luò),，可有效抑制PWM逆變器驅(qū)動下出現(xiàn)的軸電流,。 2 共模電壓與軸電壓 一般認為，磁路不均衡,、單極效應(yīng)和電容電流是電機中產(chǎn)生軸電壓的主要原因[3],。在電網(wǎng)供電的普通電機中，人們一般比較重視磁路不平衡的影響,。但在逆變器供電的電機中軸電壓主要由電壓不平衡,，即電源電壓的零序分量產(chǎn)生,。由于電路、元器件,、連接和回路阻抗的不平衡,，電源電壓將不可避免地產(chǎn)生零點漂移，該電壓將在系統(tǒng)中產(chǎn)生零序電流,，軸承則是電機零序回路的一部分,。 正弦波電源驅(qū)動時，通過計算可知 =0,。在PWM逆變器驅(qū)動下,，的值取決于逆變器開關(guān)狀態(tài)，且變化周期與逆變器載波頻率一致,。事實上,，只是共模電壓的一種表現(xiàn)形式，由于靜電耦合,，電機各部分間存在著大小不等的分布電容,，因此構(gòu)成電機的零序回路。根據(jù)傳輸線理論,，一個分布參數(shù)電路可用等效的具有相同輸入輸出關(guān)系的集總參數(shù)π網(wǎng)絡(luò)模型代替,。 因此，電機分布參數(shù)電路可用集總參數(shù)電路來等效,，形成軸電壓的繞組--轉(zhuǎn)子耦合部分電路如圖2a)所示,，其中Vbrg為軸電壓，Ibrg為軸承電流,，Va,，Vb和Vc為電機輸入電壓。盡管Iws不流過軸承,，但它與軸承電流在定子繞組上有相同的路徑,，勢必對軸承電流有所影響。為便于分析,，繞組中心點到定子的耦合部分將不予考慮,。為計算方便，將圖2 a)簡化為圖2 b)所示等效單相驅(qū)動電路模型,。圖中Z1為電源中點對地阻抗,，Z2為旁路阻抗，表征驅(qū)動回路中的共模電抗線圈,、線路電抗器和長電纜等,；R0和L0為定子的零序電阻和電感；Csf,、Csr和Crf分別為電機定子對地,、定子對轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子對地電容,；Rb為軸承回路電阻； Cb和R1為軸承油膜的電容和非線性阻抗,；Usg和Urg分別為定子繞組與轉(zhuǎn)子中性點對地電壓,。 對于采用逆變器供電的電機，當軸承油膜未被擊穿時,，由于載波頻率高,，電容的容抗大大減小，與Xcb相比,，Rb很小而R1很大,，由于PWM驅(qū)動電壓為非正弦電壓，計算時先將其分解,，然后分別求取，軸電壓有效值為： 3 軸承模型與軸承電流的產(chǎn)生 由于分布電容的存在和高頻脈沖輸入電壓的激勵作用,，電機軸上形成耦合共模電壓,。事實上，軸電壓的出現(xiàn)不僅與上面兩個因素有關(guān),，且和軸承結(jié)構(gòu)有著直接關(guān)系,。轉(zhuǎn)子前后端均由一個軸承支撐，其結(jié)構(gòu)如圖3所示,。 以其中一個軸承為例,，軸承的滾道由內(nèi)滾道與外滾道組成，當電機轉(zhuǎn)動時,，軸承中的滾珠被潤滑油層包圍,，由于潤滑油的絕緣作用，軸承滾道與滾珠之間形成電容,，如圖3b) 所示,。這兩個電容在轉(zhuǎn)子 定子回路中以串聯(lián)形式存在（為便于分析，不考慮滾珠的阻抗）,，可以等效成一個電容Cbi,，i代表軸承中的第i個滾珠。對于整個軸承而言,，各個滾珠與滾道之間的電容以并聯(lián)形式存在,。所以整個軸承內(nèi)可以等效成一個電容Cb。據(jù)對軸承的分析,，軸承可用一個帶有內(nèi)部電感和電阻的開關(guān)來等效,。當滾珠未與滾道接觸時，開關(guān)斷開,，轉(zhuǎn)子電壓建立,；當轉(zhuǎn)子電壓超過油膜門檻電壓時,，油膜擊穿開關(guān)導(dǎo)通，轉(zhuǎn)子電壓迅速內(nèi)放電,，在軸承內(nèi)形成較大放電電流,。 Va、Vb和Vc為電機三相輸入電壓,，L’,、R’和C’為輸入電壓耦合到轉(zhuǎn)子軸的等效集中參數(shù)，Cg為Crf和Cb并聯(lián)后的等效電容,。當軸承滾珠和滾道接觸或者軸承內(nèi)油層被擊穿時,，Cb不存在，此時Cg僅代表轉(zhuǎn)子軸對機殼的耦合電容,。 電容Cb是一個多個變量的函數(shù)：Cb（Q,v,T,η,λ,Λ,εr）[2],。其中Q代表功率，v代表油膜運動速度,，T代表溫度,，η代表潤滑劑粘性，λ代表潤滑劑添加劑,，Λ代表油層厚度,，εr代表潤滑劑介電常數(shù)。軸承電容Cb與定子到轉(zhuǎn)子耦合電容Csr ,，比定子到機殼耦合電容Csf和轉(zhuǎn)子到機殼耦合電容 Crf小得多,。 這樣一來，耦合到電機軸承上的電壓便不至于過大,，這是因為Crf與Cb并聯(lián)后的電容比耦合回路中與之串聯(lián)的Csr 大得多,，而串聯(lián)電容回路中，電容越大承受的電壓反而越小,。事實上,，根據(jù)分布電容的特點，很大一部分共模電流是通過定子繞組與鐵芯之間的耦合電容Csf傳到大地去的,，因此軸承電流只是共模電流的一部分,。從圖4可看出，形成軸承電流有兩種基本途徑,。 一是由于分布電容的存在,，定子繞組和軸承形成一個電壓耦合回路，當繞組輸入電壓為高頻PWM脈沖電壓時,，在這個耦合回路勢必產(chǎn)生dv/dt電流,，這個電流一部分經(jīng)Crf傳到大地，另一部分經(jīng)軸承電容Cb傳到大地，即形成所謂的dv/dt軸承電流,，其大小與輸入電壓以及電機內(nèi)分布參數(shù)有關(guān),。二是由于軸承電容的存在，電機軸上產(chǎn)生軸電壓 ,，當軸電壓超過軸承油層的擊穿電壓時,，軸承內(nèi)外滾道相當于短路，從而在軸承上形成很大放電電流,，即所謂的電火花加工（electric discharge machining - EDM）電流,。另外，當電機在轉(zhuǎn)動時,，如果滾珠和滾道之間有接觸,，同樣會在軸承上形成大的EDM電流。 為了定量EDM及dv/dt電流對軸承的影響,，軸承內(nèi)的電流密度十分關(guān)鍵,。建立電流密度需估計滾珠與滾道內(nèi)表面的點接觸區(qū)域。根據(jù)赫茲點接觸理論（Hertzian point contact theory）,，軸承電氣壽命可用如下公式求得[2]： Elec Life（hrs）= （7） 式中,，代表軸承電流密度。一般而言,，dv/dt電流對軸承壽命影響很小，而由EDM產(chǎn)生的軸承電流密度很大,，使得軸承壽命大大降低,。另外，空載時軸承損壞程度反而比重載時大得多,，這是因為重載時軸承接觸面積增大,，無形中減小了軸承電流密度。 4 軸電壓與軸承電流的仿真分析 為進一步討論軸承電流與PWM逆變器輸出電壓特性以及電機端有無過電壓之間的關(guān)系,，本文對dv/dt電流與EDM電流兩種形式的軸承電流分別進行仿真分析,，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，軸承電流不僅與逆變器載波頻率有關(guān),，且與逆變器輸出脈沖電壓的上升時間有關(guān),，同時當電機端出現(xiàn)過電壓時軸承電流明顯增加。 先假定電纜長度為零,，根據(jù)軸承電流的存在形式可知,，dv/dt電流主要是由輸入跳變電壓引起，因此dv/dt電流大小與逆變器載波頻率和電壓上升時間有關(guān),。逆變器載波頻率越高,，一個正弦波周期內(nèi)產(chǎn)生的dv/dt電流數(shù)量也就越多，但此時電流幅值不變。脈沖電壓上升時間是影響dv/dt電流幅值的決定性因素,，另外分布電容的大小也影響dv/dt電流幅值,。而EDM電流產(chǎn)生的直接原因是軸電壓的存在，因此軸電壓的大小決定了EDM電流幅值,，軸電壓的大小決定于輸入電壓的大小及電機內(nèi)分布電容的大小,。雖然逆變器載波頻率和脈沖電壓上升時間都會影響軸電壓的形狀，但軸電壓的峰值與二者都沒有關(guān)系,，因此EDM電流與二者也沒有本質(zhì)的聯(lián)系,，這是EDM電流與dv/dt電流最大區(qū)別之處。當然,，EDM電流還與軸承油層的擊穿電壓有關(guān),，擊穿電壓越高，產(chǎn)生的EDM電流越大,。為討論方便,，假設(shè)軸承擊穿電壓大于或等于軸電壓。 4.1 改變上升時間tr 仿真得到不同上升時間的軸電壓與軸承電流波形如圖5所示,，其中圖a)和b)為軸電壓波形,，圖c)和d)為軸承電流波形，電流波形中第一次出現(xiàn)振蕩的為EDM電流,，其他為dv/dt 電流,。由分析可知，1）tr增大軸承電流減少,，包括dv/dt電流與EDM電流,。尤其是dv/dt電流幅值減小十分明顯，但tr對EDM電流的影響不大,，這主要是因為EDM電流由軸電壓以及軸承阻抗決定,；2）當tr小于一定值（約為200ns）后，dv/dt電流甚至高于EDM電流,；3）改變上升時間對軸電壓的影響不大,；4）特殊現(xiàn)象：軸電壓在電壓擊穿時出現(xiàn)兩次振蕩，tr不影響第一次振蕩,，但影響第二次振蕩,，且第二次振蕩隨著tr的上升而減少，其原因是軸承短路后定子繞組到轉(zhuǎn)子的耦合路徑依然存在,，所以出現(xiàn)一個dv/dt電流振蕩,。 4.2 改變耦合參數(shù)及軸承參數(shù) 定子繞組對轉(zhuǎn)子的耦合電容越大，軸電壓越高,，dv/dt電流與EDM電流均增加,；軸承電容減小,，dv/dt電流減小,；但EDM電流基本不變,，此時軸電壓上升。其原因是：在共模電路中,，軸電壓是由定子繞組對轉(zhuǎn)子鐵心的電壓耦合造成的,，維持這一電壓的存在靠軸承電容以及轉(zhuǎn)子對機殼耦合電容。由于后兩者并聯(lián),，再與前者串聯(lián),，因此軸電壓按電容值進行分配，電容越大壓降越小,。一般情況下,，軸承電容與轉(zhuǎn)子對機殼耦合電容比定子繞組對轉(zhuǎn)子耦合電容大得多。在只改變軸承電容的情況下,，軸承電容越小,，整個并聯(lián)電容等效值下降，軸電壓反而上升,，由于軸承上的dv/dt電流與容抗及dv/dt成正比,，在dv/dt不變時，容抗減小,，dv/dt電流下降,。仿真結(jié)果如圖6所示。 5 抑制辦法 從前面的理論研究和仿真分析可以看出,，電機軸承電流產(chǎn)生的一個主要原因是逆變器輸出的高頻脈沖具有過高的dv/dt前后沿,，由此可知，抑制軸承電流的有效辦法就是降低逆變器輸出電壓的dv/dt,。但是，逆變器本身輸出的脈沖電壓上升時間是由功率器件的開關(guān)特性決定的,，因此只能在逆變器輸出端附加裝置改變其輸出電壓的dv/dt,。降低逆變器輸出電壓上升沿dv/dt的一個最直接的辦法是在逆變器輸出端串上大的電抗器，即可構(gòu)成所謂的“正弦波濾波器”,，逆變器輸出的脈沖電壓在經(jīng)過大電抗器后成為完全的正弦波電壓,，這樣便可以消除軸電壓與軸承電流。 但是這種辦法的代價是電抗器的功率損耗大,，體積大,，造價高，在普通的變頻調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用不是很合適,。本文采用折中辦法,，在逆變器輸出端串接電感值不大的電感以抑制電流的快速變化，同時在輸出端線間設(shè)置RC電抗以吸收輸出電壓的高次諧波，這樣可以適當降低輸出脈沖電壓上升沿的dv/dt值,，達到抑制軸承電流的目的,。 逆變輸出濾波器降低了電機輸入脈沖電壓的電壓上升率，這樣一來,，電機內(nèi)分布電容的電壓耦合作用便會大大減弱,，軸電壓以及由此引起的EDM電流都會下降，同時由于電壓變化率引起的dv/dt電流也會明顯減少,，因此濾波器可以有效地抑制軸承電流的產(chǎn)生,。圖8給出了加入濾波器（未接地）前后的電機軸承電流仿真波形，其中,，逆變器載波頻率為5KHZ,，脈沖電壓上升時間為200ns，電纜長100m,。從圖中可以看出,，無論EDM電流還是dv/dt電流都明顯減少。仿真中還發(fā)現(xiàn),，將濾波器接地,，無論dv/dt 電流還是EDM電流相對不接地而言均顯著減少，其原因是RC支路吸收高次諧波的作用更強,，能夠更好地改善電壓波形,。 6 結(jié)束語 高頻PWM脈沖輸入下，電機內(nèi)分布電容的電壓耦合作用構(gòu)成系統(tǒng)共�,；芈�,，從而引起軸電壓與軸承電流問題。軸承電流主要以三種方式存在：dv/dt電流,、 EDM電流和環(huán)路電流,。軸電壓的大小不僅與電機內(nèi)各部分耦合電容參數(shù)有關(guān)，且與脈沖電壓上升時間和幅值有關(guān),。本文著重討論前兩種方式的軸承電流,。 dv/dt電流主要與PWM的上升時間tr有關(guān)，tr越小dv/dt電流的幅值越大,。 逆變器載波頻率越高,，軸承電流中的 dv/dt電流成分越多。EDM電流出現(xiàn)存在一定的偶然性,，只有當軸承潤滑油層被擊穿或者軸承內(nèi)部發(fā)生接觸才可能出現(xiàn),，其幅值主要取決于軸電壓的大小。以降低脈沖電壓上升率為原則,，設(shè)計一種在逆變器輸出端串小電感并輔以RC吸收網(wǎng)絡(luò)達到抑制軸電壓與軸承電流的目的,，仿真結(jié)果驗證了該方法的有效性,。

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