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變頻電機(jī)軸電壓與軸電流的產(chǎn)生機(jī)理分析
變頻電機(jī)軸電壓與軸電流的產(chǎn)生機(jī)理分析
新聞出處:江蘇德意機(jī)電設(shè)備制造有限公司
2017-05-23 08:42:43
1.當(dāng)電動(dòng)機(jī)在正弦波電源驅(qū)動(dòng)下運(yùn)行時(shí),通過電機(jī)軸的交變磁鏈產(chǎn)生軸電壓。這些磁鏈?zhǔn)怯赊D(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(jī)驅(qū)動(dòng)電源時(shí)，電機(jī)軸電流問題更加嚴(yán)重，且其產(chǎn)生機(jī)理與正弦波電源驅(qū)動(dòng)時(shí)完全不同。文獻(xiàn)[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(dòng)機(jī)的軸承比低載波頻率的逆變器驅(qū)動(dòng)時(shí)損壞更快。busse較為詳細(xì)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(dòng)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(dòng)時(shí)電機(jī)軸電壓與軸電流的產(chǎn)生機(jī)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(duì)逆變器輸出電壓的特性變化以及電機(jī)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(xiàn)[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(jī)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(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，同時(shí)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(dòng)下出現(xiàn)的軸電流。
2.共模電壓與軸電壓一般認(rèn)為，磁路不均衡、單極效應(yīng)和電容電流是電機(jī)中產(chǎn)生軸電壓的主要原因[3]。在電網(wǎng)供電的普通電機(jī)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(jī)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(diǎn)漂移，該電壓將在系統(tǒng)中產(chǎn)生零序電流，軸承則是電機(jī)零序回路的一部分。正弦波電源驅(qū)動(dòng)時(shí)，通過計(jì)算可知=0。在pwm逆變器驅(qū)動(dòng)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(shí)上，只是共模電壓的一種表現(xiàn)形式，由于靜電耦合，電機(jī)各部分間存在著大小不等的分布電容，因此構(gòu)成電機(jī)的零序回路。根據(jù)傳輸線理論，一個(gè)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(jī)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(jī)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(shì)必對(duì)軸承電流有所影響。為便于分析，繞組中心點(diǎn)到定子的耦合部分將不予考慮。為計(jì)算方便，將圖2a)簡化為圖2b)所示等效單相驅(qū)動(dòng)電路模型。圖中z1為電源中點(diǎn)對(duì)地阻抗，z2為旁路阻抗，表征驅(qū)動(dòng)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(jī)定子對(duì)地、定子對(duì)轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子對(duì)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(diǎn)對(duì)地電壓。對(duì)于采用逆變器供電的電機(jī)，當(dāng)軸承油膜未被擊穿時(shí)，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(dòng)電壓為非正弦電壓，計(jì)算時(shí)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(lì)作用，電機(jī)軸上形成耦合共模電壓。事實(shí)上，軸電壓的出現(xiàn)不僅與上面兩個(gè)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(gè)軸承支撐，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。以其中一個(gè)軸承為例，軸承的滾道由內(nèi)滾道與外滾道組成，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(gè)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(gè)電容cbi，i代表軸承中的第i個(gè)滾珠。對(duì)于整個(gè)軸承而言，各個(gè)滾珠與滾道之間的電容以并聯(lián)形式存在。所以整個(gè)軸承內(nèi)可以等效成一個(gè)電容cb。據(jù)對(duì)軸承的分析，軸承可用一個(gè)帶有內(nèi)部電感和電阻的開關(guān)來等效。當(dāng)滾珠未與滾道接觸時(shí)，開關(guān)斷開，轉(zhuǎn)子電壓建立；當(dāng)轉(zhuǎn)子電壓超過油膜門檻電壓時(shí)，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(jī)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(dāng)軸承滾珠和滾道接觸或者軸承內(nèi)油層被擊穿時(shí)，cb不存在，此時(shí)cg僅代表轉(zhuǎn)子軸對(duì)機(jī)殼的耦合電容。電容cb是一個(gè)多個(gè)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(yùn)動(dòng)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(jī)殼耦合電容csf和轉(zhuǎn)子到機(jī)殼耦合電容crf小得多。這樣一來，耦合到電機(jī)軸承上的電壓便不至于過大，這是因?yàn)閏rf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(shí)上，根據(jù)分布電容的特點(diǎn)，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(gè)電壓耦合回路，當(dāng)繞組輸入電壓為高頻pwm脈沖電壓時(shí)，在這個(gè)耦合回路勢(shì)必產(chǎn)生dv/dt電流，這個(gè)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(jī)內(nèi)分布參數(shù)有關(guān)。二是由于軸承電容的存在，電機(jī)軸上產(chǎn)生軸電壓，當(dāng)軸電壓超過軸承油層的擊穿電壓時(shí)，軸承內(nèi)外滾道相當(dāng)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（electricdischargemachining-edm）電流。另外，當(dāng)電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果滾珠和滾道之間有接觸，同樣會(huì)在軸承上形成大的edm電流。為了定量edm及dv/dt電流對(duì)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(jì)滾珠與滾道內(nèi)表面的點(diǎn)接觸區(qū)域。根據(jù)赫茲點(diǎn)接觸理論（hertzianpointcontacttheory），軸承電氣壽命可用如下公式求得[2]：eleclife（hrs）=（7）式中，代表軸承電流密度。一般而言，dv/dt電流對(duì)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(shí)軸承損壞程度反而比重載時(shí)大得多，這是因?yàn)橹剌d時(shí)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(jìn)一步討論軸承電流與pwm逆變器輸出電壓特性以及電機(jī)端有無過電壓之間的關(guān)系，本文對(duì)dv/dt電流與edm電流兩種形式的軸承電流分別進(jìn)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(shí)間有關(guān)，同時(shí)當(dāng)電機(jī)端出現(xiàn)過電壓時(shí)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(shí)間有關(guān)。逆變器載波頻率越高，一個(gè)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(shí)電流幅值不變。脈沖電壓上升時(shí)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(jī)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(shí)間都會(huì)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(dāng)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(shí)間tr仿真得到不同上升時(shí)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(duì)edm電流的影響不大，這主要是因?yàn)閑dm電流由軸電壓以及軸承阻抗決定；2）當(dāng)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(shí)間對(duì)軸電壓的影響不大；4）特殊現(xiàn)象：軸電壓在電壓擊穿時(shí)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(gè)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(duì)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(shí)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(duì)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(duì)機(jī)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(jìn)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(duì)機(jī)殼耦合電容比定子繞組對(duì)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(gè)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(shí)，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(jī)軸承電流產(chǎn)生的一個(gè)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(shí)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(gè)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(jià)是電抗器的功率損耗大，體積大，造價(jià)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(shí)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(dāng)降低輸出脈沖電壓上升沿的dv/dt值，達(dá)到抑制軸承電流的目的。逆變輸出濾波器降低了電機(jī)輸入脈沖電壓的電壓上升率，這樣一來，電機(jī)內(nèi)分布電容的電壓耦合作用便會(huì)大大減弱，軸電壓以及由此引起的edm電流都會(huì)下降，同時(shí)由于電壓變化率引起的dv/dt電流也會(huì)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(jī)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(shí)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(duì)不接地而言均顯著減少，其原因是rc吸收高次諧波的作用更強(qiáng)，能夠更好地改善電壓波形。
6.在高頻pwm脈沖輸入下，電機(jī)內(nèi)分布電容的電壓耦合作用構(gòu)成系統(tǒng)共模回路，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(jī)內(nèi)各部分耦合電容參數(shù)有關(guān)，且與脈沖電壓上升時(shí)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(shí)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(dāng)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(jì)一種在逆變器輸出端串小電感并輔以rc吸收網(wǎng)絡(luò)達(dá)到抑制軸電壓與軸承電流的目的，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。
