逆變器驅(qū)動(dòng)下感應(yīng)電機(jī)軸電流的研究

劉萬(wàn)太，羅小麗，宋運(yùn)雄，羅勝華

(湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湘潭 411101)

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逆變器驅(qū)動(dòng)下感應(yīng)電機(jī)軸電流的研究

劉萬(wàn)太，羅小麗，宋運(yùn)雄，羅勝華

(湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湘潭 411101)

在變頻電源供電的交流電機(jī)運(yùn)行中，電動(dòng)機(jī)軸承端產(chǎn)生的軸電流會(huì)導(dǎo)致電機(jī)軸承損壞，影響電機(jī)正常運(yùn)行.建立了電機(jī)內(nèi)部耦合參數(shù)共模等效電路，逆變器產(chǎn)生的共模電壓在耦合電容作用下產(chǎn)生軸電壓和軸電流.為了抑制逆變器驅(qū)動(dòng)下感應(yīng)電機(jī)的軸電流，采用了兩套無(wú)源濾波裝置，并對(duì)該濾波方法進(jìn)行了仿真分析.通過(guò)對(duì)軸電壓、軸電流的仿真分析，可以看出該裝置能有效抑制軸電流.

逆變器;軸電流;耦合電容

0　引　言

工頻電源驅(qū)動(dòng)下感應(yīng)電機(jī)的軸電流由轉(zhuǎn)軸上的交變磁鏈產(chǎn)生，這些交變磁鏈?zhǔn)怯呻姍C(jī)定轉(zhuǎn)子槽、定轉(zhuǎn)子鐵心接縫和電源不平衡等因素造成磁通不平衡而產(chǎn)生的.近年來(lái)，隨著變頻技術(shù)及高頻率功率元件的應(yīng)用，軸電流又有了新的來(lái)源和產(chǎn)生機(jī)理.逆變電源中含有高次諧波分量，在電壓脈沖分量作用下，電機(jī)轉(zhuǎn)子之間將產(chǎn)生電磁感應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生軸電壓、軸電流.

本文通過(guò)分析軸電壓和軸電流的產(chǎn)生機(jī)理，提出了軸電流的抑制及預(yù)防措施.

1　軸電流的產(chǎn)生

1.1共模電壓與軸電壓

變頻電源供電系統(tǒng)中，軸電壓主要由電源電壓的零序分量產(chǎn)生，由于元器件、電路和回路阻抗的不平衡，逆變電源必然會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，而軸電壓正是零點(diǎn)漂移電壓的一部分.

星形聯(lián)接的變頻感應(yīng)電機(jī)共模電壓可定義為：

(1)

式中：Vao、Vbo、Vco為電機(jī)對(duì)地相電壓，Vcom為共模電壓即三相負(fù)載中性點(diǎn)對(duì)地電壓.

由公式(1)可以看出，當(dāng)定子繞組接三相對(duì)稱電源時(shí)，Vao+Vbo+Vco為零，共模電壓也為零，但通常情況下，三相電源是不能完全對(duì)稱的，共模電壓也就不可避免的存在.尤其對(duì)于逆變電源，Vcom的大小取決于逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，而且Vcom的變化頻率與逆變器的載波頻率一致.隨著逆變器調(diào)制頻率的增加和電機(jī)零序阻抗的降低，Vcom將會(huì)產(chǎn)生較大的共模電流，同時(shí)軸電流也隨之增大，將大大縮減軸承壽命，破壞電機(jī)正常運(yùn)行.

下面通過(guò)共模等效電路將軸電壓、軸電流的產(chǎn)生路徑以電路的形式表達(dá)出來(lái).電機(jī)分布參數(shù)電路可以用集總等效電路來(lái)等效，形成軸電壓的轉(zhuǎn)子耦合部分電路.經(jīng)簡(jiǎn)化后的集總共模等效電路模型如圖1所示.

圖1　逆變器驅(qū)動(dòng)下的集總參數(shù)共模等效電路

其中：電機(jī)繞組中，Rw、Lw分別為電機(jī)的繞組電阻和繞組電抗，Cwf為繞組與定子機(jī)殼間的電容；Cwr、Crf分別為繞組與轉(zhuǎn)子間電容和定子與轉(zhuǎn)子間電容；Rb為軸承回路電阻；Cb為軸承油膜的電容；R1為軸承油膜電阻；L1為軸承油膜電抗；Usg為定子繞組對(duì)地電壓；Urg為轉(zhuǎn)子中性點(diǎn)對(duì)地電壓.

由共模等效電路可知，電機(jī)內(nèi)共模電壓主要通過(guò)容性耦合產(chǎn)生軸電壓和軸電流，逆變器驅(qū)動(dòng)下感應(yīng)電機(jī)的軸電壓、軸電流幅值主要取決于寄生電容.根據(jù)電路模型，軸電壓可表示為：

(2)

vshaft=vcomBvr

(3)

1.2軸電流的產(chǎn)生

本文以深溝球軸承為例，軸承有內(nèi)圈和外圈組成，滾珠滾動(dòng)時(shí)被潤(rùn)滑脂包圍，潤(rùn)滑脂主要起潤(rùn)滑和絕緣的作用，因此，在軸承內(nèi)外圈與滾珠之間會(huì)形成電容，這兩個(gè)電容在共模電壓回路中以串聯(lián)形式存在，為方便計(jì)算，即可以等效成一個(gè)電容Cb，根據(jù)對(duì)軸承的分析，軸承可以等效成一個(gè)帶開(kāi)關(guān)的電阻和電感，如圖2所示，當(dāng)軸電壓未擊穿油膜時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；當(dāng)軸電壓足夠大或潤(rùn)滑脂絕緣損壞時(shí)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，形成較大的軸電流.

圖2　軸承等效電路模型

由圖2可以看出，軸電流的形成主要由兩種途徑，一是由于分布電容的存在，當(dāng)采用逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，在繞組與軸承間形成一個(gè)電壓耦合回路，該耦合回路將產(chǎn)生dv/dt電流，該電流一部分經(jīng)Cb流向大地，形成軸電流.二是由于軸承電容的存在，在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生一定的軸電壓Urg，當(dāng)軸電壓大到超過(guò)軸承潤(rùn)滑脂的絕緣擊穿電壓時(shí)，軸承的內(nèi)外圈與滾珠相當(dāng)于短路，從而在軸承上產(chǎn)生很大的放電電流，即電火花加工電流(EDM電流)，此外，如果電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，由于潤(rùn)滑脂缺少或流失造成滾珠與滾道直接接觸，也會(huì)產(chǎn)生很大的EDM電流.

dv/dt電流和EDM電流共同組成了軸電流，一般來(lái)說(shuō)，dv/dt電流對(duì)軸承壽命的影響不大，而EDM電流由于密度較大，電流值較高，使得軸承壽命顯著降低.在有些時(shí)候，由于軸電流的影響，電機(jī)在空載運(yùn)行時(shí)，軸承反而更容易損壞，這是由于電機(jī)重載運(yùn)行時(shí)，軸承接觸面積較大，降低了軸承的電流密度.

2　軸電流的抑制

2.1無(wú)源濾波裝置

通過(guò)對(duì)軸電流的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析可知，由于變頻器的高次諧波影響，會(huì)產(chǎn)生高頻共模電壓作用在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，進(jìn)而產(chǎn)生軸電壓和軸電流，影響軸承使用壽命.本文提出了在變頻電源的輸入端及輸出端增加高頻無(wú)源濾波電路，降低變頻電源高次諧波對(duì)軸電流的影響.

圖3　無(wú)源濾波器聯(lián)接時(shí)的系統(tǒng)等效電路圖

本文所提出的濾波電路，為了消除共模電壓Vcom的影響，插入一個(gè)共模濾波器，該濾波器由共模電感L2、電容C1、電阻R1組成.此外，在逆變器的輸出側(cè)還存在一定的差模干擾，而且在電動(dòng)機(jī)與變頻器之間需要有一段相對(duì)較長(zhǎng)的電纜線聯(lián)接，在電機(jī)終端將會(huì)產(chǎn)生一定的過(guò)電壓，為消除該部分電壓，在逆變器的輸出側(cè)與整流器直流母線中性點(diǎn)之間插入一個(gè)差模濾波器，該濾波器由三個(gè)電感和三個(gè)電容組成，它的存在能夠消除線與線之間的高頻差模電壓，而且能夠衰減電機(jī)終端的過(guò)電壓.這兩套無(wú)源濾波裝置聯(lián)合使用，將有效抑制逆變器驅(qū)動(dòng)造成的共模電壓和軸電壓.

2.2差模濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)

差模濾波器的等效電路如圖4所示，由圖可以算出濾波電路中的電容和電感值分別為2C/3 和3L/2, 當(dāng)載波頻率在10 kHz時(shí)，不難看出3ωL/2遠(yuǎn)大于2ωC/3 ，所以電流的幅值是由電感決定的，電容大小對(duì)電流影響不大.

圖4　差模等效電路

流過(guò)電感的電流應(yīng)小于系統(tǒng)的10%，取該電流為2 A ，假定圖4所示的差模電壓為正弦波，電壓幅值為Vd=535 V,逆變器載波頻率為10 kHz，電感L的計(jì)算過(guò)程為：

(4)

(5)

L>2mH

(6)

取電感L=2.1 mH .考慮到逆變器輸出的最高頻率為50 Hz，載波頻率一般為10 kHz，差模濾波器的諧振頻率應(yīng)該在1～3 kHz 之間，取諧振頻率為1.8 kHz，得到電容C=3.7 μF.

2.3共模濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)

共模濾波器為L(zhǎng)CR無(wú)源濾波器，與差模濾波器聯(lián)合使用，其連接關(guān)系如圖5所示.

圖5　輸出濾波器帶電機(jī)示意圖

濾波電容C可兼其共模濾波和差模濾波的作用，為了預(yù)防濾波器在共模、差模頻率點(diǎn)諧振并綜合考慮到濾波效果等因素，電容中點(diǎn)通過(guò)一電阻RC接地.

在設(shè)計(jì)共模電感時(shí)，主要考慮共模電壓的基波頻率對(duì)電感線圈的磁通飽和影響，可以忽略高次諧波的影響.根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電感的磁通和共模電壓的關(guān)系如下：

(7)

式中：N為電感匝數(shù) ；Φ為電感磁通；Vcom為共模電壓.

磁通密度B為：

(8)

式中：S為電感鐵芯的有效截面積；當(dāng)共模電壓已知，載波頻率一定時(shí)，SN即與磁通密度B成比例關(guān)系，本文鐵心材料選擇具有晶體結(jié)構(gòu)的軟體材料，沒(méi)有氣隙的電感值可以表示為：

(9)

式中：l為電感鐵心磁路的平均長(zhǎng)度；μ為鐵心的磁導(dǎo)率；

綜合以上討論，共模電感的參數(shù)設(shè)計(jì)為：磁通密度去0.8 T，共模濾波電路的諧振頻率取1.5 kHz，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將電容C1定為470 nF, 根據(jù)關(guān)系式：

(10)

可得：L2為25 mH，R為210 Ω，R1為20 Ω.

3　仿真結(jié)果與分析

以一臺(tái)ZB220-100變頻振動(dòng)電機(jī)為例，該電機(jī)2.2 kW兩極，額定電壓380 V,運(yùn)行頻率為3～100 Hz，基準(zhǔn)頻率50 Hz.用三相整流—逆變—無(wú)源濾波的變頻電源進(jìn)行仿真測(cè)試.

圖6　不接無(wú)源濾波裝置時(shí)的軸電壓仿真波形

圖7　采用無(wú)源濾波裝置時(shí)的軸電壓仿真波形

圖8　不接無(wú)源濾波裝置時(shí)的軸電流仿真波形

圖9　帶有無(wú)源濾波裝置時(shí)的軸電流波形

由圖6～圖9可以看出，該變頻振動(dòng)電機(jī)在不采用無(wú)源濾波裝置運(yùn)行時(shí)，軸電壓最高可達(dá)10 V ，通過(guò)采用兩套無(wú)源濾波裝置能有效地將軸電壓控制在2 V以內(nèi)，軸電流也因此得到了有效控制.

4　結(jié)　語(yǔ)

隨著大功率、高切換頻率功率元件的普及應(yīng)用，變頻電源的高次諧波在轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生的軸電壓危害也越來(lái)越明顯.本文對(duì)逆變器驅(qū)動(dòng)下感應(yīng)電機(jī)軸電壓的產(chǎn)生基理及無(wú)源濾波裝置進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，通過(guò)仿真驗(yàn)證了該裝置對(duì)電動(dòng)機(jī)軸電壓、軸電流有很好的抑制作用.

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Research on Induction Motor Shaft Current Under Drive of Inverter

LIU Wan-tai，LUO Xiao-li，SONG Yun-xiong，LUO Sheng-hua

(Hunan Electrical College of Technology， Xiangtan 411101, China)

When AC motor is drived by variable frequency power, the shaft current will cause the motor’s bearing damage and affect the normal operation. The paper builds coupling parameter common mode equivalent circuit of motor inside. The common mode voltage of inverter drive induces shaft voltage and shaft current under the influence of coupling capacitances in the motor. In order to prevent the shaft voltage for induction motor under the drive by inverter, this paper adopts two sets of passive filter devices, and simulation study has been carried out based on the filter method. Through the simulation analysis for shaft current and shaft voltage, the corresponding prevention and suppression measures from aspects of machine design and manufacturing process are proposed.

inverter；shaft current ；coupling capacitance

2016-03-16

劉萬(wàn)太(1981-)，男，碩士研究生，講師，研究方向：電機(jī)理論與實(shí)踐.

TK83

A

1671-119X(2016)03-0020-04