通過在定子槽開口引入接地電極來減輕逆變器引起的非循環(huán)軸承電流

王立達(dá) 韓成浩

（吉林建筑大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院）

0 引言

軸承電流是現(xiàn)代電力驅(qū)動(dòng)器中的一種有害現(xiàn)象。該問題在電機(jī)的初級(jí)階段就已經(jīng)被認(rèn)識(shí)到。由于存在絕緣的導(dǎo)電部件，電機(jī)可以表示為一組寄生電容。這些電容如圖1 所示，包括定子繞組到轉(zhuǎn)子鐵心的電容Cwr、定子繞組到定子鐵心的電容Cws、定子鐵心到轉(zhuǎn)子鐵心的電容Csr和軸承的電容Cb。

圖1 寄生電容

圖1中軸承電流可分為兩大類：循環(huán)（也稱為電感）和非循環(huán)（也稱為電容）電流。循環(huán)軸承電流在電機(jī)內(nèi)形成閉環(huán)，主要是由不平衡磁通引起的（圖1 中由a 表示）。導(dǎo)致循環(huán)軸承電流的另一個(gè)因素是高共模du/dt值，主要由電流通過定子繞組-定子鐵心電容造成的[3]。在定子繞組中流動(dòng)的一部分電流通過雜散電容泄漏到定子鐵心，另一部分泄漏到轉(zhuǎn)子。泄漏到定子的部分會(huì)導(dǎo)致循環(huán)軸承電流，通常流入機(jī)器接地端子，不會(huì)造成直接傷害。相比之下，泄漏到轉(zhuǎn)子的另一部分（圖1 中由b 表示）通過軸承進(jìn)入系統(tǒng)接地。這種電流可能會(huì)引起放電，并對(duì)滾珠軸承極其有害。

表1列舉降低電容軸承電流的最新技術(shù)。旨在減少變頻器高電壓諧波和共模電壓的技術(shù)，并提供各種不同的解決方案[5-10]。變頻器的改進(jìn)在減少軸承電流方面具有很大前景。也可以通過安裝共模電壓濾波器[1，4，11]來抑制從逆變器到電機(jī)的共模電壓和高次諧波。然而du/dt濾波器和共模扼流圈[12-13]不會(huì)降低EDM 電流。

表1 可緩解EDM 電流的解決方案

EDM 軸承電流也可以通過引入機(jī)器來抑制。例如，雜散電流電路可以通過最小化電容耦合[3]，或使用陶瓷球軸承[1，18]完全斷開。如果為雜散電流提供安全路徑，則可以減少電容電流對(duì)軸承的負(fù)面影響。例如通過使用導(dǎo)電油脂[19]或軸接地裝置來實(shí)現(xiàn)。軸接地裝置是一種簡(jiǎn)單有效的對(duì)策，但它有一個(gè)主要缺點(diǎn)：電刷磨損，它們可能具有接觸問題并且對(duì)外部條件敏感，因此需要頻繁維護(hù)。

文獻(xiàn)[17]中討論了接地電極方法。該方法旨在減少機(jī)器側(cè)由PWM 引起的EDM 軸承電流。進(jìn)一步設(shè)計(jì)靜電屏蔽原理，以減少轉(zhuǎn)子鐵心和定子繞組之間的電容耦合。本文分析一臺(tái)實(shí)際的電機(jī)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，采用一種精細(xì)化的有限元分析（FEA），討論系統(tǒng)可能引起的問題。

1 理論背景

定子繞組對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心的電容在非循環(huán)軸承電流的發(fā)生中起著重要作用。電容減小明顯增加雜散電路電流的總阻抗，降低軸承滾道之間的電壓，并防止軸承潤(rùn)滑劑擊穿，這通常導(dǎo)致EDM 電流和軸承滾道上的腐蝕。在下文中，定子繞組到轉(zhuǎn)子鐵心的電容Cwr將是研究的重點(diǎn)。

圖2為電機(jī)定子槽電容器等效電路。繞組和轉(zhuǎn)子表面可以被認(rèn)為是電容器的電極，而繞組絕緣和氣隙表示這些電極之間的電介質(zhì)。圖中，箭頭表示容性電流路徑；Cb+Csr表示當(dāng)轉(zhuǎn)子和定子之間沒有電流連接時(shí)軸承滾道之間的電容；開關(guān)S 表示當(dāng)潤(rùn)滑劑膜破裂時(shí)可以形成的連接。

圖2 電機(jī)結(jié)構(gòu)與等效圖

文獻(xiàn)[17]中，通過部分靜電屏蔽可以有效地降低軸承電流。電容性電流將繞過轉(zhuǎn)子和軸承，通過在槽開口中引入接地電極來實(shí)現(xiàn)，如圖3 所示。圖中，箭頭表示電容式電流的路徑。Cb+Csr表示軸承電容和定子對(duì)轉(zhuǎn)子的電容，開關(guān)S 表示當(dāng)潤(rùn)滑油膜破裂時(shí)可以形成的連接。之前觀察到的轉(zhuǎn)子和繞組之間的電容的一部分仍然是Cwr’，其中Cwr’＜Cwr。

圖3 電機(jī)結(jié)構(gòu)與等效圖

電極被認(rèn)為是一個(gè)部分的靜電屏蔽。在文獻(xiàn)[14]中提出類似的屏蔽設(shè)計(jì)，并且該方法用于EDM 電流抑制的對(duì)策[15-16]。當(dāng)電極被放置到槽開口或槽鍵中時(shí)，原始的定子繞組到轉(zhuǎn)子鐵心的電容被分成兩個(gè)串聯(lián)的電容：繞組到電極Cwe和轉(zhuǎn)子到電極Cer。由于接地電極沒有覆蓋定子之間的所有間隙，一些剩余的定子繞組到轉(zhuǎn)子鐵心電容Cwr’仍然作為一個(gè)平行路徑（圖3）。

電極被引入到所有定子槽開口中并且在一端處連接到接地端子。僅在一端連接電極可防止形成閉合回路，這可能導(dǎo)致出現(xiàn)鼠籠效應(yīng)和額外的渦流損耗[17，23]。圖4 為配備有接地電極的電機(jī)定子。

圖4 電機(jī)定子結(jié)構(gòu)

評(píng)估軸承電流潛在風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)常見參數(shù)是BVR。BVR 是軸承電壓Ub與電機(jī)端子Ucm處的共模電壓之間的比率。BVR 可用機(jī)器電容來定義：

式中，Ub為軸和接地之間的電壓；Ucm是共模電壓；Cwr、Csr和Cb分別為定子繞組到轉(zhuǎn)子鐵心、定子鐵心到轉(zhuǎn)子鐵心和軸承電容。

式（1）可以用圖5 所示的電容等效電路來解釋。圖中表明，寄生電容形成一個(gè)電容式分壓器。在軸承上觀察到高頻共模電壓的一部分作為軸承電壓Ub。

圖5 交流電機(jī)主電容的等效電路

當(dāng)施加接地電極時(shí)，必須相應(yīng)地改變等效電路。電極使常規(guī)機(jī)器（見圖2）的存儲(chǔ)繞組到轉(zhuǎn)子鐵心電容Cwr替換為串聯(lián)電容Cwe和Cer以及并聯(lián)殘余電容Cwr’（見圖3）。修改后機(jī)器的等效電路如圖5b 所示。根據(jù)電容式分壓器原理定義BVR 時(shí)，修改后的方程寫為：

式中，Cwr’為定子繞組到轉(zhuǎn)子鐵心的剩余電容；Cer為轉(zhuǎn)子鐵心與槽開口中引入電極之間的電容。理論上，BVR 由機(jī)器電容定義。實(shí)際上，電容不能直接測(cè)量。

2 基于有限元方法評(píng)估

計(jì)算中使用插槽尺寸如圖6 所示（研究15kW 4桿36 槽機(jī)尺寸，單位mm）。d為接地電極的變化直徑。疊層層長(zhǎng)度為272 mm。

圖6 槽機(jī)尺寸

在研究中，估計(jì)未修改機(jī)器和配備插槽電極機(jī)器的電容Cwr和Csr。計(jì)算電容和獲得的Bvr見表2。BVR 的計(jì)算使用帶有接地電極的機(jī)器。在BVR 計(jì)算中，陶瓷軸承電容Cb被測(cè)量為27pF。

表2 常規(guī)電機(jī)和用不同直徑電極修改的電機(jī)電容和BVR

有限元結(jié)果只對(duì)應(yīng)于疊片堆疊區(qū)域，而忽略端部繞組。根據(jù)文獻(xiàn)[21]，在15kW 電機(jī)中，端部繞組的比例約為定子繞組-轉(zhuǎn)子鐵心總電容的40%。因此，端部繞組電容Cwr,ew可以從圖1 的鐵心區(qū)域電容Cwr,core求出。

在表2 中，不考慮端部繞組區(qū)域的FEM 計(jì)算電容由Cwr表示?？紤]疊片疊層和端部繞組區(qū)域后，更新后的定子繞組對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心電容在表2 和本文后面的內(nèi)容中用Cwr表示。定子鐵心對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心電容不受端部繞組的影響；因此，不需要在Csr中進(jìn)行類似的校正。

首先，測(cè)量陶瓷球軸承15kW 電機(jī)的BVR。電機(jī)配備有直徑為0.3mm 的漆包銅線槽電極。電極沿著疊片堆疊長(zhǎng)度放置在槽絕緣體上。它們沒有覆蓋端部繞組區(qū)域。電極固定在槽開口的中間。在鐵心的驅(qū)動(dòng)端電極被切斷，以確保它們與定子鐵心沒有任何電接觸。在非驅(qū)動(dòng)端部，電極被連接到接地端子上。

基本頻率分別為10Hz、20Hz、30Hz 和40Hz。圖7 顯示在20Hz 供電頻率下的原始和修改電機(jī)的軸電壓波形示例。兩個(gè)電機(jī)的共模電壓波形如圖8 所示。10Hz、30Hz 和40Hz 基頻的波形幾乎與20Hz 基頻的波形相同。

圖7 常規(guī)和改進(jìn)后15kW 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)基本PWM電源下的軸電壓

圖8 常規(guī)和改進(jìn)后15kW 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的共模電壓

從修改后的電機(jī)測(cè)量到的軸電壓振幅明顯低于普通電機(jī)。如圖8 所示，兩臺(tái)電機(jī)的共模電壓振幅保持在相同水平。在分析中采用了Ub和Ucm的峰值。測(cè)量的BVR 和獲得的平均BVR 值顯示在表3 中。使用這種簡(jiǎn)單的測(cè)試方法，BVR 平均降低了44%。

表3 所測(cè)量RAW 數(shù)據(jù)

圖9作為電極直徑函數(shù)的BVR 和Cwr/Cwr,nom兩者的FEA 結(jié)果。Cwr,nom是未修改電機(jī)的定子繞組到轉(zhuǎn)子鐵心的電容。

圖9 BVR 和Cwr/Cwr,nom 接地電極直徑的函數(shù)

引入一個(gè)薄接地電極，也能顯著降低Cwr和相應(yīng)的BVR。由圖10 可知，將0.1mm 電極安裝在插槽鍵上時(shí)，BVR 下降了將近25%（從BVR=7.32%下降到BVR=5.63%）。

圖10 BVR 計(jì)算和測(cè)量了原始和改進(jìn)后的電機(jī)與0.3mm 電極上的槽鍵

在試驗(yàn)中，機(jī)器配備0.3mm 槽鍵表面電極。表3 中給出的測(cè)量結(jié)果顯示出BVR 下降的趨勢(shì)，并且與理論一致。圖10 將實(shí)驗(yàn)獲得的BVR 與基于FEM 方法給出的值進(jìn)行比較。

在電極直徑為0.3mm 的情況下，使用測(cè)量電容的差異為44%，使用BVR 時(shí)為18%。利用共模和軸電壓振幅得到?？赡軐?dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)誤差的主要原因如下：

1）不精致的電機(jī)幾何形狀；尺寸誤差可能為±0.5mm；

2）繞組的簡(jiǎn)化表示：繞組被建模為一個(gè)堅(jiān)固的銅片，而不是細(xì)銅線；

3）端部繞組占40%：是一個(gè)粗略的估計(jì)；

4）在有限元計(jì)算中，電網(wǎng)劃分和數(shù)值問題也可能導(dǎo)致誤差。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究一種通過在定子槽中安裝接地電極來降低繞組到轉(zhuǎn)子電容的抑制非循環(huán)軸承電流的方法。根據(jù)2-D FEM 計(jì)算，采用15kW 電機(jī)。結(jié)果表明，在槽鍵上只安裝一個(gè)薄接地電極，有效地降低了造成非循環(huán)軸承電流的定子繞組到轉(zhuǎn)子芯電容。增加電極直徑會(huì)導(dǎo)致BVR 的輕微額外減少。

對(duì)一臺(tái)15kW 異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造和試驗(yàn)。結(jié)果與計(jì)算值基本一致。通過理論分析和試驗(yàn)，可以得出結(jié)論：引入接地電極是防止容性軸承電流的有效對(duì)策。

即使所提出的對(duì)策已經(jīng)可以作為一個(gè)現(xiàn)成的解決方案，該方法還沒有達(dá)到預(yù)期。將需要進(jìn)一步研究工作在靜電屏蔽原理上的軸承電流抑制技術(shù)，以設(shè)計(jì)能夠減少由端部繞組區(qū)域引起的電容耦合的屏蔽系統(tǒng)。