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变频电机轴电压与轴电流产生机理及其抑制

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全球电机网消息:引 言

当电动机在正弦波电源驱动下运行时,通过电机轴的交变磁链产生轴电压。这些磁链是由转子和定子槽、分离铁心片之间的连接部分、磁性材料的定向属性和供电电源不平衡等因素引起磁通不平衡而产生的[1>。到90年代,以IGBT为功率器件的PWM逆变器作为电机驱动电源时,电机轴电流问题更加严重,且其产生机理与正弦波电源驱动时完全不同。文献[1>指出,具有高载波频率(例如10kHz以上)的IGBT逆变器导致电动机的轴承比低载波频率的逆变器驱动时损坏更快。Busse较为详细地分析了轴承电流的产生及轴承电流密度与轴承损坏之间的关系[2>,并建立了PWM驱动下的轴承电流电路模型,但该模型未能体现出轴承电流与逆变器开关频率之间的关系。为讨论高频PWM脉冲电压驱动时电机轴电压与轴电流的产生机理,本文在建立轴电压与轴电流电路模型的基础上,分析轴电流产生的条件及形式,并针对逆变器输出电压的特性变化以及电机端有无过电压等情况,通过仿真分析得到不同情况下的轴电压与轴承电流波形。

在抑制轴承电流方面,文献[1>给出的办法用正弦波滤波器将PWM电压转换成正弦波电压,使电机工作在正弦波供电状态下,但该方法所串电感大,系统动态响应慢,同时电感上的压降和功耗增大。本文在逆变器输出端串小电感并辅以RC吸收网络,可有效抑制PWM逆变器驱动下出现的轴电流。

2 共模电压与轴电压

一般认为,磁路不均衡、单极效应和电容电流是电机中产生轴电压的主要原因[3>。在电网供电的普通电机中,人们一般比较重视磁路不平衡的影响。但在逆变器供电的电机中轴电压主要由电压不平衡,即电源电压的零序分量产生。由于电路、元器件、连接和回路阻抗的不平衡,电源电压将不可避免地产生零点漂移,该电压将在系统中产生零序电流,轴承则是电机零序回路的一部分。

正弦波电源驱动时,通过计算可知 =0。在PWM逆变器驱动下, 的值取决于逆变器开关状态,且 变化周期与逆变器载波频率一致。事实上, 只是共模电压的一种表现形式,由于静电耦合,电机各部分间存在着大小不等的分布电容,因此构成电机的零序回路。根据传输线理论,一个分布参数电路可用等效的具有相同输入输出关系的集总参数π网络模型代替。因此,电机分布参数电路可用集总参数电路来等效,形成轴电压的绕组--转子耦合部分电路如图2a)所示,其中Vbrg为轴电压,Ibrg为轴承电流,Va,Vb和Vc为电机输入电压。尽管Iws不流过轴承,但它与轴承电流在定子绕组上有相同的路径,势必对轴承电流有所影响。为便于分析,绕组中心点到定子的耦合部分将不予考虑。为计算方便,将图2 a)简化为图2 b)所示等效单相驱动电路模型。图中Z1为电源中点对地阻抗,Z2为旁路阻抗,表征驱动回路中的共模电抗线圈、线路电抗器和长电缆等;R0和L0为定子的零序电阻和电感;Csf、Csr和Crf分别为电机定子对地、定子对转子和转子对地电容;Rb为轴承回路电阻;Cb和R1为轴承油膜的电容和非线性阻抗;Usg和Urg分别为定子绕组与转子中性点对地电压。
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