共模電壓軸電壓軸承電流

各種PWM控制方式下的電機共模電壓比較研究摘要:研究了不同PWM控制方式下電機共模電壓、軸電壓和軸承電流的產(chǎn)生機理建立了脈寬調(diào)制逆變器驅(qū)動系統(tǒng)共?；芈返牡刃щ娐凡⒂纱说玫捷S電壓的計算公式.為研究不同PWM控制方式對電機共模電壓的影響建立了電機共模電壓仿真模型比較了在三種PWM控制方式下電機共模電床的仿真波形通過對仿真結果的對比分析得到了在SPWM控制方式下電機共模電壓最小的結論為逆變器采用哪種控制方式會有最小的軸電壓和軸承電流提供了一定依據(jù).關鍵詞:共模電壓;軸電床;軸承電流;SPWM;CRS_PWM;SVPWM;逆變器.在正弦波電源驅(qū)動下電機軸承電壓和軸承電流的問題早在1924年就己經(jīng)被人所認識［1］.近年來以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為功率器件的脈寬調(diào)制(PWM)逆變器作為電機驅(qū)動電源時電機軸承電床和軸承電流問題更加嚴重旦其產(chǎn)生機理與正弦波電源驅(qū)動時完全不同.研究表明［1_8］由于電機軸承的損壞而導致的電機損壞占損壞總數(shù)的40%而有25%的電機軸承損壞是由于PWM逆變器的dv/dt引起的而旦這一數(shù)字正隨著IGBT等高性能器件的廣泛使用而以驚人的速度增加.此外具有高載波頻率(f>12kHz)的IGBT逆變器導致電機軸承比低載波頻率的逆變器驅(qū)動時損壞更快［3］.目前PWM技術的發(fā)展主要集中在4個方面:①如何提高逆變器直流側電壓利用率;②在輸出基波電壓不變前提下如何盡可能消除諧波;③改善控制性能;④改變諧波頻譜分布以降低電機機械振動噪聲.收稿日期:2005-01-11基金項目:鐵道部專項基金資助項目(J99Z073)作者簡介:劉建強(1981—)男江蘇江都人博士生.email:dqliujq@master03.bjtii.edu.cn鄭瓊林(1964-)男浙江金華人教授博士生導師.第29卷第5期2005年10月北京交通大學學報JOURNALOFBEUINGJLA.OTONGUNIVERSITYVbl.29No.5Oct.2005但是對于如何降低電機軸電壓和軸承電流的研究目前就PWM技術方面并沒有很大的發(fā)展.為了比較不同的PWM控制方式對電壓型逆變器供電的電機共模電壓、軸電壓和軸承電流的影響本文作者建立了SPWM、CRS_PWM(關聯(lián)指令分區(qū)脈寬調(diào)制)、SVPWM控制方式下的電機共模電壓仿真模型通過仿真得到了在這三種控制方式下的共模電壓波形并根據(jù)傅里葉分析結果計算了共模電壓有效值的大小.仿真結果表明采用SPWM控制方式可以有效減小共模電壓、軸電壓和軸承電流.1產(chǎn)生機理分析1.1共模電壓研究認為［4］旋轉(zhuǎn)電機軸電壓的來源有3個方面:電磁感應;內(nèi)部源的靜電耦合;外部源的靜電耦合.PWM逆變器對電機軸承的影響屬于外部源的靜電耦合.通常電機由正弦波電源驅(qū)動時人們一般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床的零序分量產(chǎn)生.由于連接線路、元器件和回路阻抗的不平衡電源將不可避免的產(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.圖1為逆變器與電機連接圖圖中va.vb.vc分別為逆變器輸出三相相電壓;ia、ib、ic分別為電機三相相電流;vn為共模電壓.圖1PWM逆變器供電主電路Fig.1PWMinverse_fedmajorcircuit由電路分析可知：va+vb+vc-3vn=Rni+Lmddt()(ia+ib+ic)(1)對星形連接有:ia+ib+ic=0其共模電壓可以表示為vn=va+vb+vc3⑵當交流電機在三相對稱的正弦電壓下運行時共模電床為零;由于實際的三相電床均有一定程度的不對稱所以共模電壓一般不為零.在PWM逆變器驅(qū)動電機時假設三相完全對稱共模電壓也不為零這是由逆變器驅(qū)動電機的本質(zhì)特性所決定的.在這種情況下vn的值取決于逆變器開關狀態(tài)而旦vn的變化周期與逆變器載波頻率一致.由于逆變器的輸出電壓受到6個開關從(000)到(111)8種開關狀態(tài)的限制因此共模電壓的取值有以下的4種情況vn=Vsvn=-Vs/3vn=Vs/3vn=-Vs{狀態(tài)(111)狀態(tài)(001010100)狀態(tài)(Oil101110)狀態(tài)(000)(3)1.2軸電壓事實上vn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)電路可以用等效的具有相同輸入輸出關系的集總參數(shù)R網(wǎng)絡模型代替.因此電機分布參數(shù)電路可以用集總參數(shù)電路來等效形成軸電壓的繞組一轉(zhuǎn)子耦合部分電路[27].經(jīng)簡化等效后的單相電路模型如圖2所示圖中Vsg為共模電壓耦合成的定子中點對地電壓;Z1為電源中點對地電抗;Z2為旁路阻抗表示驅(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、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;Vsng和Vrg分別為定子繞組與轉(zhuǎn)子中性點對地電壓.圖2電機內(nèi)共?；芈返刃щ娐稦ig.2Theequivalentconimon_codecircuitofmotorinterior根據(jù)圖2所示的電路可以得到定子和轉(zhuǎn)于對地電壓方程如下Vsng=VsgZ11Z2+1R0+jXL0+Zsg()+1xZsgRO+jXLO+Zsg(4)Vrg=VsngZrgZYg-jXCSI(5)99第5期劉建強等:各種PWM控制方式下的電機共模電壓比較研究Zsg=?jXCsf(-JXCSI+Zrg)-jXCsf-jXCsr+Z，rg(6)Zrg=Rb+-jXCbRl-jXCb+R1(7)Zrg=-jXCsf?ZrgZrg-jXCsf(8)1.3軸承電流為了分析軸承電流的產(chǎn)生機理對電機軸承的結構必須要有一定的了解.電機軸承的滾道由內(nèi)滾道與外滾道組成［57］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.這兩個電容在轉(zhuǎn)子—定子回路中以串聯(lián)形式存在(不考慮滾珠的阻抗)可以等效成一個電容Cbi(i代表軸承中的的第i個滾珠).對整個軸承而言各個滾珠與滾道之間的電容以并聯(lián)形式存在整個軸承內(nèi)可以等效成一個電容Cb.對軸承的研究表明軸承可用一個帶有內(nèi)部電感和電阻的開關來等效.當滾珠未與滾道接觸時開關斷開轉(zhuǎn)子電床建立;當開關閉合轉(zhuǎn)子電壓迅速放電在軸承內(nèi)形成較大放電電流.由此可將定子繞組與轉(zhuǎn)子的耦合等效電路簡化成圖3所示電路［23］圖3中L，、R，和C，為輸入電容電壓耦合到轉(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.圖3軸電壓耦合等效電路Fig.3Coupledequivalentcircuitofthebearingvoltage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是一個多變量的函數(shù)［3］.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［3］因此耦合到電機軸承上的電壓不至于過大.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心之間的耦合電容Csf傳到大地去的因此軸承電流只是共模電流的一部分.軸承電流可分為三部分:①是EDM電流由于軸承電容的存在電機軸上產(chǎn)生軸電壓Vrg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的放電電流即所謂的電火花加工(ElectricDischargeMachiningEDM)電流［7］.此外當電機在轉(zhuǎn)動時如果滾珠和滾道之間有接觸同樣會在軸承上形成較大的EDM電流.②是dv，dt電流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中將產(chǎn)生dv/dt電流這個電流一部分經(jīng)Crf流到大地另一部分經(jīng)軸承電容Cb流到大地形成所謂的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.③是環(huán)路電流如圖4所示為環(huán)路電流的通路由于流入和流出繞組的電流不相等有一部分電流流入寄生電容中形成所謂的“非平衡電流”因此存在一個有凈電流的高斯而從而會產(chǎn)生一個凈的磁通.該磁通在環(huán)路中產(chǎn)生電動勢最終引起一個脈動的環(huán)路電流［6］環(huán)路電流峰值約為0.5?0.75A.其中前兩種電流又被稱為非環(huán)路電流非環(huán)路電流的通路為:從逆變器端經(jīng)繞組到轉(zhuǎn)子通過軸承至定子外殼流入大地.圖4環(huán)路電流的通路Fig.4Theaccessofcirclecurrent為了定量軸承電流對軸承的影響軸承內(nèi)的電流密度十分關鍵.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(Hertzianpointcontacttheory)軸承電氣壽命［2］為E(t)=7867204x10-2.17p(9)式中p表示軸承電流密度.一般而言dv/dt電流對軸承壽命影響很小環(huán)路電流對軸承壽命的影響也不大而EDM電流產(chǎn)生的軸承電流密度很大使得軸承壽命大大降低.此外空載時軸承損壞程度反而比重我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.100北京交通大學學報第29卷0)SPWM控制方式(b)CRS_PWM控制方式(c)SVPWM控制方式圖6三種不同PWM控制方式下電機共模電壓比FFT分析Fig.6TheFFTanalysisofconimon_modevoltageinthreedifferentkindsofPWMcontrolmethods2電機共模電壓建模仿真根據(jù)上面對電機共模電壓、軸電壓和軸承電流產(chǎn)生機理的分析可知電機軸承壽命直接與電機軸承電流有關.而電機軸承電流的三個組成部分：EDM電流、dv/dt電流和環(huán)路電流產(chǎn)生的原因主要有兩個:一是共模電壓的產(chǎn)生;二是電機內(nèi)分布電容的存在.對于電機內(nèi)分布電容的大小來說它主要與電機參數(shù)有關;而對共模電壓來說它與很多因素和運行條件有關如與電纜的長度、變頻器的構成工藝、系統(tǒng)是否接地、脈沖觸發(fā)方式、電源引線長短、設備安放形式及接地點之間的大地導電特性等有關.電機軸承的壽命與軸承電流有關而軸承電流又與共模電壓有關因此電機共模電壓的大小直接反映了電機軸承壽命的長短因而對電機共模電床的研究就十分必要.不同的PWM控制方式對電機共模電壓的影響究競如何到目前為止很少有文獻對此做出研究.針對這一問題本文作者就目前所廣泛運用的三種PWM控制方式(SPWM、CRS_PWM、SVPWM)進行了建模仿真.2.1SPWM控制方式下共模電壓建模分析如圖5所示為SPWM控制方式下電機共模電壓仿真模型.電機模型采用星形聯(lián)接所測共模電壓即為中性點對地電壓.逆變器的控制方式采用SPWM控制SPWM調(diào)制深度為0.8載波比為20SPWM控制方式為雙極式SPWM控制模式為白然采樣法.如圖6⑴所示為電機共模電壓的FFT分析結果.圖5SPWM控制方式下電機共模電壓仿真模型Fig.5Thesimulatedmodeofcommon_modevoltageinSPWMcontrolmethod2.2CRS_PWM控制方式下共模電壓建模分析CRS_PWM[9]控制方式下電機共模電壓仿真模型與SPWM控制方式下仿真模型相似不同之處就在于脈沖發(fā)生器模塊.CRS_PWM是一種以線電壓為直接控制手段的新型PWM技術是屬于一種新型控制思路的脈寬調(diào)制技術.仿真模型中CRS_PWM調(diào)制深度為1我波比為18.如圖6(b)所示為電機共模電壓的FFT分析結果.2.3SVPWM控制方式下共模電床建模分析SVPWM控制方式下電機共模電壓仿真模型與SPWM控制方式下仿真模型相似主要還是脈沖發(fā)生器模塊不同.仿真中采用7段式SVPWM控制算法構建了脈沖發(fā)生器模塊在SVPWM控制算法中同時引入了過調(diào)制環(huán)節(jié)輸出脈沖可以由輸入直流電壓和頻率進行調(diào)節(jié).如圖6(c)所示為電機共模電壓FFT分析結果.2.4三種模式的仿真結果比較比較圖6(a)、(b)、(c)中SPWM、CRS_PWM和SVPWM這三者的共模電壓波形可以看出這三者的差別.通過FFT分析可知SPWM控制時共模電101第5期劉建強等:各種PWM控制方式下的電機共模電壓比較研究床基波分量為0.6732VTHD(TotalHarmonicDistortion)值為605.24%;CRS_PWM控制時共模電壓基波分量為2.126VTHD值為13242.2%;SVPWM控制時共模電壓基波分量為0.6504VTHD值為7935.10%.由傅里葉分析結果可以看出3種控制方法中在SPWM控制方式下電機的共模電床基波分量較小旦諧波含量最小.在SVPWM控制方式下電機的共模電壓基波分量相比而言最小但是諧波含量比較大.根據(jù)頻譜分析可以定量的計算出三種