逆變器驅(qū)動(dòng)下感應(yīng)電機(jī)軸電壓的產(chǎn)生與預(yù)防

逆變器驅(qū)動(dòng)下感應(yīng)電機(jī)軸電壓的產(chǎn)生與預(yù)防

摘要：在變頻電源供電的交流電機(jī)運(yùn)行中，逆變器產(chǎn)生的共模電壓在耦合電容作用下會(huì)產(chǎn)生軸電壓和軸電流。通過分析軸電壓的產(chǎn)生基理及對軸承的影響，并根據(jù)軸電壓的產(chǎn)生基理提出了相應(yīng)的預(yù)防和抑制措施。研究表明，軸電壓的預(yù)防措施，對逆變器驅(qū)動(dòng)下的交流調(diào)速系統(tǒng)具有重要意義。關(guān)鍵詞：逆變器;軸電壓;耦合電容引言工頻電源驅(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，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[1]。變頻器驅(qū)動(dòng)下的感應(yīng)電機(jī)軸承發(fā)熱情況及損壞程度有上升趨勢，對此，常常忽略了軸電流而將問題指向機(jī)械配合方面。本文通過分析軸電流的產(chǎn)生機(jī)理，提出了軸電流的變化特征及預(yù)防措施。1軸電壓的產(chǎn)生機(jī)理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)共模電壓可定義式中，Vao、Vbo、Vco—電機(jī)對地相電壓;Vcom—共模電壓即三相負(fù)載中性點(diǎn)對地電壓。由式(1)可以看出，當(dāng)定子繞組接三相對稱電源時(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稱的，共模電壓也就不可避免的存在。尤其對于逆變電源Vcom的大小取決于逆變器的開關(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[2]。下面通過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。電機(jī)分布參數(shù)電路可以用集中等效電路來等效，形成軸電壓的轉(zhuǎn)子耦合部分電路。經(jīng)簡化后的集總共模等效電路模型如下圖1所示。圖1逆變器驅(qū)動(dòng)下的集總參數(shù)共模等效電路圖1電機(jī)繞組中，Ｒw、Lw—電機(jī)的繞組電阻和繞組電抗;Cwf—繞組與定子機(jī)殼間的電容;Cwr、Crf—繞組與轉(zhuǎn)子間電容和定子與轉(zhuǎn)子間電容;Ｒb—軸承回路電阻;Cb—軸承油膜的電容;Ｒ1—軸承油膜電阻;L1—軸承油膜電抗;Usg—定子繞組對地電壓;Urg—轉(zhuǎn)子中性點(diǎn)對地電壓[3]。由共模等效電路可知，電機(jī)內(nèi)共模電壓主要通過容性耦合產(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軸電壓的抑制2．1無源濾波裝置抑制軸電壓通過對軸電壓的產(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[4]。本文提出了在變頻電源的輸入端及輸出端增加高頻無源濾波電路，降低變頻電源高次諧波對軸電壓的影響，如圖2所示。圖2無源濾波器聯(lián)接時(shí)的系統(tǒng)等效電路圖本文所提出的無源濾波電路，為了消除共摸模電壓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較長的電纜線聯(lián)接，在電機(jī)終端將會(huì)產(chǎn)生一定的過電壓，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)終端的過電壓。這兩套無源濾波裝置聯(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[5]。2．2仿真結(jié)果與分析以一臺ZB220-100變頻振動(dòng)電機(jī)為例，該電機(jī)2．2kW兩極，額定電壓380V，運(yùn)行頻率為3～100Hz，基準(zhǔn)頻率50Hz。采用三相整流-逆變-無源濾波的變頻電源進(jìn)行仿真測試。圖3不接無源濾波裝置時(shí)的軸電壓仿真波形圖4采用無源濾波裝置時(shí)的軸電壓仿真波形由圖3、圖4仿真波形對比可以看出，該變頻振動(dòng)電機(jī)在不采用無源濾波裝置運(yùn)行時(shí)，軸電壓最高可達(dá)10V，通過采用兩套無源濾波裝置能有效地將軸電壓控制在2V以內(nèi)，大大減小了軸電壓對電機(jī)的損害。3軸電壓的一般預(yù)防措施一般情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)由于高次諧波的存在，都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的軸電壓。針對軸電壓的形成原因，在電機(jī)設(shè)計(jì)及制造工藝當(dāng)中，一般采取以下幾種預(yù)防措施。(1)靜電屏蔽法抑制軸電壓效應(yīng):在電機(jī)氣隙中添加銅箔帶，確保在電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間形成連續(xù)的銅表面，并使銅箔接地，進(jìn)而屏蔽定子繞組和轉(zhuǎn)子之間的靜電感應(yīng)，消除兩則的耦合電容Cwr，進(jìn)而阻止軸電壓的產(chǎn)生。(2)電機(jī)軸的絕緣處理:在電機(jī)轉(zhuǎn)軸的前后軸承臺及軸間做絕緣處理。為了切斷轉(zhuǎn)軸與負(fù)載機(jī)械、聯(lián)軸裝置之間形成軸電流的通路，可在軸伸端與聯(lián)軸器聯(lián)接位置也做絕緣處理，如用等離子法均勻噴涂50～100μm厚的高性能耐熱陶瓷絕緣層。(3)加裝絕緣隔板:為了防止磁通不平衡原因產(chǎn)生軸電壓，可在非軸伸端的軸承支架出加裝一套絕緣隔板，切斷軸電流回路[6]。(4)加強(qiáng)軸承絕緣措施:采用滾動(dòng)軸承的電動(dòng)機(jī)應(yīng)選用絕緣軸承，對軸承內(nèi)圈及表面做絕緣處理。對采用滑動(dòng)軸承的電動(dòng)機(jī)，可在固定軸承部位加墊環(huán)氧玻璃布板等，進(jìn)出油的管道加絕緣管接頭。也可在電機(jī)前后端蓋的軸承室加套，套與端蓋間加絕緣層，固定內(nèi)外蓋的螺釘加絕緣套管或絕緣墊等，這就把電機(jī)端蓋與軸電流的回路完全隔斷了。(5)降低軸電位法:再軸端安裝接地電刷，電刷可靠接地并與轉(zhuǎn)軸緊密接觸，該方法可保證轉(zhuǎn)軸電位時(shí)刻為零，避免了軸電壓的產(chǎn)生。4結(jié)語隨著大功率、高切換頻率功率元件的普及應(yīng)用，變頻電源在轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生的軸電壓危害也越來越明顯。本文針對逆變器驅(qū)動(dòng)下感應(yīng)電機(jī)軸電壓的產(chǎn)生基理及預(yù)防進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并根據(jù)軸電壓的成因，相應(yīng)地提出了一系列預(yù)防及抑制方法。經(jīng)過驗(yàn)證，證實(shí)了這些預(yù)防措施對逆變器驅(qū)動(dòng)下的交流調(diào)速系統(tǒng)具有重要的參考價(jià)值。參考文獻(xiàn)[1]邱晨,呂廣強(qiáng).考慮電壓飽和的感應(yīng)電機(jī)復(fù)矢量電流解耦控制[J].微特電機(jī),2018,46(08):65-69.[2]陳凌宇,康龍?jiān)?馮元彬.改進(jìn)電壓模型的感應(yīng)電機(jī)MRAC無傳感器控制[J].電力電子技術(shù),2017,51(12):117-119.[3]張衛(wèi)江,黨宏社.空間電壓矢量對感應(yīng)電機(jī)軟起動(dòng)控制策略[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2017,47(06):70-76+88.[4]張?zhí)忑?劉學(xué)忠,張蕊,劉枰.感應(yīng)脈沖電壓下電機(jī)繞組局部放電近場測量技術(shù)及應(yīng)用[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2018,38(09):2763-2771+2846.[5]胡慶林,