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变频驱动系统中电机轴电流研究

2016-06-02中车株洲电机有限公司胡志辉

电子世界 2016年9期
关键词:异步电机变频

中车株洲电机有限公司 胡志辉 张 乐 肖 林



变频驱动系统中电机轴电流研究

中车株洲电机有限公司 胡志辉 张 乐 肖 林

【摘要】电机PWM变频技术的应用,在轴承端产生的轴电压和轴电流会使异步电机轴承失效损坏,影响运行。本文建立了电机的集总参数共模模型,分析了轴承电点压和电流生成的机理。在该模型的基础上,分析了轴电流的流通方式,进而提出立减小轴电流的措施。

【关键词】变频;轴电流;轴电压;异步电机;共模模型

0 引言

目前用绝缘栅双极管(IGBT)为功率器件的脉宽调制(PWM)逆变器作为驱动电源的异步电动机越来越多,产生的的轴电压轴电流使轴承损坏情况有点严重,影响电机的正常运行。

1 共模电压与轴电压

通常情况下,单级效应,电容电流,以及磁路不平衡是生成轴电压的主要因素[1],正弦波驱动电机的时候,元器件,电路,和回路阻抗的不平衡,电源电压会产生零点漂移的情况,相应的会生成零序电流,轴承是是零序回流组成部分,电机和逆变器组成情况如图1所示:

图1 PWM逆变器驱动电路

分析电路可得:

图2 电机耦合参数的共模等效电路

对电机轴承的结构是分析轴电流的前提。电机轴承的滚道是由外滚道和内滚道组成的[5,6],电机运行时,润滑油层包裹着轴承中的滚珠,润滑油绝缘作用,滚珠和轴承滚道之间形成了电容。它们在转子—定子回路中以串联形式存在(不考虑滚珠的阻抗),构成了一个等效电容Cbi(i代表轴承中的第i个滚珠)。轴承整体来说,滚道与滚珠之间的电容是并联存在的,它表明轴承可用一个带有内部电阻和电感开关来等效。滚珠和滚道没有接触时,开关分开,建立了转子电压;开关闭合情况下,转子电压会迅速的放电,较大放电电流会在轴承里面产生。

2 轴电压轴电流的形成

轴承电流可分为三部分:(1)电容电流,分布电容的存在,定子绕组和轴承会形成一个电压耦合的回路,高频的PWM脉冲电压是绕组的输入电压时,耦合回路中会形成电流,这个,一部分经轴承电容流到大地,另一部分经流到大地,它们就称之为轴承电流,输入电压以及电机内分布参数决定着轴电流的大小。(2)是EDM电流,当轴电压超过轴承油层油膜的击穿电压时,轴承内外滚道等同于短路状态,从而很大的放电电流在轴承上产生,这就是电火花加工(Electric Discharge Machining , EDM)电流[6]。与此同时,电机运行过程中,如果滚珠和滚道之间有接触,轴承上EDM电流同样会产生。 (3)环路电流,电机内部磁场产生的流经机壳和转轴的电流。通常情况下,环路电流对轴承寿命的影响不是很大,dv/dt电流对轴承运行损害也不大,但EDM电流产生的轴承电流密度较大,会使轴承寿命很大程度上的降低。

对某地铁电机实际运行进行测量情况的情况,选用的是高阻抗的DL850数字存储示波器。轴承的轴电流是一种非正弦波,有着对称性重复性极差,波形畸变严重,因而引入了时间窗的概念,意思是基础数据放在一个时间段里面来看。对本试验来说的话选用了50s的时间窗。使用这种方法测量轴电压时,电机运行在额定情况下,碳刷接触电机后端盖转轴表面,作为信号线接示波记录仪输入端,电机机壳引出线接示波记录仪输入地,选择20M的带宽。图3是最初始状态下的轴电压波形。

图3 轴电压原始波形

由图3可知,轴电压出现很多毛刺,尖峰值可达到70V左右。图4是牵引系统高压箱跟换电容和变更接地系统后的轴电压波形。

图4 整改后的轴电压波形

采取相应措施后,轴电压降到50V以下的了。降低该轴电压,主要通过降低变频器接地线和车轮碳刷的接地电阻来实现,提供了一条通过电机外壳、电机轴承、电机转轴、齿轮箱、抱轴、车轮的路径。如果电机外壳到变频器汇流排到变频器接地线到车轮的路径上阻抗变大,会导致更多的电流经过转轴回流,从而提升轴承两端的电压。而要减小轴承电压中振荡电压成分,则可以降低回流电容阻抗和给变频器输出增加低通滤波器(差模滤波和共模滤波)来实现。

3 结论

通过上面的分析,可知,在感应电动机驱动系统中,轴承问题产生的症结是轴电压的存在。共模电压在电动机定子绕组中形成、耦合至电动机转子引起轴电压,并导致轴电流。以建立电动机内部耦合参数的模型,明确了轴电流的流通途径。因此,消除轴电压轴电流的方法可以从消除共模电压、改变轴电流流通路径、减小电动机寄生耦合电容等方面入手。可行的方法有:(1)共模电压由驱动模块产生,改善逆变器的控制电路和控制策略可以减小甚至消除共模电压。 (2)从图1所示的电动机耦合参数的共模等效电路可知,减小电动机定子绕组与转轴的耦合电容可以减小轴电压。(3)转轴上安装接地装置,电刷会提供一个电动机转轴到机壳的低阻抗并联通路,从而消除轴电压并减小轴电流,并且电动机的机壳应充分接地。(4)采用滤波器利用滤波器可以直接减小逆变器侧产生的共模电压,从而抑制了电动机端的轴电压和轴电流。

参考文献

[1]FeiWang.Motor ShaftVoltages and Bearing CurrentsandTheirReduction in Multilevel Medium-voltage PWM Voltage- source-in –verterDriveApplicati ons[J].IEEE Transactionson Industry Ap-plications,2000 36(5)﹕1336-1341.

[2]索渊,陈莉.动机轴电流和轴电压的危害及预防[J].甘肃电力技术,2005(8)﹕30.

[3]Busse D,Erdman J,Kerkman R J,et al.The Effects ofPWM Voltage source Inverters on the Mechanical Perfor-mance of Rolling Bearings[A].In﹕Proceedings of Applied PowerElectronicsconference[C].SanJose(CA)﹕1996,12﹕561-569.

[4]解毓镛.发电机轴电流的种类、产生原因和防止措施[J].华北电力技术,1981(4)﹕31-32..

[5]万健如,孙健祥,禹华军.PWM脉冲作用下电机轴电流产生机理分析[J].电力系统自动化,2003,27(18)﹕22-25.

[6]Naik R,Nondahl T A.Circuit Model for Shaft VoltagePrediction in Induction Motors Fed by PWM_Based AC Drives[J].IEEE Transactionson Industry Applications,2003,39(5)﹕1294-1299.

作者简介:

胡志辉(1987-),男,湖南株洲人,硕士,现供职于中车株洲电机有限公司,研究方向:电气传动,电机检测试验技术。

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