逆变器驱动下感应电机轴电流的研究

刘万太，罗小丽，宋运雄，罗胜华

(湖南电气职业技术学院，湘潭 411101)



逆变器驱动下感应电机轴电流的研究

刘万太，罗小丽，宋运雄，罗胜华

(湖南电气职业技术学院，湘潭 411101)

在变频电源供电的交流电机运行中，电动机轴承端产生的轴电流会导致电机轴承损坏，影响电机正常运行.建立了电机内部耦合参数共模等效电路，逆变器产生的共模电压在耦合电容作用下产生轴电压和轴电流.为了抑制逆变器驱动下感应电机的轴电流，采用了两套无源滤波装置，并对该滤波方法进行了仿真分析.通过对轴电压、轴电流的仿真分析，可以看出该装置能有效抑制轴电流.

逆变器;轴电流;耦合电容

0　引　言

工频电源驱动下感应电机的轴电流由转轴上的交变磁链产生，这些交变磁链是由电机定转子槽、定转子铁心接缝和电源不平衡等因素造成磁通不平衡而产生的.近年来，随着变频技术及高频率功率元件的应用，轴电流又有了新的来源和产生机理.逆变电源中含有高次谐波分量，在电压脉冲分量作用下，电机转子之间将产生电磁感应，进而产生轴电压、轴电流.

本文通过分析轴电压和轴电流的产生机理，提出了轴电流的抑制及预防措施.

1　轴电流的产生

1.1共模电压与轴电压

变频电源供电系统中，轴电压主要由电源电压的零序分量产生，由于元器件、电路和回路阻抗的不平衡，逆变电源必然会产生零点漂移，而轴电压正是零点漂移电压的一部分.

星形联接的变频感应电机共模电压可定义为：

(1)

式中：Vao、Vbo、Vco为电机对地相电压，Vcom为共模电压即三相负载中性点对地电压.

由公式(1)可以看出，当定子绕组接三相对称电源时，Vao+Vbo+Vco为零，共模电压也为零，但通常情况下，三相电源是不能完全对称的，共模电压也就不可避免的存在.尤其对于逆变电源，Vcom的大小取决于逆变器的开关状态，而且Vcom的变化频率与逆变器的载波频率一致.随着逆变器调制频率的增加和电机零序阻抗的降低，Vcom将会产生较大的共模电流，同时轴电流也随之增大，将大大缩减轴承寿命，破坏电机正常运行.

下面通过共模等效电路将轴电压、轴电流的产生路径以电路的形式表达出来.电机分布参数电路可以用集总等效电路来等效，形成轴电压的转子耦合部分电路.经简化后的集总共模等效电路模型如图1所示.

图1　逆变器驱动下的集总参数共模等效电路

其中：电机绕组中，Rw、Lw分别为电机的绕组电阻和绕组电抗，Cwf为绕组与定子机壳间的电容；Cwr、Crf分别为绕组与转子间电容和定子与转子间电容；Rb为轴承回路电阻；Cb为轴承油膜的电容；R1为轴承油膜电阻；L1为轴承油膜电抗；Usg为定子绕组对地电压；Urg为转子中性点对地电压.

由共模等效电路可知，电机内共模电压主要通过容性耦合产生轴电压和轴电流，逆变器驱动下感应电机的轴电压、轴电流幅值主要取决于寄生电容.根据电路模型，轴电压可表示为：

(2)

vshaft=vcomBvr

(3)

1.2轴电流的产生

本文以深沟球轴承为例，轴承有内圈和外圈组成，滚珠滚动时被润滑脂包围，润滑脂主要起润滑和绝缘的作用，因此，在轴承内外圈与滚珠之间会形成电容，这两个电容在共模电压回路中以串联形式存在，为方便计算，即可以等效成一个电容Cb，根据对轴承的分析，轴承可以等效成一个带开关的电阻和电感，如图2所示，当轴电压未击穿油膜时，开关断开；当轴电压足够大或润滑脂绝缘损坏时，开关导通，形成较大的轴电流.

图2　轴承等效电路模型

由图2可以看出，轴电流的形成主要由两种途径，一是由于分布电容的存在，当采用逆变器驱动电机运行时，在绕组与轴承间形成一个电压耦合回路，该耦合回路将产生dv/dt电流，该电流一部分经Cb流向大地，形成轴电流.二是由于轴承电容的存在，在电机转轴上产生一定的轴电压Urg，当轴电压大到超过轴承润滑脂的绝缘击穿电压时，轴承的内外圈与滚珠相当于短路，从而在轴承上产生很大的放电电流，即电火花加工电流(EDM电流)，此外，如果电机在运行过程中，由于润滑脂缺少或流失造成滚珠与滚道直接接触，也会产生很大的EDM电流.

dv/dt电流和EDM电流共同组成了轴电流，一般来说，dv/dt电流对轴承寿命的影响不大，而EDM电流由于密度较大，电流值较高，使得轴承寿命显著降低.在有些时候，由于轴电流的影响，电机在空载运行时，轴承反而更容易损坏，这是由于电机重载运行时，轴承接触面积较大，降低了轴承的电流密度.

2　轴电流的抑制

2.1无源滤波装置

通过对轴电流的产生机理进行分析可知，由于变频器的高次谐波影响，会产生高频共模电压作用在电机转轴上，进而产生轴电压和轴电流，影响轴承使用寿命.本文提出了在变频电源的输入端及输出端增加高频无源滤波电路，降低变频电源高次谐波对轴电流的影响.

图3　无源滤波器联接时的系统等效电路图

本文所提出的滤波电路，为了消除共模电压Vcom的影响，插入一个共模滤波器，该滤波器由共模电感L2、电容C1、电阻R1组成.此外，在逆变器的输出侧还存在一定的差模干扰，而且在电动机与变频器之间需要有一段相对较长的电缆线联接，在电机终端将会产生一定的过电压，为消除该部分电压，在逆变器的输出侧与整流器直流母线中性点之间插入一个差模滤波器，该滤波器由三个电感和三个电容组成，它的存在能够消除线与线之间的高频差模电压，而且能够衰减电机终端的过电压.这两套无源滤波装置联合使用，将有效抑制逆变器驱动造成的共模电压和轴电压.

2.2差模滤波器参数设计

差模滤波器的等效电路如图4所示，由图可以算出滤波电路中的电容和电感值分别为2C/3 和3L/2, 当载波频率在10 kHz时，不难看出3ωL/2远大于2ωC/3 ，所以电流的幅值是由电感决定的，电容大小对电流影响不大.

图4　差模等效电路

流过电感的电流应小于系统的10%，取该电流为2 A ，假定图4所示的差模电压为正弦波，电压幅值为Vd=535 V,逆变器载波频率为10 kHz，电感L的计算过程为：

(4)

(5)

L>2mH

(6)

取电感L=2.1 mH .考虑到逆变器输出的最高频率为50 Hz，载波频率一般为10 kHz，差模滤波器的谐振频率应该在1～3 kHz 之间，取谐振频率为1.8 kHz，得到电容C=3.7 μF.

2.3共模滤波器参数设计

共模滤波器为LCR无源滤波器，与差模滤波器联合使用，其连接关系如图5所示.

图5　输出滤波器带电机示意图

滤波电容C可兼其共模滤波和差模滤波的作用，为了预防滤波器在共模、差模频率点谐振并综合考虑到滤波效果等因素，电容中点通过一电阻RC接地.

在设计共模电感时，主要考虑共模电压的基波频率对电感线圈的磁通饱和影响，可以忽略高次谐波的影响.根据电磁感应定律，电感的磁通和共模电压的关系如下：

(7)

式中：N为电感匝数 ；Φ为电感磁通；Vcom为共模电压.

磁通密度B为：

(8)

式中：S为电感铁芯的有效截面积；当共模电压已知，载波频率一定时，SN即与磁通密度B成比例关系，本文铁心材料选择具有晶体结构的软体材料，没有气隙的电感值可以表示为：

(9)

式中：l为电感铁心磁路的平均长度；μ为铁心的磁导率；

综合以上讨论，共模电感的参数设计为：磁通密度去0.8 T，共模滤波电路的谐振频率取1.5 kHz，根据经验将电容C1定为470 nF, 根据关系式：

(10)

可得：L2为25 mH，R为210 Ω，R1为20 Ω.

3　仿真结果与分析

以一台ZB220-100变频振动电机为例，该电机2.2 kW两极，额定电压380 V,运行频率为3～100 Hz，基准频率50 Hz.用三相整流—逆变—无源滤波的变频电源进行仿真测试.

图6　不接无源滤波装置时的轴电压仿真波形

图7　采用无源滤波装置时的轴电压仿真波形

图8　不接无源滤波装置时的轴电流仿真波形

图9　带有无源滤波装置时的轴电流波形

由图6～图9可以看出，该变频振动电机在不采用无源滤波装置运行时，轴电压最高可达10 V ，通过采用两套无源滤波装置能有效地将轴电压控制在2 V以内，轴电流也因此得到了有效控制.

4　结　语

随着大功率、高切换频率功率元件的普及应用，变频电源的高次谐波在转轴上产生的轴电压危害也越来越明显.本文对逆变器驱动下感应电机轴电压的产生基理及无源滤波装置进行了系统的分析，通过仿真验证了该装置对电动机轴电压、轴电流有很好的抑制作用.

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Research on Induction Motor Shaft Current Under Drive of Inverter

LIU Wan-tai，LUO Xiao-li，SONG Yun-xiong，LUO Sheng-hua

(Hunan Electrical College of Technology， Xiangtan 411101, China)

When AC motor is drived by variable frequency power, the shaft current will cause the motor’s bearing damage and affect the normal operation. The paper builds coupling parameter common mode equivalent circuit of motor inside. The common mode voltage of inverter drive induces shaft voltage and shaft current under the influence of coupling capacitances in the motor. In order to prevent the shaft voltage for induction motor under the drive by inverter, this paper adopts two sets of passive filter devices, and simulation study has been carried out based on the filter method. Through the simulation analysis for shaft current and shaft voltage, the corresponding prevention and suppression measures from aspects of machine design and manufacturing process are proposed.

inverter；shaft current ；coupling capacitance

2016-03-16

刘万太(1981-)，男，硕士研究生，讲师，研究方向：电机理论与实践.

TK83

A

1671-119X(2016)03-0020-04