逆变器驱动下感应电机轴电压的产生与预防

刘万太，罗小丽，宋运雄

(湖南电气职业技术学院，湖南湘潭411101)



逆变器驱动下感应电机轴电压的产生与预防

刘万太，罗小丽，宋运雄

(湖南电气职业技术学院，湖南湘潭411101)

在变频电源供电的交流电机运行中，逆变器产生的共模电压在耦合电容作用下会产生轴电压和轴电流。通过分析轴电压的产生基理及对轴承的影响，并根据轴电压的产生基理提出了相应的预防和抑制措施。研究表明，轴电压的预防措施，对逆变器驱动下的交流调速系统具有重要意义。

逆变器；轴电压；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。变频器驱动下的感应电机轴承发热情况及损坏程度有上升趋势，对此，常常忽略了轴电流而将问题指向机械配合方面。本文通过分析轴电流的产生机理，提出了轴电流的变化特征及预防措施。

1 轴电压的产生机理

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

(1)

式中，Vao、Vbo、Vco—电机对地相电压；Vcom—共模电压即三相负载中性点对地电压。

由式(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中等效电路来等效，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下图1所示。

图1电机绕组中，Rw、Lw—电机的绕组电阻和绕组电抗；Cwf—绕组与定子机壳间的电容；Cwr、Crf—绕组与转子间电容和定子与转子间电容；Rb—轴承回路电阻；Cb—轴承油膜的电容；R1—轴承油膜电阻；L1—轴承油膜电抗；Usg—定子绕组对地电压；Urg—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)

2 轴电压的抑制

2.1 无源滤波装置抑制轴电压

通过对轴电压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压的影响，如图2所示。

本文所提出的无源滤波电路，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 仿真结果与分析

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

由图3、图4仿真波形对比可以看出，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10V，通过采用两套无源滤波装置能有效地将轴电压控制在2V以内，大大减小了轴电压对电机的损害。

3 轴电压的一般预防措施

一般情况下，变频调速系统由于高次谐波的存在，都会产生相应的轴电压。针对轴电压的形成原因，在电机设计及制造工艺当中，一般采取以下几种预防措施。

(1)静电屏蔽法抑制轴电压效应：在电机气隙中添加铜箔带，确保在电机定子和转子之间形成连续的铜表面，并使铜箔接地，进而屏蔽定子绕组和转子之间的静电感应，消除两则的耦合电容Cwr，进而阻止轴电压的产生。

(2)电机轴的绝缘处理：在电机转轴的前后轴承台及轴间做绝缘处理。为了切断转轴与负载机械、联轴装置之间形成轴电流的通路，可在轴伸端与联轴器联接位置也做绝缘处理，如用等离子法均匀喷涂50～100μm厚的高性能耐热陶瓷绝缘层。

(3)加装绝缘隔板：为了防止磁通不平衡原因产生轴电压，可在非轴伸端的轴承支架出加装一套绝缘隔板，切断轴电流回路。

(4)加强轴承绝缘措施：采用滚动轴承的电动机应选用绝缘轴承，对轴承内圈及表面做绝缘处理。对采用滑动轴承的电动机，可在固定轴承部位加垫环氧玻璃布板等，进出油的管道加绝缘管接头。也可在电机前后端盖的轴承室加套，套与端盖间加绝缘层，固定内外盖的螺钉加绝缘套管或绝缘垫等，这就把电机端盖与轴电流的回路完全隔断了。

(5)降低轴电位法：再轴端安装接地电刷，电刷可靠接地并与转轴紧密接触，该方法可保证转轴电位时刻为零，避免了轴电压的产生。

4 结语

随着大功率、高切换频率功率元件的普及应用，变频电源在转轴上产生的轴电压危害也越来越明显。本文针对逆变器驱动下感应电机轴电压的产生基理及预防进行了系统的分析，并根据轴电压的成因，相应地提出了一系列预防及抑制方法。经过验证，证实了这些预防措施对逆变器驱动下的交流调速系统具有重要的参考价值。

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Cause and Prevention for Shaft Voltage of Induction Motor Driven by Inverter

LiuWantai,LuoXiaoli,andSongYunxiong

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

When AC motor powered by variable-frequency power supply is running, common-mode voltage produced by inverter will case shaft voltage and shaft current under effect of coupling capacitance. By analyzing cause of the shaft voltage and its influence on bearing, relative prevention and restraining measures are proposed. The research shows that prevention measure of shaft voltage is significant for AC adjustable-speed system driven by inverter.

Inverter；shaft voltage；coupling capacitance

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.05.08

TM301.2

B

1008-7281(2016)05-0027-003

刘万太 男 1981年生；硕士研究生，讲师，研究方向为特种电机的设计.

2015-04-11