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變頻電機軸電壓與軸電流產生機理及其抑制

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全球電機網消息:引 言

當電動機在正弦波電源驅動下運行時,通過電機軸的交變磁鏈產生軸電壓宏发彩票登录。這些磁鏈是由轉子和定子槽宏发彩票登录、分離鐵心片之間的連接部分、磁性材料的定向屬性和供電電源不平衡等因素引起磁通不平衡而產生的[1>。到90年代,以IGBT為功率器件的PWM逆變器作為電機驅動電源時,電機軸電流問題更加嚴重宏发彩票登录,且其產生機理與正弦波電源驅動時完全不同。文獻[1>指出,具有高載波頻率(例如10kHz以上)的IGBT逆變器導致電動機的軸承比低載波頻率的逆變器驅動時損壞更快。Busse較為詳細地分析了軸承電流的產生及軸承電流密度與軸承損壞之間的關系[2>,并建立了PWM驅動下的軸承電流電路模型宏发彩票登录,但該模型未能體現出軸承電流與逆變器開關頻率之間的關系。為討論高頻PWM脈沖電壓驅動時電機軸電壓與軸電流的產生機理,本文在建立軸電壓與軸電流電路模型的基礎上,分析軸電流產生的條件及形式,并針對逆變器輸出電壓的特性變化以及電機端有無過電壓等情況宏发彩票登录宏发彩票登录,通過仿真分析得到不同情況下的軸電壓與軸承電流波形。

在抑制軸承電流方面,文獻[1>給出的辦法用正弦波濾波器將PWM電壓轉換成正弦波電壓,使電機工作在正弦波供電狀態下宏发彩票登录,但該方法所串電感大,系統動態響應慢宏发彩票登录宏发彩票登录,同時電感上的壓降和功耗增大。本文在逆變器輸出端串小電感并輔以RC吸收網絡,可有效抑制PWM逆變器驅動下出現的軸電流。

2 共模電壓與軸電壓

一般認為,磁路不均衡、單極效應和電容電流是電機中產生軸電壓的主要原因[3>。在電網供電的普通電機中宏发彩票登录,人們一般比較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宏发彩票登录,即電源電壓的零序分量產生。由于電路、元器件、連接和回路阻抗的不平衡,電源電壓將不可避免地產生零點漂移,該電壓將在系統中產生零序電流宏发彩票登录,軸承則是電機零序回路的一部分宏发彩票登录。

正弦波電源驅動時宏发彩票登录,通過計算可知 =0。在PWM逆變器驅動下, 的值取決于逆變器開關狀態,且 變化周期與逆變器載波頻率一致。事實上, 只是共模電壓的一種表現形式,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。根據傳輸線理論,一個分布參數電路可用等效的具有相同輸入輸出關系的集總參數π網絡模型代替。因此宏发彩票登录,電機分布參數電路可用集總參數電路來等效,形成軸電壓的繞組--轉子耦合部分電路如圖2a)所示,其中Vbrg為軸電壓,Ibrg為軸承電流,Va,Vb和Vc為電機輸入電壓。盡管Iws不流過軸承,但它與軸承電流在定子繞組上有相同的路徑宏发彩票登录,勢必對軸承電流有所影響宏发彩票登录。為便于分析,繞組中心點到定子的耦合部分將不予考慮宏发彩票登录。為計算方便,將圖2 a)簡化為圖2 b)所示等效單相驅動電路模型。圖中Z1為電源中點對地阻抗,Z2為旁路阻抗,表征驅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宏发彩票登录;Csf、Csr和Crf分別為電機定子對地宏发彩票登录、定子對轉子和轉子對地電容;Rb為軸承回路電阻宏发彩票登录;Cb和R1為軸承油膜的電容和非線性阻抗宏发彩票登录;Usg和Urg分別為定子繞組與轉子中性點對地電壓。
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