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變頻電機(jī)軸電壓與軸電流發(fā)生機(jī)理剖析 （一）
來源:海力軸承網(wǎng) 時(shí)間:2014-06-26
當(dāng)電動(dòng)機(jī)在正弦波電源驅(qū)動(dòng)下運(yùn)行時(shí),經(jīng)過電機(jī)軸的交變磁鏈發(fā)生軸電壓.這些磁鏈?zhǔn)怯赊D(zhuǎn)子和定子槽、別離鐵心片之間的銜接有些、磁性材料的定向特色和供電電源不平衡等要素招致磁通不平衡而發(fā)生的[1].到90年代；以IGBT為功率器材的PWM逆變器作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源時(shí)；電機(jī)軸電流難題愈加嚴(yán)峻；且其發(fā)生機(jī)理與正弦波電源驅(qū)動(dòng)時(shí)徹底不一樣.文獻(xiàn)[1]指出；具有高載波頻率（例如10kHz以上）的 IGBT逆變器招致電動(dòng)機(jī)的軸承比低載波頻率的逆變器驅(qū)動(dòng)時(shí)損壞更快.Busse較為具體地剖析了軸承電流的發(fā)生及軸承電流密度與軸承損壞之間的聯(lián)系 [2]；并樹立了PWM驅(qū)動(dòng)下的軸承電流電路模型；但該模型未能體現(xiàn)出軸承電流與逆變器開關(guān)頻率之間的聯(lián)系.為評(píng)論高頻PWM脈沖電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)電機(jī)軸電壓與軸電流的發(fā)生機(jī)理；本文在樹立軸電壓與軸電流電路模型的基礎(chǔ)上；剖析軸電流發(fā)生的條件及方式；并對(duì)準(zhǔn)逆變器輸出電壓的特性改變以及電機(jī)端有無過電壓等狀況；經(jīng)過仿真剖析得到不一樣狀況下的軸電壓與軸承電流波形.
在按捺軸承電流方面；文獻(xiàn)[1]給出的辦法用正弦波濾波器將PWM電壓轉(zhuǎn)換成正弦波電壓；使電機(jī)作業(yè)在正弦波供電狀況下；但該辦法所串電感大；體系動(dòng)態(tài)呼應(yīng)慢；一起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(wǎng)絡(luò)；可有用按捺PWM逆變器驅(qū)動(dòng)下呈現(xiàn)的軸電流.
2 共模電壓與軸電壓
通常以為；磁路不均衡、單極效應(yīng)和電容電流是電機(jī)中發(fā)生軸電壓的主要原因[3].在電網(wǎng)供電的通常電機(jī)中；大家通常比擬注重磁路不平衡的影響.但在逆變器供電的電機(jī)中軸電壓主要由電壓不平衡；即電源電壓的零序重量發(fā)生.由于電路、元器材、銜接和回路阻抗的不平衡；電源電壓將不可避免地發(fā)生零點(diǎn)漂移；該電壓將在體系中發(fā)生零序電流；軸承則是電機(jī)零序回路的一有些.
正弦波電源驅(qū)動(dòng)時(shí)；經(jīng)過核算可知 =0.在PWM逆變器驅(qū)動(dòng)下； 的值取決于逆變器開關(guān)狀況；且 改變周期與逆變器載波頻率共同.事實(shí)上； 僅僅共模電壓的一種表現(xiàn)方式；由于靜電耦合；電機(jī)各有些間存在著巨細(xì)不等的散布電容；因而構(gòu)成電機(jī)的零序回路.依據(jù)傳輸線理論；一個(gè)散布參數(shù)電路可用等效的具有一樣輸入輸出聯(lián)系的集總參數(shù)π網(wǎng)絡(luò)模型替代.
因而；電機(jī)散布參數(shù)電路可用集總參數(shù)電路來等效；構(gòu)成軸電壓的繞組--轉(zhuǎn)子耦合有些電路如圖2a)所示；其間Vbrg為軸電壓；Ibrg為軸承電流；Va；Vb和Vc為電機(jī)輸入電壓.雖然Iws不流過軸承；但它與軸承電流在定子繞組上有一樣的方法；必然對(duì)軸承電流有所影響.為便于剖析；繞組中間點(diǎn)到定子的耦合有些將不予思考.為核算便利；將圖2 a)簡(jiǎn)化為圖2 b)所示等效單相驅(qū)動(dòng)電路模型.圖中Z1為電源中點(diǎn)對(duì)地阻抗；Z2為旁路阻抗；表征驅(qū)動(dòng)回路中的共模電抗線圈、線路電抗器和長(zhǎng)電纜等，R0和L0為定子的零序電阻和電感，Csf、Csr和Crf別離為電機(jī)定子對(duì)地、定子對(duì)轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子對(duì)地電容，Rb為軸承回路電阻， Cb和R1為軸承油膜的電容和非線性阻抗，Usg和Urg別離為定子繞組與轉(zhuǎn)子中性點(diǎn)對(duì)地電壓.
關(guān)于選用逆變器供電的電機(jī)；當(dāng)軸承油膜未被擊穿時(shí)；由于載波頻率高；電容的容抗大大減.Xcb比較；Rb很小而R1很大；由于PWM驅(qū)動(dòng)電壓為非正弦電壓；核算時(shí)先將其分化；然后別離求取 ；軸電壓 有用值為：
3 軸承模型與軸承電流的發(fā)生
由于散布電容的存在和高頻脈沖輸入電壓的鼓勵(lì)效果；電機(jī)軸上構(gòu)成耦合共模電壓.事實(shí)上；軸電壓的呈現(xiàn)不只與上面兩個(gè)要素有關(guān)；且和軸承布局有著直接聯(lián)系.轉(zhuǎn)子前后端均由一個(gè)軸承支撐；其布局如圖3所示.
以其間一個(gè)軸承為例；軸承的滾道由內(nèi)滾道與外滾道組成；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)變時(shí)；軸承中的滾珠被光滑油層圍住；由于光滑油的絕緣效果；軸承滾道與滾珠之間構(gòu)成電容；如圖3b) 所示.這兩個(gè)電容在轉(zhuǎn)子 定子回路中以串聯(lián)方式存在（為便于剖析；不思考滾珠的阻抗）；能夠等效成一個(gè)電容Cbi；i代表軸承中的第i個(gè)滾珠.關(guān)于整個(gè)軸承而言；各個(gè)滾珠與滾道之間的電容以并聯(lián)方式存在.所以整個(gè)軸承內(nèi)能夠等效成一個(gè)電容Cb.據(jù)對(duì)軸承的剖析；軸承可用一個(gè)帶有內(nèi)部電感和電阻的開關(guān)來等效.當(dāng)滾珠未與滾道觸摸時(shí)；開關(guān)斷開；轉(zhuǎn)子電壓樹立，當(dāng)轉(zhuǎn)子電壓超越油膜門檻電壓時(shí)；油膜擊穿開關(guān)導(dǎo)通；轉(zhuǎn)子電壓敏捷內(nèi)放電；在軸承內(nèi)構(gòu)成較大放電電流.
Va、Vb和Vc為電機(jī)三相輸入電壓；L’、R’和C’為輸入電壓耦合到轉(zhuǎn)子軸的等效會(huì)集參數(shù)；Cg為Crf和Cb并聯(lián)后的等效電容.當(dāng)軸承滾珠和滾道觸摸或許軸承內(nèi)油層被擊穿時(shí)；Cb不存在；此刻Cg僅代表轉(zhuǎn)子軸對(duì)機(jī)殼的耦合電容.
電容Cb是一個(gè)多個(gè)變量的函數(shù)：Cb（Q,v,T,η,λ,Λ,εr）[2].其間Q代表功率；v代表油膜運(yùn)動(dòng)速度；T代表溫度；η代表光滑劑粘性；λ代表光滑劑添加劑；Λ代表油層厚度；εr代表光滑劑介電常數(shù).軸承電容Cb與定子到轉(zhuǎn)子耦合電容Csr ；比定子到機(jī)殼耦合電容Csf和轉(zhuǎn)子到機(jī)殼耦合電容 Crf小得多.
這樣一來；耦合到電機(jī)軸承上的電壓便不至于過大；這是由于Crf與Cb并聯(lián)后的電容比耦合回路中與之串聯(lián)的Csr 大得多；而串聯(lián)電容回路中；電容越大接受的電壓反而越小.事實(shí)上；依據(jù)散布電容的特色；很大一有些共模電流是經(jīng)過定子繞組與鐵芯之間的耦合電容Csf傳到大地去的；因而軸承電流僅僅共模電流的一有些.從圖4可看出；構(gòu)成軸承電流有兩種根本方法.
一是由于散布電容的存在；定子繞組和軸承構(gòu)成一個(gè)電壓耦合回路；當(dāng)繞組輸入電壓為高頻PWM脈沖電壓時(shí)；在這個(gè)耦合回路必然發(fā)生dv/dt電流；這個(gè)電流一有些經(jīng)Crf傳到大地；另一有些經(jīng)軸承電容Cb傳到大地；即構(gòu)成所謂的dv/dt軸承電流；其巨細(xì)與輸入電壓以及電機(jī)內(nèi)散布參數(shù)有關(guān).二是由于軸承電容的存在；電機(jī)軸上發(fā)生軸電壓 ；當(dāng)軸電壓超越軸承油層的擊穿電壓時(shí)；軸承表里滾道相當(dāng)于短路；從而在軸承上構(gòu)成很大放電電流；即所謂的電火花加工（electric discharge machining - EDM）電流.別的；當(dāng)電機(jī)在轉(zhuǎn)變時(shí)；若是滾珠和滾道之間有觸摸；相同會(huì)在軸承上構(gòu)成大的EDM電流.
為了定量EDM及dv/dt電流對(duì)軸承的影響；軸承內(nèi)的電流密度非常要害.樹立電流密度需估量滾珠與滾道內(nèi)表面的點(diǎn)觸摸區(qū)域.依據(jù)赫茲點(diǎn)觸摸理論（Hertzian point contact theory）；軸承電氣壽數(shù)可用如下公式求得[2]：
Elec Life（hrs）= （7）
式中； 代表軸承電流密度.通常而言；dv/dt電流對(duì)軸承壽數(shù)影響很.EDM發(fā)生的軸承電流密度很大；使得軸承壽數(shù)大大下降.別的；空載時(shí)軸承損壞程度反而比重載時(shí)大得多；這是由于重載時(shí)軸承觸摸面積增大；無形中減小了軸承電流密度.
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