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变频电机轴电压与轴电流发生机理剖析（一）

来源:海力轴承网时间:2014-06-26

1 引言
当电动机在正弦波电源驱动下运行时,经过电机轴的交变磁链发生轴电压.这些磁链是由转子和定子槽、别离铁心片之间的衔接有些、磁性材料的定向特色和供电电源不平衡等要素招致磁通不平衡而发生的[1].到90年代；以IGBT为功率器材的PWM逆变器作为电机驱动电源时；电机轴电流难题愈加严峻；且其发生机理与正弦波电源驱动时彻底不一样.文献[1]指出；具有高载波频率（例如10kHz以上）的 IGBT逆变器招致电动机的轴承比低载波频率的逆变器驱动时损坏更快.Busse较为具体地剖析了轴承电流的发生及轴承电流密度与轴承损坏之间的联系 [2]；并树立了PWM驱动下的轴承电流电路模型；但该模型未能体现出轴承电流与逆变器开关频率之间的联系.为评论高频PWM脉冲电压驱动时电机轴电压与轴电流的发生机理；本文在树立轴电压与轴电流电路模型的基础上；剖析轴电流发生的条件及方式；并对准逆变器输出电压的特性改变以及电机端有无过电压等状况；经过仿真剖析得到不一样状况下的轴电压与轴承电流波形.
在按捺轴承电流方面；文献[1]给出的办法用正弦波滤波器将PWM电压转换成正弦波电压；使电机作业在正弦波供电状况下；但该办法所串电感大；体系动态呼应慢；一起电感上的压降和功耗增大.本文在逆变器输出端串小电感并辅以RC吸收网络；可有用按捺PWM逆变器驱动下呈现的轴电流.
2 共模电压与轴电压
通常以为；磁路不均衡、单极效应和电容电流是电机中发生轴电压的主要原因[3].在电网供电的通常电机中；大家通常比拟注重磁路不平衡的影响.但在逆变器供电的电机中轴电压主要由电压不平衡；即电源电压的零序重量发生.由于电路、元器材、衔接和回路阻抗的不平衡；电源电压将不可避免地发生零点漂移；该电压将在体系中发生零序电流；轴承则是电机零序回路的一有些.
正弦波电源驱动时；经过核算可知 =0.在PWM逆变器驱动下；的值取决于逆变器开关状况；且改变周期与逆变器载波频率共同.事实上；仅仅共模电压的一种表现方式；由于静电耦合；电机各有些间存在着巨细不等的散布电容；因而构成电机的零序回路.依据传输线理论；一个散布参数电路可用等效的具有一样输入输出联系的集总参数π网络模型替代.
因而；电机散布参数电路可用集总参数电路来等效；构成轴电压的绕组--转子耦合有些电路如图2a)所示；其间Vbrg为轴电压；Ibrg为轴承电流；Va；Vb和Vc为电机输入电压.虽然Iws不流过轴承；但它与轴承电流在定子绕组上有一样的方法；必然对轴承电流有所影响.为便于剖析；绕组中间点到定子的耦合有些将不予思考.为核算便利；将图2 a)简化为图2 b)所示等效单相驱动电路模型.图中Z1为电源中点对地阻抗；Z2为旁路阻抗；表征驱动回路中的共模电抗线圈、线路电抗器和长电缆等，R0和L0为定子的零序电阻和电感，Csf、Csr和Crf别离为电机定子对地、定子对转子和转子对地电容，Rb为轴承回路电阻， Cb和R1为轴承油膜的电容和非线性阻抗，Usg和Urg别离为定子绕组与转子中性点对地电压.
关于选用逆变器供电的电机；当轴承油膜未被击穿时；由于载波频率高；电容的容抗大大减.Xcb比较；Rb很小而R1很大；由于PWM驱动电压为非正弦电压；核算时先将其分化；然后别离求取；轴电压有用值为：
3 轴承模型与轴承电流的发生
由于散布电容的存在和高频脉冲输入电压的鼓励效果；电机轴上构成耦合共模电压.事实上；轴电压的呈现不只与上面两个要素有关；且和轴承布局有着直接联系.转子前后端均由一个轴承支撑；其布局如图3所示.
以其间一个轴承为例；轴承的滚道由内滚道与外滚道组成；当电机转变时；轴承中的滚珠被光滑油层围住；由于光滑油的绝缘效果；轴承滚道与滚珠之间构成电容；如图3b) 所示.这两个电容在转子定子回路中以串联方式存在（为便于剖析；不思考滚珠的阻抗）；能够等效成一个电容Cbi；i代表轴承中的第i个滚珠.关于整个轴承而言；各个滚珠与滚道之间的电容以并联方式存在.所以整个轴承内能够等效成一个电容Cb.据对轴承的剖析；轴承可用一个带有内部电感和电阻的开关来等效.当滚珠未与滚道触摸时；开关断开；转子电压树立，当转子电压超越油膜门槛电压时；油膜击穿开关导通；转子电压敏捷内放电；在轴承内构成较大放电电流.
Va、Vb和Vc为电机三相输入电压；L’、R’和C’为输入电压耦合到转子轴的等效会集参数；Cg为Crf和Cb并联后的等效电容.当轴承滚珠和滚道触摸或许轴承内油层被击穿时；Cb不存在；此刻Cg仅代表转子轴对机壳的耦合电容.
电容Cb是一个多个变量的函数：Cb（Q,v,T,η,λ,Λ,εr）[2].其间Q代表功率；v代表油膜运动速度；T代表温度；η代表光滑剂粘性；λ代表光滑剂添加剂；Λ代表油层厚度；εr代表光滑剂介电常数.轴承电容Cb与定子到转子耦合电容Csr ；比定子到机壳耦合电容Csf和转子到机壳耦合电容 Crf小得多.
这样一来；耦合到电机轴承上的电压便不至于过大；这是由于Crf与Cb并联后的电容比耦合回路中与之串联的Csr 大得多；而串联电容回路中；电容越大接受的电压反而越小.事实上；依据散布电容的特色；很大一有些共模电流是经过定子绕组与铁芯之间的耦合电容Csf传到大地去的；因而轴承电流仅仅共模电流的一有些.从图4可看出；构成轴承电流有两种根本方法.
一是由于散布电容的存在；定子绕组和轴承构成一个电压耦合回路；当绕组输入电压为高频PWM脉冲电压时；在这个耦合回路必然发生dv/dt电流；这个电流一有些经Crf传到大地；另一有些经轴承电容Cb传到大地；即构成所谓的dv/dt轴承电流；其巨细与输入电压以及电机内散布参数有关.二是由于轴承电容的存在；电机轴上发生轴电压；当轴电压超越轴承油层的击穿电压时；轴承表里滚道相当于短路；从而在轴承上构成很大放电电流；即所谓的电火花加工（electric discharge machining - EDM）电流.别的；当电机在转变时；若是滚珠和滚道之间有触摸；相同会在轴承上构成大的EDM电流.
为了定量EDM及dv/dt电流对轴承的影响；轴承内的电流密度非常要害.树立电流密度需估量滚珠与滚道内表面的点触摸区域.依据赫兹点触摸理论（Hertzian point contact theory）；轴承电气寿数可用如下公式求得[2]：
Elec Life（hrs）= （7）
式中；代表轴承电流密度.通常而言；dv/dt电流对轴承寿数影响很.EDM发生的轴承电流密度很大；使得轴承寿数大大下降.别的；空载时轴承损坏程度反而比重载时大得多；这是由于重载时轴承触摸面积增大；无形中减小了轴承电流密度.

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