劉萬太，羅小麗，宋運(yùn)雄

(湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南湘潭411101)

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逆變器驅(qū)動(dòng)下感應(yīng)電機(jī)軸電壓的產(chǎn)生與預(yù)防

劉萬太，羅小麗，宋運(yùn)雄

(湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南湘潭411101)

在變頻電源供電的交流電機(jī)運(yùn)行中，逆變器產(chǎn)生的共模電壓在耦合電容作用下會(huì)產(chǎn)生軸電壓和軸電流。通過分析軸電壓的產(chǎn)生基理及對(duì)軸承的影響，并根據(jù)軸電壓的產(chǎn)生基理提出了相應(yīng)的預(yù)防和抑制措施。研究表明，軸電壓的預(yù)防措施，對(duì)逆變器驅(qū)動(dòng)下的交流調(diào)速系統(tǒng)具有重要意義。

逆變器；軸電壓；耦合電容

0 引言

工頻電源驅(qū)動(dòng)下感應(yīng)電機(jī)的軸電流由轉(zhuǎn)軸上的交變磁鏈產(chǎn)生，這些交變磁鏈?zhǔn)怯呻姍C(jī)定轉(zhuǎn)子槽、定轉(zhuǎn)子鐵心接縫和電源不平衡等因素造成磁通不平衡而產(chǎn)生的。近年來，隨著變頻技術(shù)及高頻率功率元件的應(yīng)用，軸電流又有了新的來源和產(chǎn)生機(jī)理，逆變電源中含有高次諧波分量，在電壓脈沖分量作用下，電機(jī)轉(zhuǎn)子之間將產(chǎn)生電磁感應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生軸電壓、軸電流。變頻器驅(qū)動(dòng)下的感應(yīng)電機(jī)軸承發(fā)熱情況及損壞程度有上升趨勢(shì)，對(duì)此，常常忽略了軸電流而將問題指向機(jī)械配合方面。本文通過分析軸電流的產(chǎn)生機(jī)理，提出了軸電流的變化特征及預(yù)防措施。

1 軸電壓的產(chǎn)生機(jī)理

1.1 共模電壓與軸電壓

變頻電源供電系統(tǒng)中，軸電壓主要由電源電壓的零序分量產(chǎn)生，由于元器件、電路和回路阻抗的不平衡，逆變電源必然會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，而軸電壓正是零點(diǎn)漂移電壓的一部分。星形聯(lián)接的變頻感應(yīng)電機(jī)共模電壓可定義

(1)

式中，Vao、Vbo、Vco—電機(jī)對(duì)地相電壓；Vcom—共模電壓即三相負(fù)載中性點(diǎn)對(duì)地電壓。

由式(1)可以看出，當(dāng)定子繞組接三相對(duì)稱電源時(shí)，Vao+Vbo+Vco為零，共模電壓也為零，但通常情況下，三相電源是不能完全對(duì)稱的，共模電壓也就不可避免的存在。尤其對(duì)于逆變電源Vcom的大小取決于逆變器的開關(guān)狀態(tài)，而且Vcom的變化頻率與逆變器的載波頻率一致。隨著逆變器調(diào)制頻率的增加和電機(jī)零序阻抗的降低，Vcom將會(huì)產(chǎn)生較大的共模電流，同時(shí)軸電流也隨之增大，將大大縮減軸承壽命，破壞電機(jī)正常運(yùn)行。

下面通過共模等效電路將軸電壓、軸電流的產(chǎn)生路徑以電路的形式表達(dá)出來。電機(jī)分布參數(shù)電路可以用集中等效電路來等效，形成軸電壓的轉(zhuǎn)子耦合部分電路。經(jīng)簡(jiǎn)化后的集總共模等效電路模型如下圖1所示。

圖1電機(jī)繞組中，Rw、Lw—電機(jī)的繞組電阻和繞組電抗；Cwf—繞組與定子機(jī)殼間的電容；Cwr、Crf—繞組與轉(zhuǎn)子間電容和定子與轉(zhuǎn)子間電容；Rb—軸承回路電阻；Cb—軸承油膜的電容；R1—軸承油膜電阻；L1—軸承油膜電抗；Usg—定子繞組對(duì)地電壓；Urg—轉(zhuǎn)子中性點(diǎn)對(duì)地電壓。

由共模等效電路可知，電機(jī)內(nèi)共模電壓主要通過容性耦合產(chǎn)生軸電壓和軸電流，逆變器驅(qū)動(dòng)下感應(yīng)電機(jī)的軸電壓、軸電流幅值主要取決于寄生電容。根據(jù)電路模型，軸電壓可表示為

(2)

vshaft=vcomBvr

(3)

2 軸電壓的抑制

2.1 無源濾波裝置抑制軸電壓

通過對(duì)軸電壓的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析可知，由于變頻器的高次諧波影響，會(huì)產(chǎn)生高頻共模電壓作用在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，進(jìn)而產(chǎn)生軸電壓和軸電流，影響軸承使用壽命。本文提出了在變頻電源的輸入端及輸出端增加高頻無源濾波電路，降低變頻電源高次諧波對(duì)軸電壓的影響，如圖2所示。

本文所提出的無源濾波電路，為了消除共模電壓Vcom的影響，插入一個(gè)共模濾波器，該濾波器由共模電感L2、電容C1、電阻R1組成。此外，在逆變器的輸出側(cè)還存在一定的差模干擾，而且在電動(dòng)機(jī)與變頻器之間需要有一段相對(duì)較長(zhǎng)的電纜線聯(lián)接，在電機(jī)終端將會(huì)產(chǎn)生一定的過電壓，為消除該部分電壓，在逆變器的輸出側(cè)與整流器直流母線中性點(diǎn)之間插入一個(gè)差模濾波器，該濾波器由三個(gè)電感和三個(gè)電容組成，它的存在能夠消除線與線之間的高頻差模電壓，而且能夠衰減電機(jī)終端的過電壓。這兩套無源濾波裝置聯(lián)合使用，將有效抑制逆變器驅(qū)動(dòng)造成的共模電壓和軸電壓。

2.2 仿真結(jié)果與分析

以一臺(tái)ZB220-100變頻振動(dòng)電機(jī)為例，該電機(jī)2.2kW兩極，額定電壓380V，運(yùn)行頻率為3～100Hz，基準(zhǔn)頻率50Hz。采用三相整流-逆變-無源濾波的變頻電源進(jìn)行仿真測(cè)試。

由圖3、圖4仿真波形對(duì)比可以看出，該變頻振動(dòng)電機(jī)在不采用無源濾波裝置運(yùn)行時(shí)，軸電壓最高可達(dá)10V，通過采用兩套無源濾波裝置能有效地將軸電壓控制在2V以內(nèi)，大大減小了軸電壓對(duì)電機(jī)的損害。

3 軸電壓的一般預(yù)防措施

一般情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)由于高次諧波的存在，都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的軸電壓。針對(duì)軸電壓的形成原因，在電機(jī)設(shè)計(jì)及制造工藝當(dāng)中，一般采取以下幾種預(yù)防措施。

(1)靜電屏蔽法抑制軸電壓效應(yīng)：在電機(jī)氣隙中添加銅箔帶，確保在電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間形成連續(xù)的銅表面，并使銅箔接地，進(jìn)而屏蔽定子繞組和轉(zhuǎn)子之間的靜電感應(yīng)，消除兩則的耦合電容Cwr，進(jìn)而阻止軸電壓的產(chǎn)生。

(2)電機(jī)軸的絕緣處理：在電機(jī)轉(zhuǎn)軸的前后軸承臺(tái)及軸間做絕緣處理。為了切斷轉(zhuǎn)軸與負(fù)載機(jī)械、聯(lián)軸裝置之間形成軸電流的通路，可在軸伸端與聯(lián)軸器聯(lián)接位置也做絕緣處理，如用等離子法均勻噴涂50～100μm厚的高性能耐熱陶瓷絕緣層。

(3)加裝絕緣隔板：為了防止磁通不平衡原因產(chǎn)生軸電壓，可在非軸伸端的軸承支架出加裝一套絕緣隔板，切斷軸電流回路。

(4)加強(qiáng)軸承絕緣措施：采用滾動(dòng)軸承的電動(dòng)機(jī)應(yīng)選用絕緣軸承，對(duì)軸承內(nèi)圈及表面做絕緣處理。對(duì)采用滑動(dòng)軸承的電動(dòng)機(jī)，可在固定軸承部位加墊環(huán)氧玻璃布板等，進(jìn)出油的管道加絕緣管接頭。也可在電機(jī)前后端蓋的軸承室加套，套與端蓋間加絕緣層，固定內(nèi)外蓋的螺釘加絕緣套管或絕緣墊等，這就把電機(jī)端蓋與軸電流的回路完全隔斷了。

(5)降低軸電位法：再軸端安裝接地電刷，電刷可靠接地并與轉(zhuǎn)軸緊密接觸，該方法可保證轉(zhuǎn)軸電位時(shí)刻為零，避免了軸電壓的產(chǎn)生。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著大功率、高切換頻率功率元件的普及應(yīng)用，變頻電源在轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生的軸電壓危害也越來越明顯。本文針對(duì)逆變器驅(qū)動(dòng)下感應(yīng)電機(jī)軸電壓的產(chǎn)生基理及預(yù)防進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并根據(jù)軸電壓的成因，相應(yīng)地提出了一系列預(yù)防及抑制方法。經(jīng)過驗(yàn)證，證實(shí)了這些預(yù)防措施對(duì)逆變器驅(qū)動(dòng)下的交流調(diào)速系統(tǒng)具有重要的參考價(jià)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

劉萬太 男 1981年生；碩士研究生，講師，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)的設(shè)計(jì).

2015-04-11