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变频电机轴电压取轴电流的发生机理剖析ylg9999手机版
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变频电机轴电压取轴电流的发生机理剖析
消息出处:江苏德意机电设备制造有限公司   2017-05-23 08:42:43402.com
      1.当电动机在正弦波电源驱动下运转时,经由过程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、星散死心片之间的衔接局部、磁性材料的定向属性和供电电源不平衡等身分引发磁通不平衡而发生的[1]。到90年月,以igbt为功率器件的pwm逆变器作为机电驱动电源时,电机轴电流题目越发严峻,且其发生机理取正弦波电源驱动时完整差别。文献[1]指出,具有下载波频次(比方10khz以上)的igbt逆变器致使电动机的轴承比低载波频次的逆变器驱动时破坏更快。busse较为具体天剖析了轴承电流的发生及轴承电流密度取轴承破坏之间的干系[2],并竖立了pwm驱动下的轴承电流电路模子,但该模子未能表现出轴承电流取逆变器开关频次之间的干系。为议论高频pwm脉冲电压驱动时电机轴电压取轴电流的发生机理,本文在建立轴电压取轴电流电路模子的基础上,剖析轴电流发生的前提及情势,并针对逆变器输出电压的特性转变和机电端有没有过电压等状况,经由过程仿真剖析获得差别状况下的轴电压取轴承电流波形。在抑止轴承电流方面,文献[1]给出的设施用正弦波滤波器将pwm电压转换成正弦波电压,使机电事情在正弦波供电状况下,但该要领所串电感大,体系静态相应缓,同时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吸取网络,可有用抑止pwm逆变器驱动下泛起的轴电流。

      2.共模电压取轴电压一样平常以为,磁路不平衡、单极效应和电容电流是机电中发生轴电压的主要原因[3]。在电网供电的一般机电中,人们一样平常对照正视磁路不平衡的影响。但在逆变器供电的机电中轴电压重要由电压不平衡,即电源电压的整序重量发生。因为电路、元器件、衔接和回路阻抗的不平衡,电源电压将不可避免天发生零点漂移,该电压将在体系中发生整序电流,轴承则是机电整序回路的一部分。正弦波电源驱动时,经由过程盘算可知=0。在pwm逆变器驱动下,的值取决于逆变器开关状况,且转变周期取逆变器载波频次同等。事实上,只是共模电压的一种表现形式,因为静电耦合,机电各部分间存在着巨细不等的分布电容,因而组成机电的整序回路。凭据传输线实际,一个散布参数电路可用等效的具有雷同输入输出干系的集总参数π网络模子替代。因而,机电散布参数电路可用集总参数电路去等效,构成轴电压的绕组--转子耦合局部电路如图2a)所示,个中vbrg为轴电压,ibrg为轴承电流,va,vb和vc为机电输入电压。只管iws不流过轴承,但它取轴承电流在定子绕组上有雷同的途径,必将对轴承电流有所影响。为便于剖析,绕组中心点到定子的耦合局部将不予思索。为盘算轻易,将图2a)简化为图2b)所示等效单相驱动电路模子。图中z1为电源中点对天阻抗,z2为旁路阻抗,表征驱动回路中的共模电抗线圈、线路电抗器和少电缆等;r0和l0为定子的整序电阻和电感;csf、csr和crf离别为机电定子对天、定子对转子和转子对天电容;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离别为定子绕组取转子中性点对天电压。关于接纳逆变器供电的机电,当轴承油膜已被击穿时,因为载波频次下,电容的容抗大大减小,取xcb比拟,rb很小而r1很大,因为pwm驱动电压为非正弦电压,盘算时先将其剖析,然后离别求取,轴电压有效值为:

      3.轴承模子取轴承电流的发生因为分布电容的存在和高频脉冲输入电压的鼓励感化,电机轴上构成耦合共模电压。事实上,轴电压的泛起不只取上面两个身分有关,且和轴承构造有着直接关系。转子前后端均由一个轴承支持,其构造如图3所示。以其中一个轴承为例,轴承的滚道由内滚道取中滚道构成,当机电迁移转变时,轴承中的滚珠被光滑油层围困,因为润滑油的绝缘感化,轴承滚道取滚珠之间构成电容,如图3b)所示。那两个电容在转子-定子回路中以串连情势存在(为便于剖析,不思索滚珠的阻抗),能够等效成一个电容cbi,i代表轴承中的第i个滚珠。关于全部轴承而言,各个滚珠取滚道之间的电容以并联情势存在。以是全部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去等效。当滚珠已取滚道打仗时,开关断开,转子电压竖立;当转子电压凌驾油膜门槛电压时,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为机电三相输入电压,l’、r’和c’为输入电压耦合到转子轴的等效集中参数,cg为crf和cb并联后的等效电容。当轴承滚珠和滚道打仗大概轴承内油层被击穿时,cb不存在,此时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]。个中q代表功率,v代表油膜活动速度,t代表温度,η代表润滑剂粘性,λ代表润滑剂添加剂,λ代表油层厚度,εr代表润滑剂介电常数。轴承电容cb取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小很多。这样一来,耦合到机电轴承上的电压便不至于过大,那是由于crf取cb并联后的电容比耦合回路中与之串连的csr大很多,而串连电容回路中,电容越大蒙受的电压反而越小。事实上,凭据分布电容的特性,很大一部分共模电流是经由过程定子绕组取铁芯之间的耦合电容csf传到大地去的,因而轴承电流只是共模电流的一部分。从图4可看出,构成轴承电流有两种根基路子。一是因为分布电容的存在,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,在这个耦合回路必将发生dv/dt电流,这个电流一部分经crf传到大地,另外一局部经轴承电容cb传到大地,即构成所谓的dv/dt轴承电流,其巨细取输入电压和机电内散布参数有关。二是因为轴承电容的存在,电机轴上发生轴电压,当轴电压凌驾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(electricdischargemachining-edm)电流。别的,当机电在迁移转变时,若是滚珠和滚道之间有打仗,一样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。竖立电流密度需预计滚珠取滚道内外面的点接触地区。凭据赫兹点接触实际(hertzianpointcontacttheory),轴承电气寿命可用以下公式求得[2]:eleclife(hrs)=(7)式中,代表轴承电流密度。一般而言,dv/dt电流对轴承寿命影响很小,而由edm发生的轴承电流密度很大,使得轴承寿命大大低落。别的,空载时轴承破坏水平反而比重载时大很多,那是由于重载时轴承打仗面积增大,无形中减小了轴承电流密度。

      4.轴电压取轴承电流的仿真剖析为进一步议论轴承电流取pwm逆变器输出电压特性和机电端有没有过电压之间的干系,本文对dv/dt电流取edm电流两种情势的轴承电流离别停止仿真剖析,效果发明,轴承电流不只取逆变器载波频次有关,且取逆变器输出脉冲电压的上升时间有关,同时当机电端出现过电压时轴承电流显着增添。先假定电缆长度为整,凭据轴承电流的存在情势可知,dv/dt电流重要是由输入跳变电压引发,因而dv/dt电流巨细取逆变器载波频次和电压上升时间有关。逆变器载波频次越下,一个正弦波周期内发生的dv/dt电流数目也就越多,但此时电流幅值稳定。脉冲电压上升时间是影响dv/dt电流幅值的决定性身分,别的分布电容的巨细也影响dv/dt电流幅值。而edm电流发生的间接缘由是轴电压的存在,因而轴电压的巨细决意了edm电流幅值,轴电压的巨细决意于输入电压的巨细及机电内分布电容的巨细。固然逆变器载波频次和脉冲电压上升时间都邑影响轴电压的外形,但轴电压的峰值取两者皆没有干系,因而edm电流取两者也没有素质的联络,那是edm电流取dv/dt电流最大区分之处。固然,edm电流借取轴承油层的击穿电压有关,击穿电压越下,发生的edm电流越大。为议论轻易,假定轴承击穿电压大于或即是轴电压。

      4.1改动上升时间tr仿真获得差别上升时间的轴电压取轴承电流波形如图5所示,个中图a)和b)为轴电压波形,图c)和d)为轴承电流波形,电流波形中第一次泛起振荡的为edm电流,其他为dv/dt电流。由剖析可知,1)tr增大轴承电流削减,包孕dv/dt电流取edm电流。尤其是dv/dt电流幅值减小非常显着,但tr对edm电流的影响不大,那重要是由于edm电流由轴电压和轴承阻抗决意;2)当tr小于肯定值(约为200ns)后,dv/dt电流以至高于edm电流;3)改动上升时间对轴电压的影响不大;4)特别征象:轴电压在电压击穿时泛起两次振荡,tr不影响第一次振荡,但影响第二次振荡,且第二次振荡跟着tr的上升而削减,其缘由是轴承短路后定子绕组到转子的耦合途径仍然存在,以是泛起一个dv/dt电流振荡。

      4.2改动耦合参数及轴承参数定子绕组对转子的耦合电容越大,轴电压越下,dv/dt电流取edm电流均增添;轴承电容减小,dv/dt电流减小;但edm电流根基稳定,此时轴电压上升。其缘由是:在共模电路中,轴电压是由定子绕组对转子死心的电压耦合形成的,保持那一电压的存在靠轴承电容和转子对机壳耦合电容。因为后二者并联,再取前者串连,因而轴电压按电容值停止分派,电容越大压降越小。一般情况下,轴承电容取转子对机壳耦合电容比定子绕组对转子耦合电容大很多。在只改动轴承电容的状况下,轴承电容越小,全部并联电容等效值下落,轴电压反而上升,因为轴承上的dv/dt电流取容抗及dv/dt成反比,在dv/dt稳定时,容抗减小,dv/dt电流下落。仿真效果如图6所示。

      5.抑止设施早年里的理论研究和仿真剖析能够看出,机电轴承电流发生的一个主要原因是逆变器输出的高频脉冲具有过高的dv/dt前后沿,由此可知,抑止轴承电流的有用设施就是低落逆变器输出电压的dv/dt。然则,逆变器自己输出的脉冲电压上升时间是由功率器件的开关特性决意的,因而只能在逆变器输出端附加装配改动其输出电压的dv/dt。低落逆变器输出电压上升沿dv/dt的一个最间接的设施是在逆变器输出端串上大的电抗器,便可组成所谓的“正弦波滤波器”,逆变器输出的脉冲电压在经由大电抗器后成为完整的正弦波电压,如许便能够消弭轴电压取轴承电流。然则这类设施的价值是电抗器的功率消耗大,体积大,造价下,在一般的变频调速体系中运用不是很适宜。本文接纳折衷设施,在逆变器输出端串接电感值不大的电感以抑止电流的快速转变,同时在输出端线间设置rc电抗以吸取输出电压的下次谐波,如许能够恰当低落输出脉冲电压上升沿的dv/dt值,到达抑止轴承电流的目标。顺变输出滤波器低落了机电输入脉冲电压的电压上升率,这样一来,机电内分布电容的电压耦合感化便会大大削弱,轴电压和由此引发的edm电流都邑下落,同时因为电压转变率引发的dv/dt电流也会显着削减,因而滤波器能够有效地抑止轴承电流的发生。图8给出了到场滤波器(已接地)前后的机电轴承电流仿真波形,个中,逆变器载波频次为5khz,脉冲电压上升时间为200ns,电缆少100m。从图中能够看出,不管edm电流照样dv/dt电流皆显着削减。仿真中借发明,将滤波器接地,不管dv/dt电流照样edm电流相对不接地而言均明显削减,其缘由是rc吸取下次谐波的感化更强,可以或许更好天改进电压波形。

      6.在高频pwm脉冲输入下,机电内分布电容的电压耦合感化组成体系共模回路,从而引发轴电压取轴承电流题目。轴承电流重要以三种体式格局存在:dv/dt电流、edm电流和环路电流。轴电压的巨细不只取机电内各部分耦合电容参数有关,且取脉冲电压上升时间和幅值有关。本文偏重议论前两种体式格局的轴承电流。dv/dt电流重要取pwm的上升时间tr有关,tr越小dv/dt电流的幅值越大。逆变器载波频次越下,轴承电流中的dv/dt电流身分越多。edm电流泛起存在肯定的必然性,只要当轴承光滑油层被击穿大概轴承内部发作打仗才能够泛起,其幅值重要取决于轴电压的巨细。以低落脉冲电压上升率为原则,设想一种在逆变器输出端串小电感并辅以rc吸取网络到达抑止轴电压取轴承电流的目标,仿真效果考证了该要领的有效性。
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