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逆变器驱动电机系统环路型电机轴承电流的研究

逆变器驱动电机系统环路型电机轴承电流的研究
逆变器驱动电机系统环路型电机轴承电流的研究

文章编号:1009-3486(2006)02-0064-05

逆变器驱动电机系统环路型电机轴承电流的研究

倡栘

幸善成,吴正国

(海军工程大学电气与信息工程学院,湖北武汉430033)

摘 要:论述了正弦波驱动电机系统中的经典型的轴承电流,讨论了逆变器驱动电机系统中的高频磁通产生

的轴承电流,分析了环路型轴承电流产生的机理,并且在实验的基础上,得出了环路型轴承电流与共模耦合电

流之间的关系,丰富和完善了电机轴承电流的研究内容.

关键词:PWM脉冲;环路型轴承电流;共模电流

中图分类号:TM464 文献标识码:A

CirculatingtypemotorbearingcurrentinPWMinverterdrives

XINGShan-cheng,WUZheng-guo(CollegeofElectricalandInformationEngineering,NavalUniv.ofEngineering,Wuhan430033,China)Abstract:Theclassicalcirculatingbearingcurrentisfirstreviewedtohelpunderstandhowafluxlin-kagecaninducebearingcurrents.Thecirculatingbearingcurrentgeneratedbyahighfrequencyfluxintheinverterdrivingmotorisdiscussed.Thispapermakesatheoreticalanalysisofthegenerationmechanismsofcirculatingbearingcurrent;anddescribestheexperimentalfindings,andstateswhythecirculatingbearingcurrentshouldberelatedtoafluxlinkageproducedbythecommonmodecouplingcurrent,andexplainstherelation-shipbetweenthecommonmodecouplingcurrentandthecirculatingbearingcurrentininductionmotors.Keywords:PWMpulse;circulatingbearingcurrent;commonmodecurrent

通常情况下,在电机驱动系统中,电机轴承的损坏和电机绕组绝缘的损坏是造成电机不能正常工作的两大重要因素,而电机轴承的损坏包括轴承润滑油和机械磨损等方面的原因,除此之外,流过电机轴承的轴承电流也是造成电机轴承损坏的一个重要因素,因此对电机轴承电流的研究具有重要的意义[1,2].电机的轴承电流有多种存在形式和分类方法,如果从轴承电流的流通路径来分类,可以分为单向型电机轴承电流和环路型电机轴承电流.单向型电机轴承电流的流动方向是由电机转子轴分别通过左右两个轴承流到电机机壳,环路型电机轴承电流则是在由电机转子轴、左右轴承和机壳构成的回路中循环流动.近年来,正因为电机轴承电流对电机的损坏问题日益凸现,国内外的业界人士对电机轴承电流的产生机理、造成的危害、建模的方法、试验的测量方法等方面作过许多深入的研究[3~6],但是对环路型电机轴承电流这一特殊的电流形式的研究还很少.因此,文中在简单分析了正弦波电压驱动电机时环路型轴承电流产生机理的基础上,重点揭示了逆变器驱动电机系统中的环路型轴承电流的产生机理、测量方法以及与共模耦合电流之间的关系.

正弦波公共电源驱动电机系统中的环路型电机轴承电流是由于电机的磁不平衡产生的,如转子偏心等,其特征是与电机的基波电流的频率相同;逆变器驱动电机系统中的环路型轴承电流是高频的,并 第18卷 第2期 2006年4月 海军工程大学学报 JOURNALOFNAVALUNIVERSITYOFENGINEERING 

Vol.18 No.2 Apr.2006 倡收稿日期:2005-09-26;修订日期:2005-10-10

基金项目:海军工程大学科学研究基金资助项目(HGDJJ2004035)

作者简介:幸善成(1971-),男,博士生.

且只伴随PWM开关动作而产生.因此两者在产生机理上是不同的,但是由于它们都是由磁通产生的,只不过是磁通的来源不同:正弦波电源产生的环路型轴承电流是由于电机本身的磁不平衡产生的;而逆变器电源产生的环路型轴承电流是来源于高频共模电流的磁通.可以看出两者在本质上是一致的.1 正弦波电源驱动电机系统中的轴承电流

电机的轴承电流和轴电流在电机被发明的那一刻就已经存在了,在正弦波驱动电机系统中,产生轴承电流最广为人知的原因是电机的磁不平衡,因此在1927年就曾经有人提出,如果有可能设计出一个完全平衡和对称的电机,从理论和实际上来看,都将没有轴承电流的存在.然而,生产出完全平衡和对称的电机是不可能的,特别是大型电机.因此,正弦波驱动电机系统中也面临轴承电流和轴电流的抑制问题.对于这种源起电机内部的低频轴承电流的理解将有助于研究因PWM脉冲产生的高频轴承电流,因而对低频轴承流的研究显得尤其重要.在研究高频轴承电流时,我们必须意识到这种低频轴承电流是同时存在的.

正弦波电源驱动电机系统产生低频轴承电流的2个主要原因是:①单极磁通,即流过电机轴中心的磁通(见图1(a));②交联电机轴的变化磁通(见图1(

b)).

图1 正弦波电源产生的轴承电流

单极磁通描述的是那种流过电机轴,并穿过轴承,然后回到机壳的磁通,它通常存在于高速电机内部.电机轴方向的单极磁通是由环绕电机轴的不平衡安匝电流产生的,例如转子断条、剩磁、偏心气隙等.单极磁通产生的轴承电流幅值通常较小,并且存在于轴承内部,无法测量,可采用切断回路的方法来消除,例如采用绝缘轴承.交联电机轴的磁通是由定子或转子的磁不对称引起的.由于定子和转子的铁磁材料不可能是完全均匀的,所以会导致磁路的不平衡,并最终产生包围电机轴的磁通链,同时相应的电流流过电机轴、轴承、机壳和另外的一个轴承.该电流与单极磁通产生的轴承电流不同的是,它并不是在轴承内部,因此是可以测量的;让轴承与机壳绝缘,可以测量该轴承电流的驱动电压.当电机两端的轴承都导通的时候,电流回路的阻抗很小,因而即使50mV的电压也可以产生超过20A的轴承电流

,足以图2 环路型轴承电流的实验系统

对轴承产生损坏,特别是在大电机系统中,造成的损害更明显.

2 逆变器驱动电机系统中的环路型轴承电流

为了研究逆变器驱动电机系统产生的环路型的轴承电流,我们

建立了如图2所示的测试系统.该系统中逆变器脉宽调制频率为

10kHz,电机额定功率为7.5kW,额定转速为1430r/min.分别将

短接轴承的碳刷引线A、B连接到定子机壳上的接地点G,测量A、B中的电流.用碳刷来代替轴承构成回路是为了确保回路的阻抗最小,从而得到可能的最大的环路电流.通过图中标明的电流的正方

向,比较电流的相角,我们可以区别出电流或者是在转子和定子之

间流动,或者是在由轴、轴承/碳刷和定子构成的回路中循环.?56? 第2期 幸善成等:逆变器驱动电机系统环路型电机轴承电流的研究

在图2中,Icom是流进电机的总的共模电流,即三相电流之和;Ia为a相电流.参照Icom和Ia,我们可以发现环路型电流与共模电流及差模耦合电流之间的关系.图3给出了测量得到的碳刷电流及耦合电流和总的共模电流的波形.可以看到,伴随开关器件的动作,引线A与引线B中的电流在相位上相差180°,通过定义的电流正方向,可以看出这2个电流在回路中循环.因此,可以确定回路中存在环路型的电流.环路型轴承电流包括高频振荡电流和低频阻尼振荡电流2

种成分.

图3 测量得到的环路型轴承电流波形

3 环路型轴承电流的驱动电压

由于将任意一个碳刷开路的时候,环路型轴承电流就会中断,这不同于共模电压产生的轴承电流.共模电压在电机的转子与定子之间产生轴电压,即使是只有一个碳刷连接在转子与定子之间,轴电压也会被短路,就会有共模电流流过碳刷;而环路型轴承电流是在电机轴、两端的轴承以及机壳构成的回路中流动,断开任意一个碳刷都会切断其回路,使得环路型轴承电流中断.

尽管环路型轴承电流频率高,并仅伴随着PWM开关动作而出现,但是本质上还是由定子、轴和轴承构成的闭合回路的高频磁通交联产生的,即在闭合回路中存在一个磁通产生的电压,这可以通过一个简单的实验来验证.断开一个碳刷的连接,例如左边碳刷,保持另外一个碳刷连接在回路中,该回路就在一端保持开路.在开路端连接一个电压传感器来测量开路电压Vshaft,该电压就等于回路内部的驱动电压.

测量得到的轴电压Vshaft和其它的重要参考信号如图4所示.在该图中,碳刷引线中的电流IB伴随每个PWM开关动作呈现高频脉冲状电流,该电流是传导型轴承电流.轴电压的波形中也出现了少量的共模电压成分.理论上讲,将轴的右端与定子短路可以使该电压消失,但是在高频信号作用下,定子与转子之间的连接碳刷显然不能提供理想的零阻抗,

于是共模电压依然存在.

图4 测量得到的环路型轴承电流驱动电压波形

总之,测量得到的轴电压波形与环路电流的波形非常相似,包含了环路电流主要的频率成分.因此,可以说测量得到的轴电压Vshaft就是由定子、轴和轴承构成的闭合回路磁通交联产生的电压;并且,环路型电流是由该电压产生的.

?66?海 军 工 程 大 学 学 报 第18卷 

4 环路型轴承电流与共模电流的关系

基于以上的测量结果可以看到,环路型轴承电流与差模耦合电流和共模耦合电流非常相似.为了确切定位源头,需要区别差模耦合电流与共模耦合电流.将直流侧的负边连接到机壳上,由于共模内部阻抗变成了0,总的共模耦合电容将增加,因此共模耦合电流的频率将降低,同时差模耦合电流的频率几乎保持不变,结果是耦合电流将呈现双频波形.根据这种现象,实验时将地线去掉,电机机壳连接到直流侧负边,在这种情况下,测量环路型轴承电流和驱动电压的结果如图5

所示.

图5 环路型轴承电流和驱动电压波形

从图5的环路型电流的测量结果看到,由于共模耦合回路阻抗的改变,轴承电流的频率成分发生漂移,与共模电流Icom的频率漂移量相同.从共模电流的阻尼衰减与环路型轴承电流的衰减的相似性可以看出来,环路型电机轴承电流与共模耦合电流有着直接的联系.

5 磁通产生轴承电流的解释

以上分析说明,在感应电机内部,共模电流可以在由电机轴、机壳和轴承构成的闭合回路中产生环路型轴承电流,但是差模耦合电流却不能;共模耦合电流是流动在电机绕组中的高频电流,并通过寄生电容耦合到定子和转子.对于如图6所示的单匝电机绕组,由于存在绕组与定子之间的寄生耦合电容,流进线圈的耦合电流不会等于流出线圈的耦合电流.这种现象可以用图6所示的模型来近似.假设线圈一端的电流为I+ΔI,另一端的电流为I-ΔI,这样在电机绕组的所有匝中都会由于寄生耦合效应存在电流不平衡现象.

在三相电机中,假设三相绕组的不平衡电流分别为ΔIa、ΔIb和ΔIc,ΔIa、ΔIb和ΔIc为共模电流,其总和不为0,即:ΔIa+ΔIb+ΔIc≠0.不考虑磁场饱和,感应电机内部的磁通符合叠加原则,如果只考虑不平衡共模电流的效果,三相电机不平衡电流产生的磁通分布如图7所示.在电机机壳中取一个包围所有三相绕组的高斯面Φ(见图7),其包围的电流不等于0,因此在轴的周围存在磁通交联,换句话说,共模耦合电流产生的磁通交联由机壳、轴和轴承构成的闭合回路,就必然会在回路中产生Vshaft;而且如果回路的阻抗很小,就会有环路型电流.从电磁理论的角度分析,磁通产生的Vshaft正比于该磁通和频率,尽管共模耦合电流的不平衡效应很小,产生的磁通也很小,但是由于耦合电流是高频的,因此Vshaf通常不

能被忽略.实际上,测量结果显示,试验电机中产生的最大Vshaf可以达到100

mV.图6 单匝线圈中的电流不平衡图7 磁通交联产生共模电流

?76? 第2期 幸善成等:逆变器驱动电机系统环路型电机轴承电流的研究

?86?海 军 工 程 大 学 学 报 第18卷 6 结束语

电机轴承电流对电机造成的损坏是影响电机使用寿命的关键因素之一.文中通过与正弦波电源产生的轴承电流的比较,在实验的基础上,详细分析了逆变器驱动电机系统中环路型电机轴承电流产生的机理,以及环路型轴承电流与电机轴电压和共模电流之间的关系.

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(上接第41页)

生命力评估的指标体系.同时,给出了相关任务的生命力指标设计定量要求与概率要求.这就是为在舰艇的论证设计阶段提出明确合理的生命力要求提供了手段,并为舰艇的生命力优化设计提供了具有较好可操作性的考核方法.本方法的实际运用显示了它的有效性.

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