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变频电机轴电压与轴电流产生机理及其抑制办法


对于采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,电容的容抗大大减小,与Xcb相比,Rb很小而R1很大,由于PWM驱动电压为非正弦电压,计算时先将其分解,然后分别求取 ,轴电压 有效值为: 。
3 轴承模型与轴承电流的产生

由于分布电容的存在和高频脉冲输入电压的激励作用,电机轴上形成耦合共模电压。事实上,轴电压的出现不仅与上面两个因素有关,且和轴承结构有着直接关系。转子前后端均由一个轴承支撑,其结构如图3所示。

以其中一个轴承为例,轴承的滚道由内滚道与外滚道组成,当电机转动时,轴承中的滚珠被润滑油层包围,由于润滑油的绝缘作用,轴承滚道与滚珠之间形成电容,如图3b) 所示。这两个电容在转子 ­— 定子回路中以串联形式存在(为便于分析,不考虑滚珠的阻抗),可以等效成一个电容Cbi,i代表轴承中的第i个滚珠。对于整个轴承而言,各个滚珠与滚道之间的电容以并联形式存在。所以整个轴承内可以等效成一个电容Cb。据对轴承的分析,轴承可用一个带有内部电感和电阻的开关来等效。当滚珠未与滚道接触时,开关断开,转子电压建立;当转子电压超过油膜门槛电压时,油膜击穿开关导通,转子电压迅速内放电,在轴承内形成较大放电电流。

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。当轴承滚珠和滚道接触或者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>。其中Q代表功率,v代表油膜运动速度,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,这是因为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,电容越大承受的电压反而越小。事实上,根据分布电容的特点,很大一部分共模电流是通过定子绕组与铁芯之间的耦合电容Csf传到大地去的,因此轴承电流只是共模电流的一部分。从图4可看出,形成轴承电流有两种基本途径。一是由于分布电容的存在,定子绕组和轴承形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,在这个耦合回路势必产生dv/dt电流,这个电流一部分经Crf传到大地,另一部分经轴承电容Cb传到大地,即形成所谓的dv/dt轴承电流,其大小与输入电压以及电机内分布参数有关。二是由于轴承电容的存在,电机轴上产生轴电压 ,当轴电压超过轴承油层的击穿电压时,轴承内外滚道相当于短路,从而在轴承上形成很大放电电流,即所谓的电火花加工(electric discharge machining - EDM)电流。另外,当电机在转动时,如果滚珠和滚道之间有接触,同样会在轴承上形成大的EDM电流。

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