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變頻電機軸電壓與軸電流發生機理剖析 （一）
來源:海力軸承網 時間:2014-06-26
當電動機在正弦波電源驅動下運行時,經過電機軸的交變磁鏈發生軸電壓.這些磁鏈是由轉子和定子槽、別離鐵心片之間的銜接有些、磁性材料的定向特色和供電電源不平衡等要素招致磁通不平衡而發生的[1].到90年代；以IGBT為功率器材的PWM逆變器作為電機驅動電源時；電機軸電流難題愈加嚴峻；且其發生機理與正弦波電源驅動時徹底不一樣.文獻[1]指出；具有高載波頻率（例如10kHz以上）的 IGBT逆變器招致電動機的軸承比低載波頻率的逆變器驅動時損壞更快.Busse較為具體地剖析了軸承電流的發生及軸承電流密度與軸承損壞之間的聯系 [2]；并樹立了PWM驅動下的軸承電流電路模型；但該模型未能體現出軸承電流與逆變器開關頻率之間的聯系.為評論高頻PWM脈沖電壓驅動時電機軸電壓與軸電流的發生機理；本文在樹立軸電壓與軸電流電路模型的基礎上；剖析軸電流發生的條件及方式；并對準逆變器輸出電壓的特性改變以及電機端有無過電壓等狀況；經過仿真剖析得到不一樣狀況下的軸電壓與軸承電流波形.
在按捺軸承電流方面；文獻[1]給出的辦法用正弦波濾波器將PWM電壓轉換成正弦波電壓；使電機作業在正弦波供電狀況下；但該辦法所串電感大；體系動態呼應慢；一起電感上的壓降和功耗增大.本文在逆變器輸出端串小電感并輔以RC吸收網絡；可有用按捺PWM逆變器驅動下呈現的軸電流.
2 共模電壓與軸電壓
通常以為；磁路不均衡、單極效應和電容電流是電機中發生軸電壓的主要原因[3].在電網供電的通常電機中；大家通常比擬注重磁路不平衡的影響.但在逆變器供電的電機中軸電壓主要由電壓不平衡；即電源電壓的零序重量發生.由于電路、元器材、銜接和回路阻抗的不平衡；電源電壓將不可避免地發生零點漂移；該電壓將在體系中發生零序電流；軸承則是電機零序回路的一有些.
正弦波電源驅動時；經過核算可知 =0.在PWM逆變器驅動下； 的值取決于逆變器開關狀況；且 改變周期與逆變器載波頻率共同.事實上； 僅僅共模電壓的一種表現方式；由于靜電耦合；電機各有些間存在著巨細不等的散布電容；因而構成電機的零序回路.依據傳輸線理論；一個散布參數電路可用等效的具有一樣輸入輸出聯系的集總參數π網絡模型替代.
因而；電機散布參數電路可用集總參數電路來等效；構成軸電壓的繞組--轉子耦合有些電路如圖2a)所示；其間Vbrg為軸電壓；Ibrg為軸承電流；Va；Vb和Vc為電機輸入電壓.雖然Iws不流過軸承；但它與軸承電流在定子繞組上有一樣的方法；必然對軸承電流有所影響.為便于剖析；繞組中間點到定子的耦合有些將不予思考.為核算便利；將圖2 a)簡化為圖2 b)所示等效單相驅動電路模型.圖中Z1為電源中點對地阻抗；Z2為旁路阻抗；表征驅動回路中的共模電抗線圈、線路電抗器和長電纜等，R0和L0為定子的零序電阻和電感，Csf、Csr和Crf別離為電機定子對地、定子對轉子和轉子對地電容，Rb為軸承回路電阻， Cb和R1為軸承油膜的電容和非線性阻抗，Usg和Urg別離為定子繞組與轉子中性點對地電壓.
關于選用逆變器供電的電機；當軸承油膜未被擊穿時；由于載波頻率高；電容的容抗大大減.Xcb比較；Rb很小而R1很大；由于PWM驅動電壓為非正弦電壓；核算時先將其分化；然后別離求取 ；軸電壓 有用值為：
3 軸承模型與軸承電流的發生
由于散布電容的存在和高頻脈沖輸入電壓的鼓勵效果；電機軸上構成耦合共模電壓.事實上；軸電壓的呈現不只與上面兩個要素有關；且和軸承布局有著直接聯系.轉子前后端均由一個軸承支撐；其布局如圖3所示.
以其間一個軸承為例；軸承的滾道由內滾道與外滾道組成；當電機轉變時；軸承中的滾珠被光滑油層圍住；由于光滑油的絕緣效果；軸承滾道與滾珠之間構成電容；如圖3b) 所示.這兩個電容在轉子 定子回路中以串聯方式存在（為便于剖析；不思考滾珠的阻抗）；能夠等效成一個電容Cbi；i代表軸承中的第i個滾珠.關于整個軸承而言；各個滾珠與滾道之間的電容以并聯方式存在.所以整個軸承內能夠等效成一個電容Cb.據對軸承的剖析；軸承可用一個帶有內部電感和電阻的開關來等效.當滾珠未與滾道觸摸時；開關斷開；轉子電壓樹立，當轉子電壓超越油膜門檻電壓時；油膜擊穿開關導通；轉子電壓敏捷內放電；在軸承內構成較大放電電流.
Va、Vb和Vc為電機三相輸入電壓；L’、R’和C’為輸入電壓耦合到轉子軸的等效會集參數；Cg為Crf和Cb并聯后的等效電容.當軸承滾珠和滾道觸摸或許軸承內油層被擊穿時；Cb不存在；此刻Cg僅代表轉子軸對機殼的耦合電容.
電容Cb是一個多個變量的函數：Cb（Q,v,T,η,λ,Λ,εr）[2].其間Q代表功率；v代表油膜運動速度；T代表溫度；η代表光滑劑粘性；λ代表光滑劑添加劑；Λ代表油層厚度；εr代表光滑劑介電常數.軸承電容Cb與定子到轉子耦合電容Csr ；比定子到機殼耦合電容Csf和轉子到機殼耦合電容 Crf小得多.
這樣一來；耦合到電機軸承上的電壓便不至于過大；這是由于Crf與Cb并聯后的電容比耦合回路中與之串聯的Csr 大得多；而串聯電容回路中；電容越大接受的電壓反而越小.事實上；依據散布電容的特色；很大一有些共模電流是經過定子繞組與鐵芯之間的耦合電容Csf傳到大地去的；因而軸承電流僅僅共模電流的一有些.從圖4可看出；構成軸承電流有兩種根本方法.
一是由于散布電容的存在；定子繞組和軸承構成一個電壓耦合回路；當繞組輸入電壓為高頻PWM脈沖電壓時；在這個耦合回路必然發生dv/dt電流；這個電流一有些經Crf傳到大地；另一有些經軸承電容Cb傳到大地；即構成所謂的dv/dt軸承電流；其巨細與輸入電壓以及電機內散布參數有關.二是由于軸承電容的存在；電機軸上發生軸電壓 ；當軸電壓超越軸承油層的擊穿電壓時；軸承表里滾道相當于短路；從而在軸承上構成很大放電電流；即所謂的電火花加工（electric discharge machining - EDM）電流.別的；當電機在轉變時；若是滾珠和滾道之間有觸摸；相同會在軸承上構成大的EDM電流.
為了定量EDM及dv/dt電流對軸承的影響；軸承內的電流密度非常要害.樹立電流密度需估量滾珠與滾道內表面的點觸摸區域.依據赫茲點觸摸理論（Hertzian point contact theory）；軸承電氣壽數可用如下公式求得[2]：
Elec Life（hrs）= （7）
式中； 代表軸承電流密度.通常而言；dv/dt電流對軸承壽數影響很.EDM發生的軸承電流密度很大；使得軸承壽數大大下降.別的；空載時軸承損壞程度反而比重載時大得多；這是由于重載時軸承觸摸面積增大；無形中減小了軸承電流密度.
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