電壓型變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)的一些寄生高頻現(xiàn)象

在電壓型變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)會(huì)發(fā)生一些寄生高頻現(xiàn)象，其取決于電機(jī)系統(tǒng)本身的整體條件。由于逆變器du/dt變化，在導(dǎo)線(xiàn)末端會(huì)產(chǎn)生高頻電流，它會(huì)流經(jīng)軸承和所涉及到的組件。

在電機(jī)中產(chǎn)生的軸電流可以分成三種：EDM火花引起的電流（EMD current），循環(huán)電流（Circulation current）和轉(zhuǎn)子對(duì)地電流（Rotor ground current），參見(jiàn)圖1，圖11和圖12。

循環(huán)電流和轉(zhuǎn)子對(duì)地電流是高頻電流，電流主要流經(jīng)繞組對(duì)定子/外殼的寄生電容Cws。EDM電流產(chǎn)生是由于逆變器的共模電壓在電機(jī)軸承上產(chǎn)生一個(gè)寄生電壓降，當(dāng)軸承潤(rùn)滑脂中的擊穿場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)一定值時(shí)就會(huì)引起EDM電弧放電。這些現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致軸承內(nèi)壁產(chǎn)生搓板式的條紋，繼而在電機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生巨大噪音，并可能導(dǎo)致軸承出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的故障。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中我們可以通過(guò)使用降低逆變器開(kāi)關(guān)器件IGBT的du/dt，采用絕緣軸承，加裝逆變器輸出共模扼流圈和對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)碳刷接地來(lái)大大降低這些流經(jīng)軸承高頻電流，但是經(jīng)由共模電壓引起的軸承潤(rùn)滑脂絕緣失效的放電很難得到控制。

圖1.軸電流分布

電機(jī)軸電流對(duì)軸承的典型損壞

電機(jī)軸電流的危害是明顯的，甚至有可能燒毀軸承，所以在設(shè)計(jì)變流器和電機(jī)系統(tǒng)時(shí)需要特別考慮，老師詳細(xì)講解的共模電壓的問(wèn)題，也提出了du/dt等參數(shù)的影響。

典型的損壞有以下三種

潤(rùn)滑脂變化

磨毛軸承軌道

搓板式電弧條紋

由逆變器共模電壓導(dǎo)致的EDM電弧電流

我們可以通過(guò)電機(jī)的寄生電容網(wǎng)絡(luò)CWR，Crs，Cb和逆變器共模電壓UCM算出電機(jī)軸承上的電壓Ub：

圖5.軸寄生參數(shù)模型

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一旦軸承上的電壓（紅色）不能跟隨逆變器的共模電壓（黑色）時(shí)，代表著絕緣失效，在軸承上產(chǎn)生了電火花放電，繼而進(jìn)一步也會(huì)產(chǎn)生高頻循環(huán)漏電流。

圖6.軸電壓電流測(cè)試

兩電平和三電平共模電壓值

共模電壓和寄生電容是產(chǎn)生軸電壓的原因，老師詳細(xì)分析了兩電平和三電平共模電壓值。

三相共模電壓可以通過(guò)三相線(xiàn)電壓之和除以3得到。在空間矢量調(diào)制方式下，兩電平8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)中會(huì)出現(xiàn)2種共模電壓±1/2Uzk,±1/6Uzk；在三電平27種開(kāi)關(guān)時(shí)理論上會(huì)有4種電壓0,±1/2Uzk,±1/3Uzk,±1/6Uzk，但實(shí)際使用很少出現(xiàn)±1/2Uzk的情況，參見(jiàn)圖8。

為了分析軸電流，我們定義了TCM和Ts

圖7.波形中主要參數(shù)定義

圖8

圖9表示了在不同調(diào)制比兩電平和三電平各種共模電壓所占的占空比對(duì)比。從中我們可以發(fā)現(xiàn)：

調(diào)制系數(shù)與共模分量

在較低調(diào)制比下兩電平的1/2Uzk的占比很高，并隨著調(diào)制比上升降低，在高調(diào)制比下取而代之的是1/6Uzk的共模分量占主導(dǎo)。

對(duì)比之下三電平在低調(diào)制比下有更少的共模電壓，0電平在低調(diào)制比下占主導(dǎo)，1/3Uzk已經(jīng)1/6Uzk分量也出現(xiàn)的很少。隨著轉(zhuǎn)速的升高三電平和兩電平的特性會(huì)趨于相同。

圖9

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中我們可以對(duì)比發(fā)現(xiàn)在三電平拓?fù)湓诘娃D(zhuǎn)速下軸電流發(fā)生的次數(shù)明顯比兩電平少，對(duì)應(yīng)的在低轉(zhuǎn)速下二電平主導(dǎo)有Uzk/2的共模電壓，三電平只有少量的六分之一Uzk和三分之Uzk共模電壓。隨著轉(zhuǎn)速升高兩電平和三電平都被六分之一Uzk共模電壓主導(dǎo)，軸電流發(fā)生的情況也趨于相同。

圖10.軸電流發(fā)生的頻度

du/dt的控制

電壓型逆變器是軸電流產(chǎn)生的根源，表1很好歸納了母線(xiàn)電壓，IGBT的開(kāi)關(guān)頻率和du/dt對(duì)各參數(shù)的影響。母線(xiàn)電壓Uzk的升高會(huì)抬高共模電壓進(jìn)而增加三種軸電流的產(chǎn)生。增大du/dt對(duì)EDM電流沒(méi)有直接影響，它會(huì)增加循環(huán)電流（Zirkular）和轉(zhuǎn)子對(duì)地電流(Rotor-Erd)。

表1

圖11.循環(huán)電流（Zirkular）

圖12.轉(zhuǎn)子對(duì)地電流(Rotor-Erd)

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，母線(xiàn)電壓，IGBT的開(kāi)關(guān)頻率是設(shè)計(jì)參數(shù)，一般不會(huì)隨意改變，而du/dt與開(kāi)關(guān)器件的動(dòng)態(tài)特性有關(guān)，可以得以?xún)?yōu)化。

IGBT的du/dt與柵極驅(qū)動(dòng)電阻，結(jié)溫和開(kāi)通電流有關(guān)，低溫小電流時(shí)du/dt更高。要降低du/dt可以用大的驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電阻，但會(huì)犧牲動(dòng)態(tài)損耗。對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)用IGBT，其動(dòng)態(tài)特性可以在du/dt=5kV/us附近優(yōu)化，使得這時(shí)的開(kāi)通損耗Eon比較小。譬如英飛凌的IGBT7。（相關(guān)內(nèi)容請(qǐng)回顧應(yīng)用指南 | IGBT7的dv/dt可控性）

總結(jié)

電機(jī)產(chǎn)生軸電流的原因有三種，我們也有很多應(yīng)對(duì)的方式。其中我們發(fā)現(xiàn)逆變器拓?fù)涞倪x擇也會(huì)影響到電機(jī)的軸電流，使用三電平逆變器拓?fù)湓诘退傧聲?huì)一定程度上降低逆變器共模電壓在軸承中發(fā)生軸電流的次數(shù)。此外我們還可以通過(guò)優(yōu)化逆變器中IGBT的du/dt來(lái)減小軸電流，從而達(dá)到延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命的目的。

原文標(biāo)題：電機(jī)軸電流與電機(jī)驅(qū)動(dòng)

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