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    4 軸電壓與軸承電流的仿真分析

    為進(jìn)一步討論軸承電流與PWM逆變器輸出電壓特性以及電機(jī)端有無過電壓之間的關(guān)系，本文對(duì)dv/dt電流與EDM電流兩種形式的軸承電流分別進(jìn)行仿真分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，軸承電流不僅與逆變器載波頻率有關(guān)，且與逆變器輸出脈沖電壓的上升時(shí)間有關(guān)，同時(shí)當(dāng)電機(jī)端出現(xiàn)過電壓時(shí)軸承電流明顯增加。

    先假定電纜長(zhǎng)度為零，根據(jù)軸承電流的存在形式可知，dv/dt電流主要是由輸入跳變電壓引起，因此dv/dt電流大小與逆變器載波頻率和電壓上升時(shí)間有關(guān)。逆變器載波頻率越高，一個(gè)正弦波周期內(nèi)產(chǎn)生的dv/dt電流數(shù)量也就越多，但此時(shí)電流幅值不變。脈沖電壓上升時(shí)間是影響dv/dt電流幅值的決定性因素，另外分布電容的大小也影響dv/dt電流幅值。而EDM電流產(chǎn)生的直接原因是軸電壓的存在，因此軸電壓的大小決定了EDM電流幅值，軸電壓的大小決定于輸入電壓的大小及電機(jī)內(nèi)分布電容的大小。雖然逆變器載波頻率和脈沖電壓上升時(shí)間都會(huì)影響軸電壓的形狀，但軸電壓的峰值與二者都沒有關(guān)系，因此EDM電流與二者也沒有本質(zhì)的聯(lián)系，這是EDM電流與dv/dt電流最大區(qū)別之處。當(dāng)然，EDM電流還與軸承油層的擊穿電壓有關(guān)，擊穿電壓越高，產(chǎn)生的EDM電流越大。為討論方便，假設(shè)軸承擊穿電壓大于或等于軸電壓。

    4.1 改變上升時(shí)間tr

    仿真得到不同上升時(shí)間的軸電壓與軸承電流波形如圖5所示，其中圖a)和b)為軸電壓波形，圖c)和d)為軸承電流波形，電流波形中第一次出現(xiàn)振蕩的為EDM電流，其他為dv/dt 電流。由分析可知，1）tr增大軸承電流減少，包括dv/dt電流與EDM電流。尤其是dv/dt電流幅值減小十分明顯，但tr對(duì)EDM電流的影響不大，這主要是因?yàn)镋DM電流由軸電壓以及軸承阻抗決定；2）當(dāng)tr小于一定值（約為200ns）后，dv/dt電流甚至高于EDM電流；3）改變上升時(shí)間對(duì)軸電壓的影響不大；4）特殊現(xiàn)象：軸電壓在電壓擊穿時(shí)出現(xiàn)兩次振蕩，tr不影響第一次振蕩，但影響第二次振蕩，且第二次振蕩隨著tr的上升而減少，其原因是軸承短路后定子繞組到轉(zhuǎn)子的耦合路徑依然存在，所以出現(xiàn)一個(gè)dv/dt電流振蕩。

    4.2 改變耦合參數(shù)及軸承參數(shù)

    定子繞組對(duì)轉(zhuǎn)子的耦合電容越大，軸電壓越高，dv/dt電流與EDM電流均增加；軸承電容減小，dv/dt電流減��；但EDM電流基本不變，此時(shí)軸電壓上升。其原因是：在共模電路中，軸電壓是由定子繞組對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心的電壓耦合造成的，維持這一電壓的存在靠軸承電容以及轉(zhuǎn)子對(duì)機(jī)殼耦合電容。由于后兩者并聯(lián)，再與前者串聯(lián)，因此軸電壓按電容值進(jìn)行分配，電容越大壓降越小。一般情況下，軸承電容與轉(zhuǎn)子對(duì)機(jī)殼耦合電容比定子繞組對(duì)轉(zhuǎn)子耦合電容大得多。在只改變軸承電容的情況下，軸承電容越小，整個(gè)并聯(lián)電容等效值下降，軸電壓反而上升，由于軸承上的dv/dt電流與容抗及dv/dt成正比，在dv/dt不變時(shí)，容抗減小，dv/dt電流下降。仿真結(jié)果如圖6所示。

    5 抑制辦法

    從前面的理論研究和仿真分析可以看出，電機(jī)軸承電流產(chǎn)生的一個(gè)主要原因是逆變器輸出的高頻脈沖具有過高的dv/dt前后沿，由此可知，抑制軸承電流的有效辦法就是降低逆變器輸出電壓的dv/dt。但是，逆變器本身輸出的脈沖電壓上升時(shí)間是由功率器件的開關(guān)特性決定的，因此只能在逆變器輸出端附加裝置改變其輸出電壓的dv/dt。降低逆變器輸出電壓上升沿dv/dt的一個(gè)最直接的辦法是在逆變器輸出端串上大的電抗器，即可構(gòu)成所謂的“正弦波濾波器”，逆變器輸出的脈沖電壓在經(jīng)過大電抗器后成為完全的正弦波電壓，這樣便可以消除軸電壓與軸承電流。

    但是這種辦法的代價(jià)是電抗器的功率損耗大，體積大，造價(jià)高，在普通的變頻調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用不是很合適。本文采用折中辦法，在逆變器輸出端串接電感值不大的電感以抑制電流的快速變化，同時(shí)在輸出端線間設(shè)置RC電抗以吸收輸出電壓的高次諧波，這樣可以適當(dāng)降低輸出脈沖電壓上升沿的dv/dt值，達(dá)到抑制軸承電流的目的。

    逆變輸出濾波器降低了電機(jī)輸入脈沖電壓的電壓上升率，這樣一來，電機(jī)內(nèi)分布電容的電壓耦合作用便會(huì)大大減弱，軸電壓以及由此引起的EDM電流都會(huì)下降，同時(shí)由于電壓變化率引起的dv/dt電流也會(huì)明顯減少，因此濾波器可以有效地抑制軸承電流的產(chǎn)生。圖8給出了加入濾波器（未接地）前后的電機(jī)軸承電流仿真波形，其中，逆變器載波頻率為5KHZ，脈沖電壓上升時(shí)間為200ns，電纜長(zhǎng)100m。從圖中可以看出，無論EDM電流還是dv/dt電流都明顯減少。仿真中還發(fā)現(xiàn)，將濾波器接地，無論dv/dt 電流還是EDM電流相對(duì)不接地而言均顯著減少，其原因是RC支路吸收高次諧波的作用更強(qiáng)，能夠更好地改善電壓波形。

    6 結(jié)束語(yǔ)

    高頻PWM脈沖輸入下，電機(jī)內(nèi)分布電容的電壓耦合作用構(gòu)成系統(tǒng)共�；芈�，從而引起軸電壓與軸承電流問題。軸承電流主要以三種方式存在：dv/dt電流、 EDM電流和環(huán)路電流。軸電壓的大小不僅與電機(jī)內(nèi)各部分耦合電容參數(shù)有關(guān)，且與脈沖電壓上升時(shí)間和幅值有關(guān)。本文著重討論前兩種方式的軸承電流。 dv/dt電流主要與PWM的上升時(shí)間tr有關(guān)，tr越小dv/dt電流的幅值越大。

    逆變器載波頻率越高，軸承電流中的 dv/dt電流成分越多。EDM電流出現(xiàn)存在一定的偶然性，只有當(dāng)軸承潤(rùn)滑油層被擊穿或者軸承內(nèi)部發(fā)生接觸才可能出現(xiàn)，其幅值主要取決于軸電壓的大小。以降低脈沖電壓上升率為原則，設(shè)計(jì)一種在逆變器輸出端串小電感并輔以RC吸收網(wǎng)絡(luò)達(dá)到抑制軸電壓與軸承電流的目的，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。