逆變器驅動下感應電機軸電壓的產生與預防

劉萬太，羅小麗，宋運雄

(湖南電氣職業技術學院，湖南湘潭411101)

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逆變器驅動下感應電機軸電壓的產生與預防

劉萬太，羅小麗，宋運雄

(湖南電氣職業技術學院，湖南湘潭411101)

在變頻電源供電的交流電機運行中，逆變器產生的共模電壓在耦合電容作用下會產生軸電壓和軸電流。通過分析軸電壓的產生基理及對軸承的影響，并根據軸電壓的產生基理提出了相應的預防和抑制措施。研究表明，軸電壓的預防措施，對逆變器驅動下的交流調速系統具有重要意義。

逆變器；軸電壓；耦合電容

0 引言

工頻電源驅動下感應電機的軸電流由轉軸上的交變磁鏈產生，這些交變磁鏈是由電機定轉子槽、定轉子鐵心接縫和電源不平衡等因素造成磁通不平衡而產生的。近年來，隨著變頻技術及高頻率功率元件的應用，軸電流又有了新的來源和產生機理，逆變電源中含有高次諧波分量，在電壓脈沖分量作用下，電機轉子之間將產生電磁感應，進而產生軸電壓、軸電流。變頻器驅動下的感應電機軸承發熱情況及損壞程度有上升趨勢，對此，常常忽略了軸電流而將問題指向機械配合方面。本文通過分析軸電流的產生機理，提出了軸電流的變化特征及預防措施。

1 軸電壓的產生機理

1.1 共模電壓與軸電壓

變頻電源供電系統中，軸電壓主要由電源電壓的零序分量產生，由于元器件、電路和回路阻抗的不平衡，逆變電源必然會產生零點漂移，而軸電壓正是零點漂移電壓的一部分。星形聯接的變頻感應電機共模電壓可定義

(1)

式中，Vao、Vbo、Vco—電機對地相電壓；Vcom—共模電壓即三相負載中性點對地電壓。

由式(1)可以看出，當定子繞組接三相對稱電源時，Vao+Vbo+Vco為零，共模電壓也為零，但通常情況下，三相電源是不能完全對稱的，共模電壓也就不可避免的存在。尤其對于逆變電源Vcom的大小取決于逆變器的開關狀態，而且Vcom的變化頻率與逆變器的載波頻率一致。隨著逆變器調制頻率的增加和電機零序阻抗的降低，Vcom將會產生較大的共模電流，同時軸電流也隨之增大，將大大縮減軸承壽命，破壞電機正常運行。

下面通過共模等效電路將軸電壓、軸電流的產生路徑以電路的形式表達出來。電機分布參數電路可以用集中等效電路來等效，形成軸電壓的轉子耦合部分電路。經簡化后的集總共模等效電路模型如下圖1所示。

圖1電機繞組中，Rw、Lw—電機的繞組電阻和繞組電抗；Cwf—繞組與定子機殼間的電容；Cwr、Crf—繞組與轉子間電容和定子與轉子間電容；Rb—軸承回路電阻；Cb—軸承油膜的電容；R1—軸承油膜電阻；L1—軸承油膜電抗；Usg—定子繞組對地電壓；Urg—轉子中性點對地電壓。

由共模等效電路可知，電機內共模電壓主要通過容性耦合產生軸電壓和軸電流，逆變器驅動下感應電機的軸電壓、軸電流幅值主要取決于寄生電容。根據電路模型，軸電壓可表示為

(2)

vshaft=vcomBvr

(3)

2 軸電壓的抑制

2.1 無源濾波裝置抑制軸電壓

通過對軸電壓的產生機理進行分析可知，由于變頻器的高次諧波影響，會產生高頻共模電壓作用在電機轉軸上，進而產生軸電壓和軸電流，影響軸承使用壽命。本文提出了在變頻電源的輸入端及輸出端增加高頻無源濾波電路，降低變頻電源高次諧波對軸電壓的影響，如圖2所示。

本文所提出的無源濾波電路，為了消除共模電壓Vcom的影響，插入一個共模濾波器，該濾波器由共模電感L2、電容C1、電阻R1組成。此外，在逆變器的輸出側還存在一定的差模干擾，而且在電動機與變頻器之間需要有一段相對較長的電纜線聯接，在電機終端將會產生一定的過電壓，為消除該部分電壓，在逆變器的輸出側與整流器直流母線中性點之間插入一個差模濾波器，該濾波器由三個電感和三個電容組成，它的存在能夠消除線與線之間的高頻差模電壓，而且能夠衰減電機終端的過電壓。這兩套無源濾波裝置聯合使用，將有效抑制逆變器驅動造成的共模電壓和軸電壓。

2.2 仿真結果與分析

以一臺ZB220-100變頻振動電機為例，該電機2.2kW兩極，額定電壓380V，運行頻率為3～100Hz，基準頻率50Hz。采用三相整流-逆變-無源濾波的變頻電源進行仿真測試。

由圖3、圖4仿真波形對比可以看出，該變頻振動電機在不采用無源濾波裝置運行時，軸電壓最高可達10V，通過采用兩套無源濾波裝置能有效地將軸電壓控制在2V以內，大大減小了軸電壓對電機的損害。

3 軸電壓的一般預防措施

一般情況下，變頻調速系統由于高次諧波的存在，都會產生相應的軸電壓。針對軸電壓的形成原因，在電機設計及制造工藝當中，一般采取以下幾種預防措施。

(1)靜電屏蔽法抑制軸電壓效應：在電機氣隙中添加銅箔帶，確保在電機定子和轉子之間形成連續的銅表面，并使銅箔接地，進而屏蔽定子繞組和轉子之間的靜電感應，消除兩則的耦合電容Cwr，進而阻止軸電壓的產生。

(2)電機軸的絕緣處理：在電機轉軸的前后軸承臺及軸間做絕緣處理。為了切斷轉軸與負載機械、聯軸裝置之間形成軸電流的通路，可在軸伸端與聯軸器聯接位置也做絕緣處理，如用等離子法均勻噴涂50～100μm厚的高性能耐熱陶瓷絕緣層。

(3)加裝絕緣隔板：為了防止磁通不平衡原因產生軸電壓，可在非軸伸端的軸承支架出加裝一套絕緣隔板，切斷軸電流回路。

(4)加強軸承絕緣措施：采用滾動軸承的電動機應選用絕緣軸承，對軸承內圈及表面做絕緣處理。對采用滑動軸承的電動機，可在固定軸承部位加墊環氧玻璃布板等，進出油的管道加絕緣管接頭。也可在電機前后端蓋的軸承室加套，套與端蓋間加絕緣層，固定內外蓋的螺釘加絕緣套管或絕緣墊等，這就把電機端蓋與軸電流的回路完全隔斷了。

(5)降低軸電位法：再軸端安裝接地電刷，電刷可靠接地并與轉軸緊密接觸，該方法可保證轉軸電位時刻為零，避免了軸電壓的產生。

4 結語

隨著大功率、高切換頻率功率元件的普及應用，變頻電源在轉軸上產生的軸電壓危害也越來越明顯。本文針對逆變器驅動下感應電機軸電壓的產生基理及預防進行了系統的分析，并根據軸電壓的成因，相應地提出了一系列預防及抑制方法。經過驗證，證實了這些預防措施對逆變器驅動下的交流調速系統具有重要的參考價值。

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Cause and Prevention for Shaft Voltage of Induction Motor Driven by Inverter

LiuWantai,LuoXiaoli,andSongYunxiong

(Hunan Electrical college of Technology, Xiangtan 411101, China)

When AC motor powered by variable-frequency power supply is running, common-mode voltage produced by inverter will case shaft voltage and shaft current under effect of coupling capacitance. By analyzing cause of the shaft voltage and its influence on bearing, relative prevention and restraining measures are proposed. The research shows that prevention measure of shaft voltage is significant for AC adjustable-speed system driven by inverter.

Inverter；shaft voltage；coupling capacitance

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.05.08

TM301.2

B

1008-7281(2016)05-0027-003

劉萬太 男 1981年生；碩士研究生，講師，研究方向為特種電機的設計.

2015-04-11