碳化硅逆变器调速系统轴承电流研究

摘要

随着碳化硅功率器件的推广与应用，电机驱动领域即将迎来革新。高速高频碳化硅功率器件能够提升调速系统整体效率和性能，更加适应新时代节能高效的要求。但高速高频以及高dv/dt将给系统带来一系列负面效应，如电机轴承电流问题。逆变器输出高dv/dt和高频的共模电压，电机内对地寄生电容提供共模耦合路径，二者耦合产生共模电流、轴承电流，严重危害电机的安全、可靠运行。本文以7.5kW低压交流异步感应电动机为研究对象，深入探究了高速高频高dv/dt的碳化硅逆变器对电机轴承电流的影响及潜在危害。 首先，循序渐进地推导和分析逆变器调速系统共模耦合机理，提出共模激励与响应模型，从理论上严谨证明了共模电流产生原因。推导共模激励解析表达式并展开谐波分析，分析了电机内部寄生共模耦合电容及其共模耦合路径以及深沟球滚动轴承阻抗特征。基于共模激励与响应模型推导出集总参数共模耦合等效电路模型，详细分析了各类型轴承电流形成机理及其危害。 其次，研究轴承电流测量方法，提出绝缘层嵌入式安装的端盖改造方案。设计和搭建了一套7.5kW逆变器调速系统轴承电流研究测试平台。提出针对轴承电流测量结果统计与评估的量化处理方法，并分析了实际测量值与理论真实值之间的可能偏差，指出轴承电流测量值应仅为真实值的约三分之二。 最后，设计六组对比实验定性和定量研究逆变器调速系统各类因素对轴承电流的影响及其潜在危害。通过大量测试发现：接地方式对轴承电流影响有限，轴承温度和直流母线电压影响显著。随着轴承温度和直流母线电压的上升，每分钟轴承润滑油膜击穿放电次数急剧增加，呈指数级单调上升趋势。电机转速对轴承润滑油膜击穿放电行为影响较为怪异，在中速段存在陡然变化的现象。另外，研究发现高开关速度仅对共模电流和dv/dt型容性轴承电流存在负面影响，对于轴承润滑油膜击穿放电行为基本无影响。相比于高开关速度，高开关频率对共模电流和dv/dt型容性轴承电流的负面影响更为严重，但对于油膜被击穿放电现象仅存在轻微影响。在10~100kHz的测试范围内，随着开关频率增加，平均每分钟油膜击穿放电次数先单调线性上升后单调线性下降，在约60kHz时达到最大值，相比于10kHz和100kHz，分别增加了约3.4倍和1.9倍。针对以上测试结果均提出了合理的解释，但其准确性仍待进一步研究和验证。

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变量注释表

1绪论

1.1课题研究背景与意义

1.1.1 碳化硅功率器件特性、发展与应用

1.1.2 逆变器调速系统轴承电流问题

1.1.3 轴承电流的危害

1.2国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3本文研究内容

2 轴承电流产生机理的研究

2.1工频交流电源驱动下的轴承电流

2.2逆变器驱动下的“典型”轴承电流

2.2.1 共模电压的概念

2.2.2逆变器输出共模激励及其谐波分析

2.2.3 交流感应电机高频寄生共模耦合电容及其耦合模型

2.2.4 深沟球滚动轴承阻抗特征及其基本模型

2.2.5 “典型”轴承电流及其产生机理

3 碳化硅逆变器调速系统轴承电流测试平台

3.1轴承电流测量方案

（1）轴电压的测定

（2）轴承电流的测定

3.2 交流异步感应电机的改造与碳化硅逆变器的搭建

3.3待测参数及其测量结果的量化与统计

3.4 轴承电流实际测量值与原始“真实”值之间的偏差分析

4 碳化硅逆变器调速系统轴承电流测试与分析

4.1系统接地方式的影响

4.2轴承温度的影响

4.3电机转速的影响

4.4逆变器直流母线电压的影响

4.5 SiC MOSFET开关速度的影响

4.6 SiC MOSFET开关频率的影响

5 总结与展望

参考文献

作者简历

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