变频供电交流电机轴电流的分析与测量

摘要

得益于高性能半导体开关器件和先进控制策略的迅速发展，变频技术被广泛应用于电机驱动领域中。但变频技术在提高驱动性能的同时，也产生了一些负面效应，如电机中的轴电流问题。交流电机在变频供电时，非零、高频共模电压作用于电机绕组，通过电机中杂散电容形成共模电流通路，导致产生轴电压及轴电流，引起轴承早期失效，严重危害交流电机的安全、可靠运行。对轴电流产生机理分析是提出抑制方案的依据，等效模型中参数的获取是准确预测轴电流的关键，而对轴电流进行测试是检验计算准确性和抑制方案有效性的必要手段。
　　本研究主要内容包括：⑴针对定子良好接地且转轴不接地情况下的轴电流问题进行了研究。建立了变频驱动交流电机轴电流模型，针对一台5.5kW鼠笼电机的杂散电容进行计算。搭建了变频驱动电机轴电流的MATLAB分析模型，对轴电压和轴电流进行了仿真分析。⑵针对转轴接地引起的轴电流进行了研究。建立了考虑定子、转子接地阻抗的轴电流模型，利用惠斯通桥电路理论，采用相量法推导出轴承分压比随定、转子接地阻抗变化的关系，设计实验进行了验证。理论计算和实验分析都表明，当电机定子、转轴侧均存在接地阻抗时，轴电压随阻抗变化不是单调变化，而是呈V字形变化，可以通过调节定、转子两侧接地阻抗，达到降低轴电压、轴电流的目的。⑶研究了轴承电容参数的计算和测试方法。分析了目前轴承电容计算值与实际值偏差比较大的原因，提出一种基于电磁场的轴承电容计算方法。先根据弹性流体动力润滑理论计算出轴承油膜中心厚度，根据实际轴承结构在ANSYSMaxwell中建立有限元分析模型，计算出轴承等效电容。设计实验测量轴承等效电气参数，测量结果证明了上述计算方法合理性。⑷研究了轴电流的测试方法。在分析了轴电流测量难点的基础上，对现有三种轴电流测量方案的优缺点进行了比较。本文采用在电机端盖内增加绝缘层并在轴承外圈和端盖处用引线连接的方案，实现轴电流的测量，并对测量结果进行了分析。建立轴电流测量的等效电路，推导出阶跃信号下实际轴电流与测量轴电流的瞬态解析式，计算出实际轴电流与测量轴电流峰值折算比例，表明测量方法的合理性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．1．1 变频供电感应电机轴电流产生的机理

1．1．2 变频供电交流电机中轴电流产的危害

1．2 国内外研究现状

1．2．1 轴电流的产生机理

1．2．2 轴承电容参数计算与测试

1．2．3 轴电流的测量

1．3 本文研究内容

2 共模电流通路的建模与仿真分析

2．1 变频驱动系统建模

2．1．1 变频驱动系统中的共模电压

2．1．2 电机内部杂散电容及其计算

2．1．3 变频驱动系统的共模电流通路

2．2 变频驱动系统共模电流通路仿真分析

2．3 本章小结

3 转轴接地轴电流的研究

3．1 计及定转子接地阻抗的轴电流等效电路

3．2 电机接地状况对轴电压影响的电路分析

3．3 实验验证与分析

3．4 本章小结

4 轴承电容的计算与测量

4．1 轴承特性

4．1．1 轴承的放电特性

4．1．2 轴承的电气特性

4．2 文献中轴承电容的计算

4．3 改进的轴承电容计算方法

4．3．1 轴承润滑油膜中心厚度的计算

4．3．2 基于3D有限元的轴承等效电容计算

4．4 轴承电气参数的测量

4．4．1 轴承电气参数测量方案

4．4．2 电机运行时轴承等效电容的测量

4．4．3 油膜击穿时轴承击穿电阻的测量

4．5 本章小结

5 变频驱动系统轴电流的测量

5．1 实验测量方案

5．1．1 现有的轴电流测量方法

5．1．2 实验电机的改造与轴电流、轴电压测量方案

5．2 轴电流、轴电压测量的分析

5．2．1 电机改造引起的电路模型变化

5．2．2 轴电流测量的分析

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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