PWM变频供电异步电机耦合电容计算与轴电流分析

摘要

近年来，电力电子技术的飞速发展加速了变频调速技术在工业、能源领域内的发展与应用。随着电力电子器件开关频率的升高，变频调速技术也给整个电气拖动系统带来了很严重的负面影响。尤其在应用PWM变频器后，由于逆变器在电机定子绕组中产生高频的共模电压，使电机系统产生轴电压、轴电流，导致轴承被损坏，严重影响了电气拖动系统的安全性和可靠性。因此，研究PWM变频供电电机拖动系统中电容耦合参数，分析轴电压、轴电流特性，对整个系统的安全性和可靠性具有重要的意义。
　　本文首先分析了轴电流的产生机理，指出分析电机电容参数的重要意义。结合电机实际结构，采用解析法和有限元法求解了电机内部耦合电容参数，并提出了一种改进的电容计算模型。对电机内部耦合电容参数进行了测量。之后，对电机轴承参数展开分析，结合弹性变形理论和流体力学理论，研究轴承电容、电阻计算方法，并分析载荷、温度、转速对轴承电容和轴承油膜的影响。然后，对PWM变频供电电机拖动系统进行联合建模仿真，分析了轴电流流通路径，研究变频器参数和电机容量对轴电压、dv/dt电流和EDM电流的影响，为轴电压、轴电流的抑制方法提供理论依据。结合滤波器设计理论基础，针对长线电缆，设计了新型滤波器来抑制共模干扰，仿真结果证明了该滤波器设计的有效性。最后，搭建了PWM变频供电电机拖动系统实验平台，进行共模电压和轴电压的测试，实验结果证明了本文所用研究方法的正确性。

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 变频供电共模电压的分析

1．1．2 轴电流的形成机理

1．2 国内外的研究现状

1．2．1 轴电流的分析方法

1．2．2 目前分析方法的优缺点

1．3 本文的主要工作

2 异步电机耦合电容参数计算与测量

2．1 电机内部耦合电容的解析计算

2．1．1 定子绕组与机壳之间电容Cwf

2．1．2 定子绕组与转子的电容Cwf

2．1．3 转子与机壳之间的电容Crf

2．2 电机内部电容的电磁场数值计算

2．2．1 电容的电磁场数值方法

2．2．2 定子绕组实心导体模型

2．2．3 定子绕组散线模型

2．3 异步电机耦合电容的测量

2．3．1 测量原理

2．3．2 测量方法及其等效计算

2．4 本章小结

3 轴承电容和电阻的分析计算

3．1 轴承受力分析

3．2 轴承电容模型的分析

3．2．1 轴承电容结构

3．2．2 轴承弹性形变

3．3 电机不同运行状态下轴承油膜厚度的分析计算

3．4 轴承电容计算及分析

3．5 电机轴承油膜击穿时等效电阻的计算

3．6 本章小结

4 PWM变频供电电机拖动系统轴电流分析

4．1 变频器及整个系统共模电路MATLAB仿真分析

4．2 系统轴电流流通路径建模分析

4．3 PWM变频供电电机轴电流仿真分析

4．3．1 电机内部共模参数的建模分析

4．3．2 变频器的MATLAB建模分析

4．3．3 调制方式对共模电压和轴电流的影响

4．3．4 载波比对轴承电流的影响

4．3．5 在相同时间内，轴承油膜击穿次数对轴电流的影响

4．3．6 不同调制度下轴承电流的分析

4．3．7 不同容量电机轴电流的分析

4．4 本章小结

5 轴电流的抑制措施

5．1 滤波器设计综述

5．2 新型滤波器设计原理

5．2．1 新型滤波器设计综述

5．2．2 新型滤波器设计理念

5．3 滤波器仿真分析

5．4 本章小结

6 实验分析

6．1 实验平台的搭建

6．2 实验测量原理

6．2．1 共模电压的测量

6．2．2 轴电压的测量

6．2．3 电机对地电流的测量

6．2．4 共模电压同电机转速和变频器载波频率的关系

6．2．5 实验中所注意事项

6．3 实验数据与理论、仿真数据分析

6．4 本章小结

7 总结及展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

作者简历

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