轴承系统的黑客轴电流之变频电机轴电流

随着变频技术的发展,变频电机现在越来越多的被应用。当电动机由变频器供电时,除了具有工频电机磁通不对称的原因造成的轴电流可能,还带来一个新的轴承电流源,就是所谓的变频器共模电压。

与工频时的性能不同,在高频时,电容会起非常大的作用,共模电流的幅值会取决于共模电路的阻抗;虽然最终共模电流都会流向变频器的中心点,但是共模电流会有三个流过轴承的路径。在详细说明这三种电流路径之前,我们先了解什么是共模电压?为什么会有共模电压?共模电压为什么不是零?

共模电压

变频器中使用的电源转换半导体装置大多是IGBT,IGBT用于产生脉宽调制(PWM)输出矩形脉冲电压,通过一系列等幅不等宽的脉冲电压来等效为正弦交流电。

PWM技术供电电压不像真正的直流电压或正弦交流电压,PWM电压中除了要求的直流电压或正弦交流基波电压以外还含有丰富的谐波,其中电压的变化率很大,即du/dt很大。

共模电压(CommonModeVoltage,CMV)是负载的中性点对参考点电位的电压,是电机中三相绕组所共有的成分。其大小为:

Vcmv=(Vu+Vv+Vw)/3

Vcmv为共模电压;Vu,Vv和Vw为电机各相绕组的相电压。

传统三相对称交流电源供电电机系统,三相电压之和为0,即中性电压为零,系统中不存在共模电压。

PWM变频供电电机系统,上面说到实际输出的是矩形脉冲电压,Vu,Vv和Vw在任意时刻下都不对称,无论采用什么PWM策略,共模电压都存在,即Vcm不会为零,见图1。

图1:三相电压矢量和不为零导致的共模电压

高频放电电流

如果定子铁芯和机座都很好的接地,存在轴承径向间隙的由电容耦合产生的电压称为轴承电压,也称为“容性电压”,“映射/镜像电压”。源头是PWM控制产生的共模电压,经过层层寄生电容进行分压,最终按照一定的比例分到轴承两端(这个比例被称为“轴压比”)。我们都知道,滚动轴承的高速运行是在薄薄的润滑油膜上的,油膜将滚动体和轴承内外圈隔开,相当于一个绝缘层。在高频时,润滑油膜在轴承中就相当于轴承电容。逆变器输出共模电压的高du/dt就会在电机寄生电容和轴承电容中引发高频充放电电流。通常这种容性充放电电流的幅值很小,并无实际电荷穿越油膜绝缘层,只要油膜良好,这种共模轴电流是无害的。上述容性充放电电流对轴承不会产生危害,但伴随着这种充放电的过程,会在滚子与轴承内外圈之间的油膜两端引起充电电压,当充电电压超过油膜击穿电压值,电容储存的能量就会通过轴承释放,引发EDM电流(同时产生放电火花),进而损害轴承。高频放电电流共模电压引起的EDM电流的路径:从轴--轴承--机壳,最后至接地点。注意:不能用仅对一个轴承绝缘的方案来抑制放电电流

高频循环电流

除了容性电压以外,变频电机中还有高频感应电压。

共模电压产生高频共模电流,会进而激发出沿电机周向高频环路磁通,而周向高频交变的磁通会感应出差模轴电压,当轴电压足够大时,同样会击穿油膜形成高频环路电流。此环路电流与定子的不对称无关,而与电流流经绕组和铁心之间的电容有关,因为电容会将同一匝线圈的两边产生不同的电流,如果整个绕组的净安匝数不为零,根据安培定律,将产生环路磁通。

安匝是磁动势的单位,等于线圈匝数与线圈通过的电流的乘积,安匝数越大,产生的磁场越强。

高频循环电流

高频循环轴电流路径:

轴--轴承--机壳--另一端轴承所形成的回路,因此高频环路电流属于差模轴电流。

高频接地电流

如第三部分高频放电电流章节,电机产生的高频共模电流会流向机壳,就是前面提到的容性充放电电流,如果电机机壳(电机定子)接地不良或没有充分接地时,同时轴与地之间阻抗远小于机壳的接地阻抗,且电动机和负载设备通过导电联轴器连接时,就会出现转轴接地电流。

高频接地电流路径

高频接地电流路径:

电流会通过机壳、电机轴承(尤其是驱动端轴承)、轴、导电联轴器,负载接地,最后回到变频器。

其它轴电流:

外部电源接入:大型电机附带元件或系统比较多,由其它系统带入的电流也有非常大的可能,如果接入到了电机轴,也会产生轴电压。

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