关注故障分析:开关瞬态如何降低电机寿命

自从引入pulse-width-modulated边缘[1]。所有逆变器都产生相对于电源地的共模电压，通过电机内部的寄生电容产生耦合电流。轴承电流的主要来源是电容耦合电流，它通过电机轴承返回到地面。

图0:轴承电流导致轴承套圈表面过早失效。

本文介绍了逆变器驱动交流电机的共模电压，并对2电平和3电平逆变器的共模电压进行了比较。利用寄生电容及其在电机内部的数学表示，讨论了共模电压、电机轴电压和轴承电流之间的关系。给出了轴电压和轴承电流的测试结果，证明了安川G7采用的3电平技术在轴电压和轴承电流方面比2电平逆变器有明显的优势，从而减少了轴承的损坏。
共模电压
在三相交流系统中，共模电压可以定义为电源地和三相负载中性点之间的电压差。如果负载是交流电机，则负载的中性点是指电机的定子中性点。为了比较不同类型的源和负载组合的共模电压特性，用数学术语定义共模电压是很重要的。
在三相交流系统中，相对地电压可以写成从相到负载中性点和负载中性点到系统地的电压之和。根据定义，共模电压是负载中性点与系统接地之间的电压。由于在平衡系统中，三相到中性点电压之和为零，因此中性点到地的电压(共模电压)可以用相到地电压定义如下图所示。

（1）

在等式1中，假设负载是平衡的，使得三相到中性点电压之和为零。如果源也被认为是平衡的和理想的，那么所有三个相对地电压之和为零。在这种理想情况下，对于由平衡三相交流源驱动的平衡交流电机，由式1，共模电压V_{n g}的值为零。然而，在逆变器驱动的交流电机的情况下，由于电压源逆变器不构成理想的平衡源，因此存在共模电压。图1显示了一个典型的2电平电压源逆变式交流电机。

图1:2电平逆变器驱动交流电机

在逆变器驱动系统中，共模电压(V_com或V_{n g})也可以定义为定子中性点两端的电压(N)和直流母线中点(米)，因为从高频的角度来看，直流母线中点(米)与电接地(G)。根据这个定义，共模电压可以重新定义为公式2所示。这个定义也适用于3电平逆变器。

（2）

在式2中，应注意源电压的命名法已由V_{a, b, c g}来V_{u, v, wm阵型}以反映的事实，现在的电源是电压源逆变器。共模电流(我_com)定义为流过输出导体的所有电流的瞬时总和。电动机电缆和电动机内部的杂散电容是这种电流的路径，也是电磁干扰噪声问题的一个来源。
2级逆变器
在2电平电压源逆变器中，6个逆变器开关有8种不同的开关状态，输出端和直流母线中点的电压(V_{密歇根大学}，V_伏特计,V_wm阵型)可以是+E/2或-E/2根据逆变器开关状态。三个输出分支可以:
1)直流母线的正极或负极均接;或
2)两支腿可连接到正轨，一支腿连接到负轨，反之亦然。
给定这些约束条件并从公式2中得出，逆变器输出中性点相对于直流母线中点的电压为E条件1为/2，电压为E条件2为/6。图2显示了开关状态和共模电压波形的示例。在一个PWM周期中，电压的变化从-E/2到-E/6构成的变化E/ 3。当水平从-变化时E/6到+E/6电压的变化又是E/ 3。由于电压的变化与直流母线电压成正比，并且频率等于逆变器载波频率，因此共模电压水平的变化是陡峭的，通常发生在数百纳秒内。

图2:2电平逆变器开关状态及对应的共模电压

由于电机绕组由具有快速上升和下降共模电压边的PWM脉冲馈电，因此由于存在各种寄生电容，包括电源线与地之间形成的电缆电容以及定子绕组与接地机架之间的其他电容，因此从每一相到地都存在漏电流。这种泄漏电流仅在共模电压阶跃变化期间流动，称为共模电流。
寄生电机电容
图3显示了交流电机中的各种寄生电容，当电机由PWM电压源逆变器驱动时，这些电容变得相关。施加在电机定子和接地框架上的高dv/dt共模电压导致脉冲电流流过图3所示的寄生电容。寄生电容如下:

图3:电机寄生电容的电气和物理模型。(a)电机寄生电容的电学表示。(b)电机寄生电容的物理位置

一个。定子对框电容（C_科幻小说）这是定子绕组和接地机架之间形成的初级电容。它可能是电机中最大的单个寄生电容。由于共模电压的高dv/dt，大多数共模电流流经这条路径。
b。定子对转子电容(C_老）这种电容在定子绕组和转子架之间形成。该电容的值相当小，但却是向电机轴物理连接的转子体充电的主要路径。因此，该电容的值在评估轴电压的大小时非常重要。
c。转子对机架电容(C_射频）:转子到机架电容完成从定子绕组开始到转子表面的充电路径。该电容的值通常约为定子绕组对转子表面电容的十倍(C_老）.由于电容两端的电压与其电容值成反比，所以施加的共模电压大部分出现在电容两端C_老只有一个很小的电压产生C_射频转子或以框架结构。这个电压称为“轴电压”。因此，转子对机架的电容对于建立轴电压是至关重要的。
d。轴对机架电容或轴承电容(C_B）当电机以或高于一定速度旋转时，电机的滚珠轴承中的球或滚子轴承中的滚子浮起来，占据轴承内外圈之间的空间。绝缘膜是由滚珠或滚子浮在其中的润滑剂介质形成的。该电容的值取决于轴的转速、所使用的润滑剂类型、轴承中滚珠或滚子的表面积、润滑剂的温度以及轴上的机械负荷。这种寄生电容是瞬态的，仅在电机旋转时形成，因此在图3中显示为可变的。该电容的值很重要，因为它的特性决定了轴承电流并决定了轴承的寿命。
图3(a)所示的电模型描述了上述所有寄生电容，图3(b)所示的寄生电容的物理存在。
电机轴电压与共模电压
图4显示了双电平逆变器的典型共模电压和轴电压。如图4所示，轴电压(VSH)与定子共模电压(Vcom)形状相同，因为如前所述，轴电压是由共模电压与图3所示的电容分压器电路共同形成的。

图4:逆变器驱动交流电机的共模电压和轴电压

VSH由式3可得。

（3)

如前所述，比率V_上海/V_com通常是1:10，因为C_射频比……大得多C_老。确切的比例取决于马达的大小。从公式3中，值得注意的是，在静止和低速时，轴承的内圈和外圈通过轴承中的球或滚子进行物理接触，导致值为无穷大C_B，导致轴电压为零。
轴承电流
共模电压及其相关dv / dt，产生轴承电流。由于存在如图3所示的各种物理路径，因此可以为产生不同类型的轴承电流分配不同的机制。如图5所示，轴承电流根据其产生机理可归纳为四种不同的电流。

图5:逆变器驱动交流电机的轴承电流路径。

容性承载电流(我₁）—共模电压高dv / dt在定子绕组中，脉冲电流通过定子绕组与转子表面之间的杂散电容流入转子(C_老）.这些电流分布在两条不同的路径上。第一路径是由转子与机架之间的电容形成的返回路径C_射频第二种路径是由轴承内圈和轴承外圈之间的电容形成的，C_B。自C_老是比平行组合小得多吗C_射频和C_B的振幅我₁与总共模电流(iSF)相比很小。然而，该电流通过轴承电容的一致流动导致润滑介质产生热量，其对轴承失效的确切影响仍在该领域的研究人员的研究中。应该指出的是，流过轴承的电流部分取决于轴上的速度和机械负荷。在低速时，轴承可以用短路来表示，导致相对较高的值我₁流过它。由于该电流流经轴承中的金属部件，因此其对绝缘膜的影响被认为可以忽略不计。
电火花加工(EDM)轴承电流我₂）-由于共模电压，电荷被储存在电容(C_射频)，穿过转子体和接地的定子机架形成。交叉电压C_射频实际上是横跨轴的电压，如图3所示。通过这个电容器的电压可以不断增加，最终达到这样一个水平，导致润滑膜的绝缘被击穿。这种电介质击穿导致电荷被储存在两端C_射频通过轴承的绝缘膜放电，从而产生所谓的电火花加工轴承电流。因为C_射频相对高于C_老的能量C_射频可能大到造成轴承损坏。如果电机轴接地或转速低到足以使滚珠轴承组件接触定子机架，则不会产生电火花电流。EDM电流不是在共模电压的每条边都流过。它流动的瞬间取决于绝缘膜什么时候经历介电击穿，这可以是任意的。
接地不良导致共模电流通过轴(我_3.）—如果电机机架接地不良，并且电机轴连接到具有低得多的接地阻抗的机械负载，则流经共模电压每边的共模电流通过电容器C_老而充电的转子结构现在找到了一种方式，通过轴流到具有较低阻抗的外部地。这正是使用外部接地刷套件接地转轴时发生的情况。电流绕过轴承，通过轴或与轴相连的负载结构安全地进入低阻抗地。
循环轴承电流(我₄）-轴电压是由于从转子一端到转子另一端的磁场不对称造成的，在长轴电机中很普遍。这种不对称在转子的长度上引起轴电压，基本上是一种电磁感应现象，与目前讨论的电容耦合现象相反。这种现象只在用于大马力应用的长轴机器中观察到，通常大于110千瓦(150马力)。[2]然而，这里应该指出的另一个区别是，感应电压的频率很低，并且取决于电动机的基本激励。循环电流沿着转子的轴线流过轴承，并在从另一个轴承端返回之前流经定子框架。这个电流在小于110千瓦的小功率交流机器中通常不显着。[3]
有一些防止交流电机轴承电流损坏的方法。它们如下:
外部无源/有源共模滤波器-共模噪声滤波器是消除系统共模噪声的一个很好的解决方案，但典型的共模噪声滤波器由磁耦合三相电感和电容组成。这些过滤器体积庞大，价格昂贵;此外，滤波器降低了效率，如果无源元件的参数调整不当，可能会引起电压振荡。
电机轴接地刷或绝缘轴承-通过在电机轴和电机机架之间连接电刷来接地电机轴是一种有效的方法，可以分流通常流过电机轴承的电流路径。然而，由于刷子的使用寿命有限，需要定期维护。绝缘轴承如陶瓷轴承也可以防止轴承电流问题，但需要更换电机中的现有轴承。
多级逆变器技术-减少共模电压的幅度和电压转换步骤可以减少轴承电流。实现这一目标的一种方法是使用多级逆变器拓扑。逆变器技术的进步使3级逆变器(即(G7 Drive)进入通用逆变器市场。[1]下一节将讨论3电平逆变器的优点。
3电平逆变器特点
图6显示了一个典型的中性点箝位3电平逆变器。为了确定三电平逆变器中的共模电压，了解三电平逆变器中的各种开关组合非常重要。与2电平逆变器相比，3电平逆变器每相有4个开关(igbt)，所有三相总共有12个开关(igbt)。根据开关信号，每个输出相电压相对于直流母线中点可以有三个不同的电平，即E/2 0和-E/ 2。因此，这种安排被称为3电平逆变器。

图6:典型的中性点箝位3电平逆变器

图7显示了3电平逆变器27种不同开关状态下的各种开关状态和共模电压波形。如图2所示，通过对比3电平逆变器和2电平逆变器的共模电压，可以清楚地看出，在2电平逆变器中，从一种状态到另一种状态的电压电平差始终为E/ 3。在3电平逆变器的情况下，电压电平一般为E/ 6。这意味着3电平逆变器的共模电压的过渡电平通常是2电平逆变器的一半。在3电平逆变器中，在高压区共模电压的幅值可以低于2电平逆变器。实际上，在较高电压(即较高转速)下，3电平逆变器的共模电压最大值和最小值仅达到E/3，如图7所示，共模电压达到E/2在图2所示的传统2电平逆变器的情况下。与2电平逆变器相比，3电平逆变器的较低过渡电平也导致较低的共模电流。这是3电平逆变器相对于传统2电平逆变器的一个重要优势。

图7:各种3电平逆变器开关状态及对应的共模电压。

轴电压的陡瞬态使电流流过轴承绝缘。这导致轴承润滑脂绝缘击穿和轴电压放电。由于3电平逆变器的共模电压变化较小，因此在轴电压和轴承电流方面，这比2电平逆变器具有显着优势。图8为2级和3级逆变器的轴电压和轴承电流对比试验结果。在这些测试中，在轴承和外壳之间插入绝缘材料，以便观察通过轴承的电流。由图8可知，图8(b)中3电平逆变器的轴承电流明显小于图8中的2电平逆变器。

图8:2级和3级逆变器的轴电压和轴承电流。

通过实际寿命试验，验证了三电平逆变器的优越性。这些测试模拟了极端条件，包括温度、油脂类型和电机速度。轴承寿命试验结果如图9所示。在正常运行期间要注意的一个关键点是，正常的轴承寿命将比这里所示的更长。图9清楚地证明，使用具有3级逆变器拓扑的G7驱动器可以显著延长轴承寿命。

图9:轴承寿命测试结果(0.75 kW, 2100 rpm)

在逆变器驱动的交流电机中，共模电压和dv / dt可能导致电机轴承过早失效。本文对2电平和3电平逆变器的共模电压进行了比较。描述了共模电压与轴电压的关系以及由共模电压引起的轴承电流机制。介绍了G7 Drive三电平逆变器拓扑结构的特点和优点，降低了轴电压和轴承电流的产生。分析和实验结果表明，G7驱动器具有较低的共模电压，从而降低了轴承电流。长期运行试验也证明了三级技术对防止电机轴承损坏是有效的。
参考文献
[1]刘志强，刘志强，“中性点箝位三电平通用逆变器的特性、性能及应用”，IEEE电力电子专家会议， pp.323 - 328, 2004。
[2]王晓明，王晓明，王晓明，“PWM逆变器对交流电机轴承电流和轴电压的影响”，IEEE亚太经合组织会议，达拉斯，德克萨斯州，1995年，光盘
[3]张志强，李志强，“变频器驱动系统轴承电流抑制技术的实验研究——以大功率异步电机为例，”IEEE国际电机与驱动会议，页1859-1865，卷3,2003。

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?您应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得您和您的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。