基于电磁屏蔽法变频电机轴承电流抑制研究-白保东.pdf

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1、2016年4月第3l卷第7期电工技术学报TRANSACTl0NS 0F CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETYV0131 No7Apr 2016基于电磁屏蔽 法变 频电机轴承电流抑制研究白保东 王 禹 陈志雪 王晓川(沈阳工业大学现代电工装备理论与共性技术重点实验室沈阳工业大学教育部特种电机与高压电器省部共建重点实验室 沈阳 110870)摘要 针对两种轴承电流抑制措施进行了效能分析，一种为在电机内安装电磁屏蔽槽楔，另一种为在电机轴端安装轴承电流短路环。回顾了电磁屏蔽槽楔的工作原理，通过有限元法计算了电磁屏蔽槽楔对高频电磁场的屏蔽效能；介绍了轴承电流短路环的工作原理。最后

2、以一台3 kW、4极变频电机为研究对象，搭建了实验平台，分别测量了两种轴承电流抑制措施下电机轴承电流，通过实验测量分析了两种轴承电流抑制方法的效能。关键词：轴承电压 轴承电流 电磁屏蔽 抑制效能中图分类号：TM34Inllibition of Bearing Currents in Frequency Variable MotorBased on Electromagnetic Shielding眈i Boodo昭 耽昭地 饥e凡劢如雠 眈凡g刚noc危凡(Theory and Common Teehnologies of Modem E1ectrical Equipments Key Lab

3、 Special ElectricMachines and High Voltage Apparatus Key Lab National Education Ministry and Liaoning ProvinceShenyang UniVersity of Technolog)r Shenyang 11 0870 China)Abstract Two methods to suppIess the bearing current，ie the electI0magnetic shield slot wedge withinthe maehine and the bea“ng eurre

4、nt short circuit ring，are analyzed The theory of lhe electromagnetic shield slotwedge is reviewed And the element finite model is established to eValuate the shield eflectiveness for highfrequency electmmagnetic fieldThe theory of the bearing current short circuit ring is introduced Finally，theexper

5、imental platfo咖is set up to eValuate the shield e“ectiveness The test motor is a 3 k19矿4一pole Variablefrequency motorThe bearingcurrents of the motor with the electmmagnetic shield slot wedge and the bearingcuHent short circuit ring are measured respectively According to t11e experiment results， the

6、 suppressionefkctiveness is evaluatedKeywords： Bearing voltage，bearing cuents，electmmagnetic shielding，suppression efkctiVeness0 引言随着电力电子技术的迅猛发展，变频驱动技术应用越来越广泛，大大提高了系统的自动化程度，然nljPwM变频器会在电机端输出共模电压，通过容性耦合进而产生轴承电流，大幅增加了轴承损坏几率1。研究表明，由于轴承损坏而导致的电机故障占总故障国家自然科学基金资助项目(51577122)。收稿日期2015旬913 改稿日期2叭5一12旬3数量的40，

7、而有25的电机轴承损坏是由于逆变器的轴承电流引起的”。从图1中可观察到放电轴承电流在电机轴承表面发生了电蚀甚至刻槽现象。目前轴承电流现象在风力发电、高速铁路以及矿用电机等领域造成了较大的安全隐患及经济损失。绝缘轴承是工程中较为常见的轴承电流抑制方法，该方法虽然能够在一定程度上抑制轴承电流，但其实质是将轴承电流转嫁到负载上，这样会引起更加难以估计的电磁损伤。国内的轴承电流抑制研究则集万方数据34 电工技术学报 2叭6年4月中在削弱共模电压上。文献6：利用多电平技术降低共模电压；文献7，8采用“改进型特定谐波消除脉宽调制技术”，有选择性地消除了变频器输出的共模电压，这种通过改变控制策略来减小共模电

8、压的方法在一定程度上降低了轴承电压。近几年，国外不断提出新的抑制轴承电流的方法。文献9提出了一种有效的电磁耗散法(Static charge Dissipation)来抑制EDM电流；文献10提出在电机气隙间插入法拉第屏，从而使共模电压通过由金属箔形成的旁路电容短路以抑制轴承电流，这种方法可大幅度减小轴承电流，但在空间极小的气隙中安装金属箔工艺极为复杂，很难应用到实际生产实践中。辱函蠢赢斜翩孵蝴p-_、J-1图1 轴承表面开槽和电蚀Fig1 Gmoving and electrical erosion of bearing surface文献11提出了一种电磁屏蔽槽楔用来抑制放电轴承电流，本文

9、将通过有限元法分别分析这种电磁屏蔽槽楔对轴承电流的抑制效能，给出轴承电流短路环抑制轴承电流的方法，并通过实验分别对两种轴承电流抑制措施进行了分析。1轴承电流的产生机理在现代的变频调速系统中，IGBT位于核心位置，并被广泛应用不可替代。而共模电压就是由载波控制IGBT开关所产生的三相电压之和，因此，无论是sPwM还是SVPwM控制方式，其共模电压必然存在【78j，其表达式为1u。，。=(u。+uI，+u。) (1)J这种高频共模电压会激发电机内部的寄生电容，与电机定子、转子及轴承形成回路，而流经轴承的电流就是轴承电流。如图2所示，根据轴承电流的产生机理，轴承电流可分为dd轴承电流、环路轴承电流及

10、EDM放电轴承电流三类。高频共模电压首先会流经绕组转子轴承大地形成回路，一旦不断积累的电压达到这一阈值，轴承润滑脂膜就会被击穿，瞬间产生很大的放电电流，即放电轴承电流；当共模电压通过电机内杂散电容泄漏耦合到定子叠片，就会在电机内部产生高频共模电流和高频磁通，进而在转轴上感应出高频端到端轴电压。以这种高频轴电压为电压源，经转轴、轴承和定子机座形成环路闭环，产生了环路轴承电流；高频共模电压脉冲dd的一部分通过电机定子绕组、绕组对转子的寄生电容、轴承电容以及机壳形成回路，从而在轴承上形成这种dd轴承电流。dd轴承电流很小，基本可忽略不计。在功率等级较小的电机中，环路轴承电流一般幅值较小，可以忽略，而

11、EDM轴承电流较大，该轴承电流击穿油膜的可能性很大，所以轴承电流密度大9 1，因此本文主要研究放电轴承电流的抑制方法。变频器端共模电压脉冲电机绕组中的共模电压电机端共模电压含较高dvdf的共模电压产生的共模电流彗I麦粼犏黼垂轴承电压超过油膜的最大耐压时，会产生放电轴承电流(EDM)高频共模电流感应高频共模磁通，在转轴两端感应电压(轴电压)流过轴承的高频共模电流就是驯df轴承电流感应的高频轴电压，通过定子机壳一非驱动端轴承转轴驱动端形成回路，产生的电流就是环路轴承电流图2轴承电流分类Fig2 Classi6cation of the bearing current2电磁屏蔽槽楔21 电磁屏蔽槽楔

12、工作原理文献11给出了电磁屏蔽槽楔的工作原理，电机中寄生电容耦合所导致的轴承电流现象可通过共模等效电路描述。该共模等效电路模型将共模电压作为激励源，通过电路形式理论上较为完整地描述了轴电压、轴承电流的路径以及与杂散电容间的相互关系。图3a为电机理想共模等效电路模型，图中c。，为绕组与定子机壳间电容；C。为绕组和转子间电容；C。为转子和机壳间电容；R。为轴承和油膜等效阻抗；C。为等效轴承油膜电容；u一为绕组中性点对机壳的电压，一般认为是共模电压；为转子对机壳的电压，一般认为是轴承电压；ii比分别为驱动端和非驱动端轴承电流；、尺。、cM、C幢分别为驱动端和非驱动端万方数据第31卷第7期 白保东等基

13、于电磁屏蔽法变频电机轴承电流抑制研究 35轴承电阻、电容，当轴承油膜两端电压超过阈值电压时，轴承油膜击穿，在等效回路中等效为压控开关S、S：，将转轴与轴承室绝缘，并用导线连接轴承外圈与机壳，即可模拟轴承实际工作状态，又可进行轴承电流测量。(a)电机理想共模等效电路L ，J f之 曜F计前(c)实际屏蔽后的共模等效电路图3共模等效电路模型F培3 Common mode equivalent circuit从集总参数共模等效电路模型中可详细看出电机内共模电压产生轴电压和轴承电流主要通过容性耦合。变频驱动系统在电机中产生的轴电压和轴承电流主要取决于各寄生电容。根据集总参数模型，如图3a所示，轴承电压

14、可表示为ru一2 u。r鬲 (2)一wr H但当在电机定子采用具有电磁屏蔽的铜槽楔时，共模等效电路模型如图3b所示，插入铜槽楔并接地后，显然会改变C。，等于重新构造了新的电容C。和C。屏蔽槽楔对地的电压为u。，这时，方程(2)可变为所以。，蕊毒品瓦啦u。去(3)(4)u。以，矗亳警琵 显然，如果屏蔽槽楔接地，由式(3)可知，U。和u。就强制为零，高频共模电流直接由绕组流经电容C。，和C。进入机壳，形成回路，而不流经转子和轴承，从而使轴承电流近似为零，引起EDM放电轴承电流的电容C。充电过程将会被有效抑制。但考虑到绕组端部对转子的电容，其等效电路如图3c所示，电容C：，为绕组端部对转子的电容，这

15、时，式(2)可变为 =石彘6)22 电磁屏蔽槽楔结构设计从另一个角度看，电场屏蔽相当于在电场中插入高导电率材料，并良好接地以隔断两个电路之间的分布电容耦合，达到屏蔽作用。因此在电机槽内插入铜槽楔作为电磁屏蔽层并良好接地，可隔断绕组对转子的寄生电容。定义：如图4所示，当共模电压达到01口时记为。，共模电压达到09”时记为。共模电压局部周期为f，共模电压局部频率为。厶=1f， (7)根据图4，t，计算方法为，=：一。 (8)此外，考虑到工程上定义的透人深度d，即1厂可一扯寺2孟 9)式中，为电磁波角频率；肛为屏蔽层磁导率；7为屏蔽层电导率。图4共模电压频率定义Fig4 Definition of

16、the common mode voltage根据式(7)式(9)可得共模电压局部频率为02 MHz，对于铜质屏蔽槽楔，透入深度为0147 mm，而共模电压的整体频率为2 kHz，透入深度为15 mm，因此屏蔽槽楔厚度设计为15 mm，安装位置如图5所示，可有效屏蔽掉2 kHz02 MHz的电磁波，同时不影响电机主磁场，所以，电磁屏蔽槽楔可在不影响电机正常工作的情况下有效屏蔽高频电磁场。万方数据电工技术学报 2016年4月图5 坼蔽惜楔。奠装ft置爪意矧技佯机l_1ig5 111sla】aIiln IH_ili111 of、JIiPllP(1_h)t、I(IgP23高频电磁场仿真与分析为进一步

17、验证电磁屏蔽槽楔的屏蔽效果，本文采用有限元法对电机槽的电场和磁场进行了仿真。如图6所示，其中图6a和图6b左图为未安装屏蔽槽楔的仿真结果，右图为插入电磁屏蔽槽楔后的仿真结果。通过槽电位移矢量场对比可看到，由于电磁屏蔽槽楔的作用，从二者槽磁场对比来看，磁场在屏蔽层中有一定的衰减变化，从87103降低到1044103数量级；从二者槽高频电流密度对比，屏蔽后高频电流不再与转子耦合，转子表面电流密度明显下降，电流密度主要集中在屏蔽槽楔中，由于屏蔽槽楔接地，高频电流便不会在原来的轴承电流回路中流通。但值得注意的是，由于高频电流趋肤效应的影响，屏蔽层中的位移电流分布不均，导致电磁场分布比较散乱。H，(氏I

18、ml(a)屏蔽槽楔插入前后的磁场强度对比图(pm2)筵燃(b)屏蔽槽楔插入前后的巳流密度对比图图6 IU机槽在200 kHz叫+磁场强度和电流密度Fig6 I)ist乩utjoll ofIlle 111agllP哺mld i11Iensity afl(1 culllen(1ensity i11 111e 1110t()r slof ac 200 kHz24实验测量本文以一台安装了屏蔽槽楔的3 kw4极变频感应电机为实验对象搭建实验平台，图7为实验现场图。为了验证提出的电磁屏蔽等效电路模型和轴承电流的抑制效果，实验重点测量和关注了轴承电压和轴承电流，并加以分析。轴承电压和轴承电流的测量方法参考文

19、献1214。罔7实验现场Fi昏7 Actual expement platf0珊应用阻抗分析仪对共模等效电路中的电容进行测量，测量方法参考文献1316，表1给出了安装屏蔽槽楔后被测电机寄生电容参数，并通过式(2)式(6)计算得到屏蔽前后电机轴电压。利用图7所示实验平台对被试电机的轴承电压、轴承电流及共模电压等参数进行测量。表2给出了屏蔽前后的轴承电压值，轴承电压计算值与测量值均说明电机安装屏蔽槽楔后电机轴承电压有了较大幅度下降。表l 安装屏蔽槽楔后电机寄生电容参数7I、ab1 Parasitic capacitance parameIer of shielding motor参数 数值 参数

20、数值C。rnF 22 C讦pF 463C。rpF 133 CBpF 180c：rpF 34 C。rpF 123表2轴承电压对比分析Tab2 Comparison of shaft voltage图8a和图8b分别为电磁屏蔽前后电机轴承电压和轴承电流共模电压波形，通过对比，屏蔽前轴承电压幅值为114 V，屏蔽后轴承电压幅值降低为22 V，电磁屏蔽槽楔有效降低了轴承电压幅值。屏蔽前轴承电流最大值为220 mA，屏蔽后轴承电流最大值下降为23 mA，轴承电流下降了895。图8a中的电流脉冲则为EDM轴承电流，电磁屏蔽后，轴承电流很小，从图8b中可观察到密集的脉冲电流，这些电流可理解为dd轴承电流。川

21、川罔一44443O34444OOO00OO0OO+eCeeeeeCee405665044O5665O4、，一鎏、11川川愚I万方数据第3l卷第7期 白保东等基于电磁屏蔽法变频电机轴承电流抑制研究 373O至 15墓 。暴一15r时间ms(a)电磁屏蔽前24 3 6”UmsU 12 2 4 j6州问7nls(b)电磁W蔽后图8实验结果F培8 Experiment results由于实验测得的轴承电流具有随机性及高频性，因此，实验采取随机观测的方法。首先将示波器观测时间调为10 ms，确保测量域足够广；然后随机观测记录了80个最大的轴承电流峰峰值；需要注意的是，观测一定要均匀，确保实验结果的正确分

22、布。通过图9a和图9b的对比，可看到屏蔽前的轴承电流基本上分布在215 mA左右，屏蔽后则为10 mA，因此屏蔽后的轴承电流基本上就不会对轴承造成损伤。散点序号(a)电磁屏蔽前最大轴承电流散点统计图= O 0991 980001 O002时间s(a)未安装短路环 【 【 l ir I l O001 O0020问sO0067运 O世”O 0067l一0 0，OOl O002时Ms(b)安装矩路叫；图13转速为l 470 rmin时的测量结果ng13 Measurement result at 1 470 rmin4结论针对本文所使用实验电机，基于电磁屏蔽原理的屏蔽槽楔电机的轴承电流抑制效能达90

23、左右，轴承电压的抑制效能达807，特别对中型或大型电机，经过优化后，效果会较大幅度提高；这种方法不改变电机的电磁计算程序，与其他方法相比，还具有安装方便、结实耐用、能够适应复杂恶劣的工况的优势。电磁屏蔽槽楔会带来额外的涡流损耗，由于电磁屏蔽槽楔接地，该损耗对电机的影响远小于轴承电流对电机性能及稳定性的影响。采用特殊处理过多层的铜叠片槽楔，可大大减小电磁屏蔽槽楔的损耗。轴承电流短路环安装简便，可有效抑制放电轴承电流及环路轴承电流，但该种轴承电流抑制方法会受到电机内部空间以及外部工作环境等因素的制约，而且需要定期维护。两种轴承电流抑制措施均具有较高的抑制效能，可根据实际情况进行选取。参考文献1 c

24、hen s，Lipo T A，Fitzgerald D Source of inductionmotor bearing currents caused by PwM invertersJIEEE Transactions on Energy Conversion， 1996， l 1(1)：25322 程启明，程尹曼，王映斐，等交流电机控制策略的发展综述J电力系统保护与控制，2015，39(9)： 145154che“g Qiming，cheng Yiman，wang Yingfei，et a10verview of control strategies for AC motorJ Powe

25、rSystem Protection and Control，2015，39(9)：1451543 丁奇，严东超，曹启蒙三相电压型PwM整流器控制系统设计方法的研究J电力系统保护与控制，2009，37(23)：84-99Ding Qi， Yan Dongchao， cao Qimeng Research ondesign method of contml system for threephase voltagesource PwM recti6er f J Power System Protection andControl，2009，37(23)：8499万方数据第31卷第7期 白保东等基

26、于电磁屏蔽法变频电机轴承电流抑制研究 394 郭清滔，吴田小电流接地系统故障选线方法综述J电力系统保护与控制，20lo，38(2)：146152Guo Qin殍ao， wu Tian sun，ey ofthe methods to selectfault hne in neutral point ineffectively grounded powersystemJ Power System Protection and Contml，2010，38(2)：146一1525 Mohammed O A，Rosales A，sarikhani A Evaluationof mdiated elec

27、tromagnetic field intellerence due tofkquency switching in PWM motor drives by 3D finiteelementsJ IEEE Transactions on Magnetics，20l 1，47(5)：147414776 姜艳姝，刘宇，徐殿国，等PwM变频器输出共模电压及其抑制技术的研究J中国电机工程学报，2005，25(9)：47-53Jiang Yanshu， Liu Yu， Xu Dianguo， et a1 Researchon ccommonmode voltage generated by a PWM

28、inverterand its cancellation techn0109yJPmcee出ngs of theCSEE，2005，25(9)：47537 钟玉林，赵争鸣改进式sHEPwM对三电平变频器系统的共模电压和轴电压的抑制作用J电工技术学报，2009，24(6)：48-55Zhong Yulin， Zhao Zhengming Common mode voltageand shaft voltage suppression on a three level NPCinverter system 印plying improved sHEPwMJTransaetions of China

29、Electrolechnical Society， 2009，24(6)：48-558 钟玉林，赵争鸣，袁立强逆变器驱动电机的共模电压和轴电压的抑制J清华大学学报(自然科学版)，2009，49(1)：2528Zhong Yulin， Zhao Zhengming， Yuan LiqiangSuppression of commonmode and shaft Voltages ininverterdriven induction motorJ Joumal of TsinghuaUniversity(Science and TechnoIogy)，2009，49(1)：2528。9 Muetz

30、e A， 0h w H Application of static chargedissipation to mitigate electric discharge be撕ngcu兀entsJIEEE Transactio【1s on Industry Applications，2008，44(1)：13514310 Busse D F，Erdman J M，Kerkman R J，et a1 Anevaluation of the eleetmstatic shielded induction motor： asolution fbr rotor shaft voltage build up

31、 and bearing cuITentJ IEEE Transactions on Industry Applications，1997，33(6)：1563157011 Bai Baodong，wang Yu， wang xiaochuan suppressionfor discharging be撕ng cunent in variablefrequencymotors based on electmmagnetic shield slot wedgeJIEEE Transactions on Magnetics，2015，5l(6)：1_41213141516白保东，刘威峰，王禹，等P

32、wM驱动感应电机轴电压轴承电流J电工技术学报，2013，28(增2)：434440Bai Baodong， Liu Weifeng， Wang Yu，et a1 Researchon shaft voltage and bearing cunent of induction motordriven bv PWM inverteJ Transactions of ChinaElectmtechnical Society，2013，28(s2)：434440王禹，白保东，刘威峰，等分布参数共模等效电路关键参数确定及轴承电流计算J电工技术学报，2014，29(增1)：124131Wang Yu， B

33、ai Baodong， Liu Weifeng， et a1Dete肌ina“on of key pammeters in distribution paIameterscommon mode equivalenl circuit and calculation of thebe面ng cun蜘tsJTraJlsactions of china Electmtech血calSociety，2014，29(S1)：124131王禹，白保东，刘威峰，等频域寄生电容法变频电机Hertz轴承电流密度计算J电工技术学报，2叭5，30(2)：189一195Wang Yu，Bai Baodong，Liu W

34、eifeng，et a1 Hertzbearing cuITent density calculation of v“able ftequencydriven motors by frequency domain parasitic capacitancemethodJ Transactions of China ElectrotechnicalSociety，2015，30(2)：189195刘瑞芳，陈嘉壶，马喜平基于PwM逆变器供电轴电流问题的交流电机耦合电容的计算与测量J电工技术学报，2014，29(1)：60_67Liu Ruifang，Chen Jiayao，Ma Xiping Me

35、asurement ofcoupling capacitances in AC motors based on bearingcurrents problem induced by PwM inVenersJTransactions of China Electrotechnical Society， 2014，29(1)：6067刘瑞芳，娄卓夫，马喜平电机轴电流问题中轴承等效电容和电阻的计算模型J中国电机工程学报，2014，34(15)：18Liu Ruifang，I田u Zhuofu，Ma Xiping Modeling ofbearing capacitance and resistance in motor bearingcu玎ent problemsJPmceedings ofthe csEE，2014，34(15)：18作者简介白保东男，1955年生，教授，博士生导师，研究方向为特种电机及其控制和大型电力变压器直流偏磁。Email-baibdsuteducn王禹男，1987年生，博士研究生，研究方向为永磁电机控制和电机运行中的电磁兼容。Email：electricalwangyu163com(通信作者)万方数据