1、各種PW M 控制方式下的電機(jī)共模電壓比較研究摘 要:研究了不同PWM控制方式下電機(jī)共模電壓、軸電壓和軸承電流的產(chǎn)生機(jī)理建立了脈寬調(diào)制逆變器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共模回路的等效電路并由此得到軸電壓的計(jì)算公式.為研究不同PWM控制方式對(duì)電機(jī)共模電壓的影響建立了電機(jī)共模電壓仿真模型比較了在三種PWM控制方式下電機(jī)共模電壓的仿真波形通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的對(duì)比分析得到了在SPWM控制方式下電機(jī)共模電壓最小的結(jié)論為逆變器采用哪種控制方式會(huì)有最小的軸電壓和軸承電流提供了一定依據(jù).關(guān)鍵詞:共模電壓;軸電壓;軸承電流;SPWM;CRS_PWM;SVPWM;逆變器.在正弦波電源驅(qū)動(dòng)下電機(jī)軸承電壓和軸承電流的問(wèn)題早在1924 年就已

2、經(jīng)被人所認(rèn)識(shí) 1 .近年來(lái)以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為功率器件的脈寬調(diào)制(PWM)逆變器作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源時(shí)電機(jī)軸承電壓和軸承電流問(wèn)題更加嚴(yán)重且其產(chǎn)生機(jī)理與正弦波電源驅(qū)動(dòng)時(shí)完全不同.研究表明 1_8 由于電機(jī)軸承的損壞而導(dǎo)致的電機(jī)損壞占損壞總數(shù)的40 % 而有25 % 的電機(jī)軸承損壞是由于PWM 逆變器的dv /dt 引起的而且這一數(shù)字正隨著IGBT 等高性能器件的廣泛使用而以驚人的速度增加.此外具有高載波頻率( f 12 kHz)的IGBT 逆變器導(dǎo)致電機(jī)軸承比低載波頻率的逆變器驅(qū)動(dòng)時(shí)損壞更快 3 .目前PWM技術(shù)的發(fā)展主要集中在4 個(gè)方面: 如何提高逆變器直流側(cè)電壓利用率;在輸出基波電壓

3、不變前提下如何盡可能消除諧波; 改善控制性能;改變諧波頻譜分布以降低電機(jī)機(jī)械振動(dòng)噪聲.收稿日期:2 00 5-0 1-11基金項(xiàng)目:鐵道部專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(J9 9Z0 73 )作者簡(jiǎn)介:劉建強(qiáng)( 19 8 1 ) 男江蘇江都人博士生.email :dqliujq master03 .bjtu .edu .cn鄭瓊林( 19 6 4 ) 男浙江金華人教授博士生導(dǎo)師.第29 卷第5 期2 005 年1 0 月北 京 交 通 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITYVol .29 No .5Oct . 200 5但是對(duì)于如何降低電機(jī)軸電壓和軸承電流

4、的研究目前就PWM技術(shù)方面并沒(méi)有很大的發(fā)展.為了比較不同的PWM控制方式對(duì)電壓型逆變器供電的電機(jī)共模電壓、軸電壓和軸承電流的影響本文作者建立了SPWM、CRS_PWM(關(guān)聯(lián)指令分區(qū)脈寬調(diào)制)、SVPWM控制方式下的電機(jī)共模電壓仿真模型通過(guò)仿真得到了在這三種控制方式下的共模電壓波形并根據(jù)傅里葉分析結(jié)果計(jì)算了共模電壓有效值的大小.仿真結(jié)果表明采用SPWM控制方式可以有效減小共模電壓、軸電壓和軸承電流.1 產(chǎn)生機(jī)理分析1 .1 共模電壓研究認(rèn)為 4 旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸電壓的來(lái)源有3 個(gè)方面:電磁感應(yīng);內(nèi)部源的靜電耦合;外部源的靜電耦合.PWM逆變器對(duì)電機(jī)軸承的影響屬于外部源的靜電耦合.通常電機(jī)由正弦波電源驅(qū)

5、動(dòng)時(shí)人們一般重視磁路不平衡的影響但在逆變器供電的電機(jī)中軸電壓主要由電壓不平衡即電源電壓的零序分量產(chǎn)生.由于連接線路、元器件和回路阻抗的不平衡電源將不可避免的產(chǎn)生零點(diǎn)漂移該電壓將在系統(tǒng)中產(chǎn)生零序電流軸承則是電機(jī)零序回路的一部分.圖1 為逆變器與電機(jī)連接圖圖中va、vb、vc 分別為逆變器輸出三相相電壓;ia、ib、ic 分別為電機(jī)三相相電流;vn 為共模電壓.圖1 PWM 逆變器供電主電路Fig .1 PWM inverse_fedmajor circuit由電路分析可知:va + vb + vc - 3 vn =Rm + Lmdd t ( )( ia + ib + ic) (1)對(duì)星形連接有:

6、ia + ib + ic = 0 其共模電壓可以表示為vn =va + vb + vc3(2)當(dāng)交流電機(jī)在三相對(duì)稱(chēng)的正弦電壓下運(yùn)行時(shí)共模電壓為零;由于實(shí)際的三相電壓均有一定程度的不對(duì)稱(chēng)所以共模電壓一般不為零.在PWM逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)假設(shè)三相完全對(duì)稱(chēng)共模電壓也不為零這是由逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的本質(zhì)特性所決定的.在這種情況下vn 的值取決于逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)而且vn 的變化周期與逆變器載波頻率一致.由于逆變器的輸出電壓受到6 個(gè)開(kāi)關(guān)從(000)到(111) 8 種開(kāi)關(guān)狀態(tài)的限制因此共模電壓的取值有以下的4 種情況vn = Vsvn = - Vs/3vn = Vs/3vn = - Vs 狀態(tài)(111)狀態(tài)(0

7、01 010 100)狀態(tài)(011 101 110)狀態(tài)(000)(3)1 .2 軸電壓事實(shí)上vn 只是共模電壓的一種表現(xiàn)形式由于靜電耦合電機(jī)各部分間存在著大小不等的分布電容因此構(gòu)成電機(jī)的零序回路根據(jù)傳輸線理論一個(gè)分布參數(shù)電路可以用等效的具有相同輸入輸出關(guān)系的集總參數(shù)網(wǎng)絡(luò)模型代替.因此電機(jī)分布參數(shù)電路可以用集總參數(shù)電路來(lái)等效形成軸電壓的繞組_轉(zhuǎn)子耦合部分電路 2 7 .經(jīng)簡(jiǎn)化等效后的單相電路模型如圖2 所示圖中Vsg為共模電壓耦合成的定子中點(diǎn)對(duì)地電壓;Z1 為電源中點(diǎn)對(duì)地電抗;Z2為旁路阻抗表示驅(qū)動(dòng)回路中的共模電抗線圈、線路電抗器和長(zhǎng)電纜等;R0 和L0 為定子的零序電阻和電感;Csf、Csr

8、、Crf分別為電機(jī)定子對(duì)地、定子對(duì)轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子對(duì)地電容;Rb 為軸承回路電阻;Cb 和R1 為軸承油膜的電容和非線性阻抗;Vsng和Vrg 分別為定子繞組與轉(zhuǎn)子中性點(diǎn)對(duì)地電壓.圖2 電機(jī)內(nèi)共?；芈返刃щ娐稦ig .2 The equivalent common_code circuitof motor interior根據(jù)圖2 所示的電路可以得到定子和轉(zhuǎn)子對(duì)地電壓方程如下Vsng =VsgZ11Z2+1R0 + jXL0 + Zsg ( )+ 1ZsgR0 + jXL0 + Zsg(4)Vrg =Vsng ZrgZrg - jXCsr(5)99第5 期 劉建強(qiáng)等:各種PWM控制方式下的電機(jī)共模電

9、壓比較研究Zsg =- jXCsf( - jXCsr+ Zrg )- jXCsf- jXCsr+ Zrg(6)Zrg = Rb +- jXCb R1- jXCb+ R1(7)Zrg =- jXCsf ZrgZrg - jXCsf(8)1 .3 軸承電流為了分析軸承電流的產(chǎn)生機(jī)理對(duì)電機(jī)軸承的結(jié)構(gòu)必須要有一定的了解.電機(jī)軸承的滾道由內(nèi)滾道與外滾道組成 5 7 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)軸承中的滾珠被潤(rùn)滑油層包圍由于潤(rùn)滑油的絕緣作用軸承滾道與滾珠之間形成電容.這兩個(gè)電容在轉(zhuǎn)子_定子回路中以串聯(lián)形式存在(不考慮滾珠的阻抗) 可以等效成一個(gè)電容Cb i( i 代表軸承中的的第i 個(gè)滾珠) .對(duì)整個(gè)軸承而言各個(gè)滾珠與滾道

10、之間的電容以并聯(lián)形式存在整個(gè)軸承內(nèi)可以等效成一個(gè)電容Cb .對(duì)軸承的研究表明軸承可用一個(gè)帶有內(nèi)部電感和電阻的開(kāi)關(guān)來(lái)等效.當(dāng)滾珠未與滾道接觸時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)轉(zhuǎn)子電壓建立;當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合轉(zhuǎn)子電壓迅速放電在軸承內(nèi)形成較大放電電流.由此可將定子繞組與轉(zhuǎn)子的耦合等效電路簡(jiǎn)化成圖3 所示電路 2 3 圖3中L、R和C為輸入電容電壓耦合到轉(zhuǎn)子軸的等效集中參數(shù);Cg 為Crf和Cb 并聯(lián)后的等效電容.圖3 軸電壓耦合等效電路Fig .3 Coupled equivalent circuitof the bearing voltage當(dāng)軸承滾珠和滾道接觸或者軸承內(nèi)油層被擊穿時(shí)Cb 不存在此時(shí)Cg 僅代表轉(zhuǎn)子軸對(duì)機(jī)殼的耦合

11、電容.電容Cb 是一個(gè)多變量的函數(shù) 3 .軸承電容Cb 與定子到轉(zhuǎn)子耦合電容Csr 比定子到機(jī)殼耦合電容Csf和轉(zhuǎn)子到機(jī)殼耦合電容Crf小得多 3 因此耦合到電機(jī)軸承上的電壓不至于過(guò)大.這是因?yàn)镃rf與Cb 并聯(lián)后的電容比耦合回路中與之串聯(lián)的Csr大得多而串聯(lián)電容回路中電容越大承受的電壓越小事實(shí)上根據(jù)分布電容的特點(diǎn)很大一部分共模電流是通過(guò)定子繞組與鐵心之間的耦合電容Csf傳到大地去的因此軸承電流只是共模電流的一部分.軸承電流可分為三部分: 是EDM電流由于軸承電容的存在電機(jī)軸上產(chǎn)生軸電壓Vrg 當(dāng)軸電壓超過(guò)軸承油層的擊穿電壓時(shí)軸承內(nèi)外滾道相當(dāng)于短路從而在軸承上形成很大的放電電流即所謂的電火花加

12、工(Electric DischargeMachining EDM)電流 7 .此外當(dāng)電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)如果滾珠和滾道之間有接觸同樣會(huì)在軸承上形成較大的EDM電流.是dv/dt 電流由于分布電容的存在定子繞組和軸承形成一個(gè)電壓耦合回路當(dāng)繞組輸入電壓為高頻PWM脈沖電壓時(shí)在這個(gè)耦合回路中將產(chǎn)生dv/dt 電流這個(gè)電流一部分經(jīng)Crf 流到大地另一部分經(jīng)軸承電容Cb 流到大地形成所謂的dv/dt軸承電流其大小與輸入電壓以及電機(jī)內(nèi)分布參數(shù)有關(guān).是環(huán)路電流如圖4 所示為環(huán)路電流的通路由于流入和流出繞組的電流不相等有一部分電流流入寄生電容中形成所謂的“非平衡電流”因此存在一個(gè)有凈電流的高斯面從而會(huì)產(chǎn)生一個(gè)凈的磁

13、通.該磁通在環(huán)路中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)最終引起一個(gè)脈動(dòng)的環(huán)路電流 6 環(huán)路電流峰值約為0 .50 .75 A.其中前兩種電流又被稱(chēng)為非環(huán)路電流非環(huán)路電流的通路為:從逆變器端經(jīng)繞組到轉(zhuǎn)子通過(guò)軸承至定子外殼流入大地.圖4 環(huán)路電流的通路Fig .4 The access of circle current為了定量軸承電流對(duì)軸承的影響軸承內(nèi)的電流密度十分關(guān)鍵.建立電流密度需估計(jì)滾珠與滾道內(nèi)表面的點(diǎn)接觸區(qū)域.根據(jù)赫茲點(diǎn)接觸理論(Hertzian point contact theory) 軸承電氣壽命 2 為E( t) = 7 867 20410- 2 . 1 7 (9)式中表示軸承電流密度.一般而言dv/dt

14、 電流對(duì)軸承壽命影響很小環(huán)路電流對(duì)軸承壽命的影響也不大而EDM 電流產(chǎn)生的軸承電流密度很大使得軸承壽命大大降低.此外空載時(shí)軸承損壞程度反而比重載時(shí)大得多這是因?yàn)橹剌d時(shí)軸承接觸面積增大無(wú)形中減小了軸承電流密度.100北 京 交 通 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 第29 卷(a)SPWM控制方式(b)CRS_PWM 控制方式 (c)SVPWM 控制方式圖6 三種不同PWM 控制方式下電機(jī)共模電壓比FFT 分析Fig .6 The FFT analysis of common_mode voltage in three different kinds of PWM controlmethods2 電機(jī)共模電壓建模

15、仿真根據(jù)上面對(duì)電機(jī)共模電壓、軸電壓和軸承電流產(chǎn)生機(jī)理的分析可知電機(jī)軸承壽命直接與電機(jī)軸承電流有關(guān).而電機(jī)軸承電流的三個(gè)組成部分:EDM電流、dv/dt 電流和環(huán)路電流產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè):一是共模電壓的產(chǎn)生;二是電機(jī)內(nèi)分布電容的存在.對(duì)于電機(jī)內(nèi)分布電容的大小來(lái)說(shuō)它主要與電機(jī)參數(shù)有關(guān);而對(duì)共模電壓來(lái)說(shuō)它與很多因素和運(yùn)行條件有關(guān)如與電纜的長(zhǎng)度、變頻器的構(gòu)成工藝、系統(tǒng)是否接地、脈沖觸發(fā)方式、電源引線長(zhǎng)短、設(shè)備安放形式及接地點(diǎn)之間的大地導(dǎo)電特性等有關(guān).電機(jī)軸承的壽命與軸承電流有關(guān)而軸承電流又與共模電壓有關(guān)因此電機(jī)共模電壓的大小直接反映了電機(jī)軸承壽命的長(zhǎng)短因而對(duì)電機(jī)共模電壓的研究就十分必要.不同的PWM

16、 控制方式對(duì)電機(jī)共模電壓的影響究竟如何到目前為止很少有文獻(xiàn)對(duì)此做出研究.針對(duì)這一問(wèn)題本文作者就目前所廣泛運(yùn)用的三種PWM控制方式(SPWM、CRS_PWM、SVPWM)進(jìn)行了建模仿真.2 .1 SPWM 控制方式下共模電壓建模分析如圖5 所示為SPWM控制方式下電機(jī)共模電壓仿真模型.電機(jī)模型采用星形聯(lián)接所測(cè)共模電壓即為中性點(diǎn)對(duì)地電壓.逆變器的控制方式采用SPWM控制SPWM 調(diào)制深度為0 .8 載波比為20 SPWM控制方式為雙極式SPWM控制模式為自然采樣法.如圖6(a)所示為電機(jī)共模電壓的FFT 分析結(jié)果.圖5 SPWM 控制方式下電機(jī)共模電壓仿真模型Fig .5 The simulate

17、d mode of common_modevoltage in SPWM controlmethod2 .2 CRS_PWM 控制方式下共模電壓建模分析CRS_PWM 9 控制方式下電機(jī)共模電壓仿真模型與SPWM控制方式下仿真模型相似不同之處就在于脈沖發(fā)生器模塊.CRS_PWM 是一種以線電壓為直接控制手段的新型PWM 技術(shù)是屬于一種新型控制思路的脈寬調(diào)制技術(shù).仿真模型中CRS_PWM 調(diào)制深度為1 載波比為18 .如圖6(b)所示為電機(jī)共模電壓的FFT 分析結(jié)果.2 .3 SVPWM 控制方式下共模電壓建模分析SVPWM控制方式下電機(jī)共模電壓仿真模型與SPWM控制方式下仿真模型相似主要還是脈

18、沖發(fā)生器模塊不同.仿真中采用7 段式SVPWM控制算法構(gòu)建了脈沖發(fā)生器模塊在SVPWM控制算法中同時(shí)引入了過(guò)調(diào)制環(huán)節(jié)輸出脈沖可以由輸入直流電壓和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié).如圖6(c)所示為電機(jī)共模電壓FFT 分析結(jié)果.2 .4 三種模式的仿真結(jié)果比較比較圖6(a)、(b)、(c) 中SPWM、CRS_PWM 和SVPWM這三者的共模電壓波形可以看出這三者的差別.通過(guò)FFT 分析可知SPWM控制時(shí)共模電101第5 期 劉建強(qiáng)等:各種PWM控制方式下的電機(jī)共模電壓比較研究壓基波分量為0 .673 2 VTHD(TotalHarmonicDistortion)值為605 .24 % ;CRS_PWM控制時(shí)共模電壓基波分量為2 .126 V THD 值為13 242 .2 % ;SVPWM控制時(shí)共模電壓基波分量為0 .650 4 V THD值為7 935 .10 % .由傅里葉分析結(jié)果可以看出3 種控制方法中在SPWM控制方式下電機(jī)的共模電壓基波分量較小且諧波含量最小.在SVPWM控制方式下電機(jī)的共模電壓基波分量相比而言最小但是諧波含量比較大.根據(jù)頻譜分析可以定量的計(jì)