CN109698658A - 变频驱动系统中抑制电动机转子接地轴电流的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种PWM变频驱动系统中抑制电动机转子接地轴电流的方法和装置。所述方法包括：步骤1，建立PWM变频驱动系统的电动机转子接地轴电流等效电路；步骤2，将轴电压等于零作为约束条件，确定所述PWM变频驱动系统的电动机内部杂散电容与定子侧、转子侧接地阻抗间的关系；步骤3，依据所述PWM变频驱动系统的电动机内部杂散电容与定子侧、转子侧接地阻抗间的关系，根据接地阻抗类型，在定、转子一侧接地阻抗已知的前提下，计算满足最小轴电压的另一侧接地阻抗值。

Description

变频驱动系统中抑制电动机转子接地轴电流的方法和装置

技术领域

本发明涉及电机领域，尤其涉及一种PWM变频驱动系统中抑制电动机转子接地轴电流的方法和装置。

背景技术

随着高性能半导体开关器件的使用和先进的控制策略使得PWM变频技术在电机驱动方面体现出巨大的优势。但是，在PWM变频系统带来巨大经济效益的同时，也产生了不良影响，如轴承的电腐蚀问题。

变频供电系统输出的共模电压作用于电机绕组，通过电机杂散电容形成共模电流通路，在轴承内外圈之间感应出轴电压。当轴电压超过润滑油膜阈值电压，将产生击穿放电现象。放电产生的短路电流会在短时间产生巨大的热量，造成击穿点附近金属熔化，导致电机轴承运行状况会越来越差，进而缩短轴承寿命，长期的轴电流会危害电机的可靠运行。衡量轴电流危害的一个指标是轴电压的大小。

转子接地轴电流是轴电流的一种。在PWM变频系统中，电机、变频器等需经过接地线接地，而在轴电流问题中经过接地线的入地电流频率可达几十千赫，甚至几兆赫，高频时接地阻抗不可忽略。另一方面，电机转轴也存在通过负载接地的情况，如牵引电机的转轴通过齿轮箱、轴箱轴承接车轮接地，电机通过联轴节与负载相连，经负载外壳接地，或者转轴安装测速装置再接地，或通过电刷接地等。此时电机通过上述设备形成一个高频dv/dt电流的放电通路，通路中齿轮箱、联轴节或者测速装置等可以等效成转轴接地阻抗。电机定子侧机壳接地阻抗和转子侧转轴接地阻抗的存在会影响轴电压的分配。

现有技术中分析了定子机壳接地阻抗与转子接地阻抗对轴电压的影响。建立了考虑定、转子两侧接地时的轴电流等效电路模型，得出轴承分压比随接地阻抗变化的三维图形，并利用实验验证了轴电压与阻抗关系曲线的正确性。

但是，现有技术具有以下缺陷：

1、没有给出满足轴电压最小条件下，根据一侧接地阻抗来确定另一侧接地阻抗的方法；

2、接地阻抗仅考虑到电阻与电感的串联情况，因此，技术方案的应用范围较局限；

3、通过试探法来获得合适的接地阻抗，在实际应用中操作性不强。

发明内容

本发明的实施例提供了一种PWM变频驱动系统中抑制电动机转子接地轴电流的方法和装置，增强了可操作性。

一方面，提供一种PWM变频驱动系统中抑制电动机转子接地轴电流的方法，包括：

步骤1，建立PWM变频驱动系统的电动机转子接地轴电流等效电路；

步骤2，将轴电压为零作为约束条件，确定所述PWM变频系统的电动机内定子侧与转子侧接地阻抗间的关系的类型；

步骤3，依据所述PWM变频驱动系统的电动机内部杂散电容与定子侧、转子侧接地阻抗间的关系，根据接地阻抗间类型，在定、转子一侧接地阻抗已知的前提下，计算满足最小轴电压的另一侧接地阻抗值。

所述接地阻抗类型具体为：

当所述定子侧与转子侧接地阻抗均为电阻与电感的串联时，所述PWM变频驱动系统的电动机内定子侧与转子侧接地阻抗的类型为：阻感性接地阻抗；

当所述定子侧与转子侧接地阻抗均为电阻与电容的并联时，所述PWM驱动变频系统的电动机内定子侧与转子侧接地阻抗的类型为：阻容性接地阻抗；

当所述定子侧与转子侧均为纯电阻接地时，所述PWM变频驱动系统的电动机内定子侧与转子侧接地阻抗间的关系的类型为：纯阻性接地阻抗。

当所述PWM变频驱动系统的电动机内定子侧与转子侧接地阻抗间的关系的类型为：阻感性接地阻抗时，所述步骤3具体为：

在定子侧接地电阻R_fg、接地电感L_fg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，调整转子侧接地电阻R_rg和接地电感L_rg，调整方法如下：

其中，C_wf为电动机定子绕组与定子机壳间耦合电容，C_wr为电动机定子绕组与转子间耦合电容。

在转子侧接地电阻R_rg和接地电感L_rg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，调整定子侧接地电阻R_fg、接地电感L_fg，其确定方法如下：

当所述PWM变频驱动系统的电动机内定子侧与转子侧接地阻抗间的关系的类型为：阻容性接地阻抗时，所述步骤3具体为：

在定子侧接地电阻R_fg、接地电容C_fg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，调整转子侧接地电阻R_rg和接地电容C_rg，调整方法如下：

在转子侧接地电阻R_rg和接地电容C_rg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，调整定子侧接地电阻R_fg、接地电容C_fg，调整方法如下：

当所述PWM变频驱动系统的电动机内定子侧与转子侧接地阻抗间的关系的类型为：纯阻性时接地阻抗时，所述步骤3具体为：

在定子侧接地电阻R_fg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，调整转子侧接地电阻R_rg，调整方法如下：

在转子侧接地电阻R_rg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，调整定子侧接地电阻R_fg，调整方法如下：

确定所述耦合电容C_wf、C_wr的步骤包括：

根据电动机结构参数，通过解析计算，获得所述耦合电容C_wf、C_wr；或

建立电动机有限元分析模型，计算所述耦合电容C_wf、C_wr；或

对电动机进行改造，使得转轴与定子机壳绝缘，利用LCR测试仪测量定子绕组与机壳、定子绕组与转轴、转轴与机壳三个端口的输入电容，根据等效电路求出耦合电容C_wf、C_wr。

一种PWM变频驱动系统中抑制变频电动机转子接地轴电流的装置，包括：

建立模块，建立PWM变频驱动系统的电动机转子接地轴电流等效电路；

确定模块，将轴电压等于零作为约束条件，确定所述PWM变频驱动系统的电动机内部杂散电容与定子侧、转子侧接地阻抗间的关系；

计算模块，根据接地阻抗间类型，计算满足最小轴电压的另一侧接地阻抗值。

本发明根据惠斯通电路平衡条件，给出了转子接地阻抗与定子接地阻抗之间的关系。考虑了三种类型的接地阻抗，推导出相应的转子接地阻抗与定子接地阻抗之间的关系，提高了适用性；利用各接地阻抗类型下的转子接地阻抗与定子接地阻抗间的关系，提出固定定子侧或转子侧接地阻抗，匹配出相应的另一侧接地阻抗，增强了可操作性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的一种PWM变频驱动系统中抑制电动机转子接地轴电流的方法的示意图；

图2为本发明所述的一种PWM变频驱动系统中抑制电动机转子接地轴电流的方法；

图3为本发明实施例的变频电动机转子接地轴电流等效电路；

图4为本发明实施例的重新排列后电路图；

图5为本发明实施例的阻感性接地阻抗时转子接地轴电流等效电路图；

图6为本发明实施例的阻容性接地阻抗时转子接地轴电流等效电路图；

图7为本发明实施例的纯电阻接地时的转子接地轴电流等效电路图；

图8为本发明所述的一种PWM变频驱动系统中抑制电动机转子接地轴电流的装置的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

首先，进行术语解释：

共模电压V_com：定义为三相相电压的算术平均值，V_com＝(V_u+V_v+V_w)/3，其中V_u、V_v和V_w为电机三相电压。电机由变频器供电时，输出电压为一系列矩形脉冲，导致共模电压不为零；

轴电压V_b：轴电压有两种定义，一种为转轴与机壳之间的电压差，即轴承内外滚道之间的电压，另一种为轴的两端之间的电压差，本文中为第一种；

轴承分压比：轴电压与共模电压的比值；

轴电流：当轴承内外滚道间的电压大于轴承油膜能承受的阈值电压时，轴承润滑油膜被击穿，击穿瞬间产生轴承击穿电流，简称轴电流；

转子接地轴电流：轴电流的一种。当电机转轴经低阻抗通路接地，由于定子接地阻抗压降和转子接地阻抗压降不等而产生的轴电流，为共模电流的一部分。

如图1，为本发明所述的一种PWM变频驱动系统中抑制电动机转子接地轴电流的方法，包括：

步骤1，建立PWM变频驱动系统的电动机转子接地轴电流等效电路；

步骤2，将轴电压等于零作为约束条件，确定所述PWM变频驱动系统的电动机内部杂散电容与定子侧、转子侧接地阻抗间的关系；

步骤3，依据所述PWM变频驱动系统的电动机内部杂散电容与定子侧、转子侧接地阻抗间的关系，根据接地阻抗的类型，计算满足最小轴电压的另一侧接地阻抗值。

所述接地阻抗类型具体为：

当所述定子侧与转子侧接地阻抗均为电阻与电感的串联时，所述PWM变频驱动系统的电动机内定子侧与转子侧接地阻抗的类型为：阻感性接地阻抗；

当所述定子侧与转子侧接地阻抗均为电阻与电容的并联时，所述PWM变频驱动系统的电动机内定子侧与转子侧接地阻抗的类型为：阻容性接地阻抗；

当所述定子侧与转子侧均为纯电阻接地时，所述PWM变频驱动系统的电动机内定子侧与转子侧接地阻抗间的关系的类型为：纯阻性接地阻抗。

当所述PWM变频驱动系统的电动机内定子侧与转子侧接地阻抗间的关系的类型为：阻感性接地阻抗时，所述步骤3具体为：

A1，在定子侧接地电阻R_fg、接地电感L_fg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，调整转子侧接地电阻R_rg和接地电感L_rg，调整方法如下：

其中，C_wf为电动机定子绕组与定子机壳间耦合电容，C_wr为电动机定子绕组与转子间耦合电容。

A2，在转子侧接地电阻R_rg和接地电感L_rg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，调整定子侧接地电阻R_fg、接地电感L_fg，其确定方法如下：

当所述PWM变频驱动系统的电动机内定子侧与转子侧接地阻抗间的关系的类型为：阻容性接地阻抗时，所述步骤3具体为：

B1，在定子侧接地电阻R_fg、接地电容C_fg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，调整转子侧接地电阻R_rg和接地电容C_rg，调整方法如下：

B2，在转子侧接地电阻R_rg和接地电容C_rg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，调整定子侧接地电阻R_fg、接地电容C_fg，调整方法如下：

当所述PWM变频驱动系统的电动机内定子侧与转子侧接地阻抗间的关系的类型为：纯阻性接地阻抗时，所述步骤3具体为：

C1，在定子侧接地电阻R_fg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，调整转子侧接地电阻R_rg，调整方法如下：

C2，在转子侧接地电阻R_rg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，调整定子侧接地电阻R_fg，调整方法如下：

确定所述耦合电容C_wf、C_wr的步骤包括：

根据电动机结构参数，通过解析计算，获得所述耦合电容C_wf、C_wr；或

建立电动机有限元分析模型，计算所述耦合电容C_wf、C_wr；或

对电动机进行改造，使得转轴与定子机壳绝缘，利用LCR测试仪测量定子绕组与机壳、定子绕组与转轴、转轴与机壳三个端口的输入电容，根据等效电路求出耦合电容C_wf、C_wr。

以下描述本发明的具体实施例。如图2所示，本发明具体的操作步骤如下：

第一步，建立转子接地轴电流等效电路，等效电路如图3所示，图3为转子接地轴电流等效电路。图3中，C_wf为电动机定子绕组与定子机壳间耦合电容，C_wr为电动机定子绕组与转子间耦合电容，C_rf为定子铁芯与转子间耦合电容，C_b为轴承油膜的等效电容，R_b为轴承油膜击穿后的等效电阻，Z_fg代表电动机机壳接地线等效的机壳接地阻抗，Z_rg代表转轴通过负载如齿轮等接地回路等效的转轴接地阻抗。

第二步，将轴电压等于零为约束条件，确定电动机内杂散电容与两侧接地阻抗间关系。

假设转轴处驱动端与非驱动端的轴承等效电容相同，并将图2中的电路图重新排列，可得到图4的电路图：图4为重新排列后电路图。

图4是一个典型的惠斯通桥电路。C_wf、C_wr、Z_fg、Z_rg分别对应四个桥臂，当满足f与r两点的电位相等的条件时，轴电压为零，也就抑制了轴电流。满足轴电压为0条件的定子、转子接地阻抗关系称为平衡关系，即：

式中：Z_wf为定子绕组对机壳的杂散电抗、Z_wr为定子绕组对转子的杂散电抗；

分别为定子绕组对机壳的杂散电抗Z_wf、转轴接地电抗Z_rg、定子绕组对转子的杂散电抗Z_wr、定子机壳接地电抗Z_wg的阻抗角。

第三步，依据接地阻抗类型，给出满足最小轴电压下接地阻抗值的选取方法。

本发明主要考虑：阻感性接地阻抗，即：定子侧与转子侧接地阻抗均为电阻与电感的串联；阻容性接地阻抗，即：定子侧与转子侧接地阻抗均为电阻与电容的并联；纯阻性，即：定子侧与转子侧均为纯电阻接地。

在电动机内部参数(C_wf、C_wr)为已知的前提下，通过公式1，建立不同类型的接地阻抗(阻感性、阻容性、纯阻性)的匹配关系。

A定子侧与转子侧接地阻抗均阻感性

设接地阻抗为电阻与电感的串联，其电路图如图6所示，为阻感性接地阻抗时转子接地轴电流等效电路图。

由公式1，可推导出定子接地阻抗与转子接地阻抗之间的数学关系。

选择接地阻抗值的方法：

A1，在定子侧接地电阻R_fg、接地电感L_fg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，可调整转子侧接地电阻R_rg和接地电感L_rg，其确定方法如下：

A2，在转子侧接地电阻R_rg和接地电感L_rg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，可调整定子侧接地电阻R_fg、接地电感L_fg，其确定方法如下：

B，定子侧与转子侧接地阻抗均为阻容性

设接地阻抗为电阻与电容的并联，其电路图如图6所示，为阻容性接地阻抗时转子接地轴电流等效电路图。

由公式1，可推导出定子接地阻抗与转子接地阻抗之间的数学关系。

选择接地阻抗值的方法：

B1，在定子侧接地电阻R_fg、接地电容C_fg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，可调整转子侧接地电阻R_rg和接地电容C_rg，其确定方法如下：

B2，在转子侧接地电阻R_rg和接地电容C_rg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，可调整定子侧接地电阻R_fg、接地电容C_fg，其确定方法如下：

C定子侧与转子侧均为纯电阻接地

其电路图如图7所示，为纯电阻接地时的转子接地轴电流等效电路图。

由公式1，可推导出定子接地阻抗与转子接地阻抗之间的数学关系。

选择接地阻抗值的方法包括：

C1，在定子侧接地电阻R_fg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，可调整转子侧接地电阻R_rg，确定方法如下：

C2，在转子侧接地电阻R_rg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，可调整定子侧接地电阻R_fg，其确定方法如下：

其中，耦合电容C_wf、C_wr可通过三种方法确定：

1)根据电动机结构参数，可通过解析计算获得电动机耦合电容；

2)建立电动机有限元分析模型，计算各部分间的杂散电容；

3)对电动机进行改造，使得转轴与定子机壳绝缘，利用LCR测试仪测量定子绕组与机壳、定子绕组与转轴、转轴与机壳三个端口的输入电容，根据等效电路求出耦合电容C_wf、C_wr。接地阻抗中的参数可通过LCR测试仪测量得到。

如图8所示，为本发明所述的一种PWM变频驱动系统中抑制电动机转子接地轴电流的装置，包括：

建立模块81，建立PWM变频驱动系统的电动机转子接地轴电流等效电路；

确定模块82，以轴电压为零作为约束条件，确定所述PWM变频驱动系统的电动机内部杂散电容与定子侧、转子侧接地阻抗间的关系；

计算模块83，根据所述接地阻抗的类型，在定、转子一侧接地阻抗已知的前提下，计算满足最小轴电压的另一侧接地阻抗值。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供一中抑制变频电动机转子接地轴电流的方法，根据变频驱动交流电动机转子接地轴电流的产生机理，寻找出使得轴电压最小的转子侧接地阻抗和定子侧接地阻抗间需满足的关系。当已知电动机定子侧或转子侧的接地阻抗数值，能够确定另一侧的接地阻抗，使得轴电压最小，理想情况下轴电压为零。同时，使得转子接地轴电流降低，从而减小转子接地轴电流对轴承的损坏，提高轴承的使用寿命。

也就是说，本发明通过建立转子接地轴电流等效电路，利用轴电压随定子机壳接地阻抗和转子接地阻抗变化的规律，在已知定子侧或转子侧接地阻抗条件下，找到与其匹配的另一侧接地阻抗，使轴电压最小，达到抑制转子接地轴电流，提高轴承使用寿命的目的。

本发明给出了在三种接地阻抗类型(阻感性、阻容性、纯阻性)下，在满足轴电压为0条件的转子接地阻抗与定子接地阻抗之间的数学关系，如公式2、公式5和公式8所示。本发明分别给出在三种接地阻抗类型下，已知一侧的接地阻抗，确定的另一侧接地阻抗的方法，如公式3、公式4、公式6、公式7、公式9和公式10所示。

本发明充分考虑变频电动机定子侧与转子侧接地情况对轴电压的影响，通过改变电动机定子侧与转子侧的阻抗对轴电压进行抑制。

本发明根据惠斯通电路平衡条件，给出了转子接地阻抗与定子接地阻抗之间的关系。考虑了三种类型的接地阻抗，推导出相应的转子接地阻抗与定子接地阻抗之间的关系，提高了适用性；利用各接地阻抗类型下的转子接地阻抗与定子接地阻抗间的关系，提出固定定子侧或转子侧接地阻抗，匹配出相应的另一侧接地阻抗，增强了可操作性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种PWM变频驱动系统中抑制电动机转子接地轴电流的方法，其特征在于，包括：

步骤1，建立PWM变频驱动系统的电动机转子接地轴电流等效电路；

步骤2，将轴电压等于零作为约束条件，确定所述PWM变频驱动系统的电动机内部杂散电容与定子侧、转子侧接地阻抗间的关系；

步骤3，依据所述PWM变频驱动系统的电动机内部杂散电容与定子侧、转子侧接地阻抗间的关系，根据接地阻抗类型，在定子、转子一侧接地阻抗已知的前提下，计算满足最小轴电压的另一侧接地阻抗值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接地阻抗类型具体为：

当所述定子侧与转子侧接地阻抗均为电阻与电感的串联时，所述PWM变频驱动系统的电动机内定子侧与转子侧接地阻抗的类型为：阻感性接地阻抗；

当所述定子侧与转子侧接地阻抗均为电阻与电容的并联时，所述PWM变频驱动系统的电动机内定子侧与转子侧接地阻抗的类型为：阻容性接地阻抗；

当所述定子侧与转子侧均为纯电阻接地时，所述PWM变频驱动系统的电动机内定子侧与转子侧接地阻抗的类型为：纯阻性接地阻抗。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，

当所述PWM变频驱动系统的电动机内定子侧与转子侧接地阻抗的类型为：阻感性接地阻抗时，所述步骤3具体为：

在定子侧接地电阻R_fg、接地电感L_fg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，调整转子侧接地电阻R_rg和接地电感L_rg，调整方法如下：

在转子侧接地电阻R_rg和接地电感L_rg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，调整定子侧接地电阻R_fg、接地电感L_fg，其确定方法如下：

其中，C_wf为电机定子绕组与定子机壳间耦合电容，C_wr为电机电动机定子绕组与转子间耦合电容。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，当所述PWM变频驱动系统的电动机内定子侧与转子侧接地阻抗的类型为：阻容性接地阻抗时，所述步骤3具体为：

在定子侧接地电阻R_fg、接地电容C_fg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，调整转子侧接地电阻R_rg和接地电容C_rg，调整方法如下：

在转子侧接地电阻R_rg和接地电容C_rg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，调整定子侧接地电阻R_fg、接地电容C_fg，调整方法如下：

其中，C_wf为电机定子绕组与定子机壳间耦合电容，C_wr为电机电动机定子绕组与转子间耦合电容。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述PWM变频驱动系统的电动机内定子侧与转子侧接地阻抗的类型为：纯阻性接地阻抗时，所述步骤3具体为：

在定子侧接地电阻R_fg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，调整转子侧接地电阻R_rg，调整方法如下：

在转子侧接地电阻R_rg为已知且不可变动时，为使轴电压为最小，调整定子侧接地电阻R_fg，调整方法如下：

其中，C_wf为电机定子绕组与定子机壳间耦合电容，C_wr为电机电动机定子绕组与转子间耦合电容。。

6.根据权利要求3、4、或5所述的方法，其特征在于，确定所述耦合电容C_wf、C_wr的步骤包括：

根据电动机结构参数，通过解析计算，获得所述耦合电容C_wf、C_wr；或

建立电动机有限元分析模型，计算所述耦合电容C_wf、C_wr；或

对电动机进行改造，使得转轴与定子机壳绝缘，利用LCR测试仪测量定子绕组与机壳、定子绕组与转轴、转轴与机壳三个端口的输入电容，根据等效电路求出耦合电容C_wf、C_wr。

7.一种PWM变频驱动系统中抑制电动机转子接地轴电流的装置，其特征在于，包括：

建立模块，建立PWM变频驱动系统的电动机转子接地轴电流等效电路；

确定模块，将轴电压等于零作为约束条件，确定所述PWM变频驱动系统的电动机内部杂散电容与定子侧、转子侧接地阻抗间的关系；

计算模块，根据接地阻抗类型，在定、转子一侧接地阻抗已知的前提下，计算满足最小轴电压的另一侧接地阻抗值。