估计轴电压和共模电压PWM逆变器三相感应电动机

R.K.Dhatrak¹,Dr.D.M.Deshpande²和Dr.R.K.Nema²

研究学者,部门电气工程MANIT,印度博帕尔
教授,系电气工程MANIT,印度博帕尔

文摘

现代逆变器拓扑的应用程序允许高动态操作变速驱动器的节省能源。然而快速切换频率和高dv / dt介绍缺点像共模电压和轴电压导致轴承电流。轴承的润滑膜充当一个电容器,指控由于共模电压的转换。这种电容器提供充电机制建立转子轴电压。如果这个轴电压超过阈值的电影发生导致电流峰值。这种电击穿的电影会导致机械损伤轴承。寄生耦合模型在一个广泛的频率是用来评价轴电压和共模电压。本文轴电压和逆变器共模电压和两个和三个水平评估和比较。这个电路模型可以用来评估2和3级逆变器对轴电压的影响,并使用MATLAB仿真软件共模电压。本文为作者提供了格式化指令准备论文发表在《国际日报》。 The authors must follow the instructions given in the document for the papers to be published. You can use this document as both an instruction set and as a template into which you can type your own text.

关键字

轴承电流、共模电压,逆变器和轴电压

介绍

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轴承电流和轴电压自1924年以来已确定[1]。的主要原因是汽车内流量分布不对称导致一个感应电压在转子轴[2]- [4]。在低频率,发生此错误的机会非常少。前1980年,它被认为轴承电流的问题主要是由于电磁感应。它成为一个突出的问题在最近开发的半导体器件的应用推动[5]。

使用半导体设备迅速增加的1990年之后。现代高速开关器件给出了一个非常动态操作变速驱动器。这也节省了系统的能量。由于应用这些设备开关时间变得非常少这产生了很高的dv / dt。同时产生了:

1)地面电流杂散电容

2)开展和辐射EMI

3)轴承电流和轴电压

轴承的电流线操作电机没有逆变器称为古典轴承电流。当前已经调查了1924年由阿尔杰。所有旋转机器是否交流或直流遭受这个问题。这些旋转机器有三个主要的轴电压的来源。他们是电磁感应、静电耦合的内部来源和静电耦合从外部来源。介绍快速切换功率半导体器件的驱动系统提高了系统的性能。另一方面过早轴承损害已经观察到一些逆变器拓扑的结果[2]。

共模电压(CMV)是两级逆变器的主要缺点。主要原因发展轴电压,因此过早失效的轴承[9]。重要的是减少巨细胞病毒或保持这个电压在某一特定的限制。一些方法来减少巨细胞病毒包括四条腿逆变器、被动的过滤器,被动元素主动电路和双桥逆变器。多电平逆变器是最好的选择,以减少巨细胞病毒。巨细胞病毒的渐进步骤多级逆变器要小一些,因为它有大量的开关状态。5级逆变器甚至消除了巨细胞病毒如果使用适当的切换序列。它有125个组合开关的状态。这19个组合生成零巨细胞病毒[10]。

目前h桥多电平逆变器被广泛用于工业应用高功率驱动器。这些逆变器的主要缺点是,它们需要大量的直流源或隔离变压器交流方面。二极管夹的多电平逆变器适合中等和高功率驱动器。这个逆变器需要只有一个直流电源。因此,适合工业驱动器。

摘要巨细胞病毒和轴电压是相同评估模型使用两层和三层逆变器。然后,他们进行了比较。在[6]PSpice只有两级逆变器被用于比较。本文这些比较使用MATLAB仿真软件。

在感应电动机寄生耦合

在高频寄生耦合绕组定子和转子之间的发展。这些通常被认为是集中网络。这些集总参数可能估计在特定频率或可能选择的频率范围。本文集中网络已被选定的频率范围。四个主要寄生阻抗网络被认为是- 1)Zsf,定子绕组阻抗帧,2)Zg,气隙阻抗,3)Zsr定子绕组转子阻抗和4)Zb轴承阻抗[6]。假设轴承球漂浮在轴承的润滑剂,请勿触摸。

图1是电动机的等效电路考虑四个寄生阻抗网络。轴电压太小和共模电压的大小威科姆公司对图1给出了分别由(1)和(2)。

范,VBN VCN是定子绕组对地的电压。

模型开发

子电路是由阻抗测量进行测试电机基于[2]中给出的想法——[5]。在这个参数测量的频率范围。测量大小和Zsf的阶段,Zsr和Zb可以绘制的频率范围。然后为这些子电路阻抗可以开发[6]。三相模型,400伏,30惠普,针对50赫兹。

答:定子绕组阻抗Zsf帧

移除转子和三个定子绕组和框架之间的阻抗测量的频率范围。从测量值用于模拟电路开发无花果所示,2。

气隙阻抗Zg

这是计算了考虑平面平行板电容器。30马力电动机是发现0.86 nF。这纯粹是在电容的本性。

c .定子绕组转子阻抗Zsr

它不能被直接测量。它可以使用前两个阻抗计算和测量定子绕组短路的终端和转子之间的阻抗。电感电容电阻测量计是用于测量。由LCR阻抗测量仪由(3)给出。

通过了解其他参数Zsr可以从方程(3)计算。Zsr的子电路如无花果所示,3。

d .轴承阻抗Zb

它被认为是一个平行的电容和电阻很高。轴承阻抗取决于许多因素,如温度、速度、润滑剂粘度等等。这些都不是本文考虑。电感电容电阻测量计是用来测量阻抗的轴承内部和外部之间的竞赛。子电路的计算Zb如图4所示。

轴承电流的测量技术和轴电压

一个合适的测量技术是必要的任何调查。一个特别设计的电机图5是用来测量轴承电流和轴电压。

答:测量轴承电流

轴承内当前无法衡量轴承由于其高频特性。因此,应尽可能靠近轴承测量。内套轴承的轴端是电和机械连接轴。外轴承两轴结束种族隔离的电机座通过插入一个绝缘材料。测量循环轴承电流的特殊线连接轴承外环电机框架如图5所示。

b .轴承测量电压

两个碳或银刷压在两个轴结束。这些刷子可以测量轴两端轴承之间的电压。这些刷子也是有用的测量两个驱动端和non-drive端轴电压[7]。

逆变器仿真模型和两个水平

模拟模型图6所示被用来评估轴电压和共模电压使用MATLAB仿真软件。电路由三相二极管桥式整流,直流环节电容和电感。基于直流总线连接到绝缘栅双极型晶体管逆变器。逆变器接收信号相互转换PWM控制器。逆变器控制的感应电动机。感应电动机模型用于计算轴电压与电机终端。Zsf不用于计算轴电压,但考虑到地面估计总电流。仿真结果的轴电压和共模电压图7所示。可以看出轴电压的镜像共模电压。轴电压和共模电压的大小估计从9到10之间的模拟不同分别伏和245 - 266伏特。 The ratio of shaft voltage to common mode voltage varies between 1/27.22 to 1/26.6. The shaft voltage is about 1/33-1/25 of the common mode voltage [6]. This is very close to the actual values found in simulations.

3级逆变器

三个级别的变频器具有低谐波失真、低开关频率和低共模滤波电路的电压,因此更少的需求。它由电容器、开关设备、直流电压源和钳位二极管。中间点的两个电容器被定义为中性点。输出电压有三个水平Vdc / 2, 0和Vdc / 2。

共模电压可以减少修改控制技术应用等[11]

1。空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)

2。正弦脉宽调制技术(变频调速)

SVPWM技术是复杂的变频调速相比。

各种替代载体配置变频调速技术[8],[10]

1)所有的航空公司都在阶段性格(PD)

2)以上的所有航空公司零参考相位,但反对那些低于(POD)

3)所有运营商或者反对性格(无足的)

逆变器的仿真模型和三个水平

发现在两个水平轴电压的逆变器值是近10伏特和共模电压几乎是260伏。观察到轴电压是镜像的共模电压每一点。为了减少共模电压、轴电压试图用简单的二极管夹三个级逆变器而不是通常的两级逆变器,如图8所示。发现结果是安静的改进。轴电压变化之间的2.7到3伏电压和共模电压变化在74至81伏特。相同的电机模型用于分析两个逆变器。电路也同样只有变化是逆变器模型。这里尝试用简单的逆变器三个水平。共模电压、轴电压的仿真结果图9所示。轴电压的比值之间的共模电压变化1/27.4 1/27。 It means by using three level inverter shaft voltage and common mode voltages are reduced in same proportion.

在3级逆变器共模电压、轴电压仍出席,但它们的大小减少。进一步减少适当的共模和差模过滤器必须被使用。一些特殊的调制技术也被用来减少这些。

结论

通过仿真研究,观察逆变器三个水平降低了轴电压和共模电压但不完全无效。所以减少到零过滤器或mdified modullation技术必须被使用。共模电压也可以减少逆变器通过增加水平。使用三个级别变频器降低共模电压、轴电压相同的比例。因此他们的比率在这两种情况下几乎仍然是相同的。使用同样的程序可以设计不同的电动机仿真模型。模型适用于模拟电路如MATLAB, PSPICE软件等。应用该模型的电路非常简单。系统元素可以varried研究对轴电压和共模电压的影响。

引用

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