二电平和多电平逆变器馈电感应电机轴承电流建模与仿真分析

Sharana Reddy¹巴萨瓦拉贾博士。B²

巴拉里理工学院电子工程学系副教授管理印度卡纳塔克邦
印度GITAM大学海得拉巴校区教授兼副校长

摘要

调速驱动器(asd)由于在控制和效率方面的许多优点，越来越多地应用于许多商业和工业应用中。但是asd使用PWM逆变器和高速开关器件，如上升时间为0.1μSec的绝缘栅双极晶体管(igbt)。，在400V系统和共模电压下产生约6000V/μSec的快速开关瞬态(高dv/dt)。这种共模电压导致不必要的轴电压和最终的轴承电流。寄生电容联轴器在转子和轴承中产生放电电流的路径，导致轴承过早失效。轴承电流主要有两种类型，如电火花加工(EDM)轴承电流和高频循环轴承电流。文献中提出了各种减轻轴承电流的技术，每种技术都有一定的局限性。先进的缓解技术包括双桥逆变器和多电平逆变器。本文介绍了采用二极管箝位多电平逆变器馈电异步电动机的正弦脉冲宽度调制(SPWM)轴承电流的建模、仿真和分析。采用MATLAB / Simulink软件对三相、3 hp (2.2kW)异步电机和逆变器开关频率为2 kHz进行仿真。

关键字

轴承电流，共模电压，感应电机驱动，多电平逆变器，SPWM。

介绍

几十年前，人们就已经知道感应电动机的轴承电流现象。Alger[1]在1920ÃⅱÂ′Â′s上报道，产生电流的根本原因是电机内部磁通分布不对称。这一问题已在现代电机设计和制造实践中得到有效解决。然而，出乎意料的是，随着电力电子设备在可调速驱动器(asd)中变得越来越普遍，这个问题又回来了。采用IGBT的PWM逆变器工作在2 ~ 20 kHz的开关频率和0.1μsec的上升时间，400V系统的电压上升为6000V/μsec。高dv/dt对共模电压[3]-[6]引起的轴承电流造成的轴承损坏有不利影响。

根据IEEE电机可靠性研究，PWM馈电asd中轴承电流故障最常见，近30%。轴承电流导致轴承在安装后1-6个月内过早失效。为了保护ASD投资，强烈建议对有缺陷的轴承进行早期发现和可计划更换的预测性维护，以避免停机和产品丢失所涉及的隐藏成本。

逆变器感应轴承电流主要有两种类型:

i)电火花加工(EDM)轴承电流:电绝缘润滑膜的厚度通常为2-3微米，轴承电压Vb通过电容分压器反映定子端共模电压Vcom，即轴承电压比(BVR)。当油膜的阈值电压超过润滑油介电强度约15vpk /μm(约5- 30v)时，油膜发生击穿，产生电火花电流脉冲，导致轴承过早失效[2]。

ii)高频循环轴承电流:电机终端的高dv/dt主要是因为定子绕组对框电容(Csf)的一部分额外的高频共模电流Ib=Csf dVcom/dt。地电流激发围绕电机轴的圆形磁通量(循环轴承电流)。如果轴电压大到足以刺穿轴承的润滑膜并破坏其绝缘性能，则会在“定子框-非驱动端轴-驱动endÃⅱÂ ' Â '。峰值振幅随电机尺寸[2]而变化。

本文组织结构如下:第一节介绍轴承电流、产生原因、类型和各种减缓技术。第二节介绍了共模电压和多电平逆变器，有助于了解相关工作的背景和simulink建模。第三节介绍了逆变器、高频感应电机共模等效电路的simulink建模。第四节给出了仿真结果。第五节给出了本文的结论和参考文献。

共模电压和多电平逆变器

A.共模电压

在PWM逆变器输出时，所有三相电压的瞬时总和为非零，中性点w.r.t地的平均电压产生所谓的共模电压。

其中Van、Vbn、Vcn为PWM逆变器产生的相位电压。共模电压是幅值等于直流母线电压和频率等于逆变器开关频率的阶梯函数。共模电压波形示意图如图2所示。

轴电压与共模电压的形状相同，因为轴电压是由共模电压和电容分压器电路共同形成的。由于电机内部寄生电容的分布，逆变器输出的共模电压源是轴上出现电压的原因。这就产生了一个内部电容分压器，BVR可以表示为[3][4]。

式中，Vsh为轴电压，Csr为定子绕组与转子之间的电容，Crf为定子机架与转子之间的电容或气隙电容(Cg)， C b为轴承电容。由于Cg的值远大于Csr的值，Vsh /Vcom的比值一般在1:10范围内。由于定子与转子之间的距离较大，面积较小，因此与其他电容相比，Csr值较小。但对BVR值有显著影响。显示了交流电机中具有各种寄生电容的共模等效电路，当电机由PWM电压源逆变器[3][4]驱动时，这些寄生电容变得相关。

C.多电平逆变器

多种多电平逆变器拓扑和调制技术已被开发出来并应用于大功率高压系统。多电平逆变器拓扑的主要优点是减少逆变器桥中使用的半导体器件上的电压应力，并产生高质量的输出电压。它们产生更小的共模(CM)电压，从而减少了电机轴承中的应力。此外，使用复杂的调制方法，CM电压可以消除[8]。目前多电平逆变器有三种:(1)中性点箝位逆变器(NPC)(2)飞电容逆变器和(3)级联逆变器。本文采用SPWM技术对中性点箝位多电平逆变器馈电感应电机驱动进行了建模和仿真分析。

仿真软件建模

本文利用Mat lab/Simulink软件对二电平和二极管箝位多电平逆变器馈电感应电机驱动进行建模和仿真。记录并分析了逆变器输出电压的谐波含量。PWM信号是使用高频三角波(称为载波)产生的，与表示所需输出的正弦信号(称为参考波)进行比较。当载波小于参考时，比较器产生高输出信号，将逆变器一条腿的上开关ON，下开关OFF。在另一种情况下，比较器将发射信号设置为低电平，这将使下开关ON和上开关OFF[10]。Simulink模型还包括带轴承模型的共模等效电路，用于测量轴电压和轴承电流。

A.高频感应电机建模及共模等效电路。

本文所使用的感应电机为2.2kW (3hp)，由三相PWM逆变器通过V/Hz控制电机转速。异步电动机等效电路参数的确定采用空载试验和堵转子试验两种wattmeterÃⅱÂ′Â′s方法。这些测试在50Hz[7]频率下进行。感应电机规格:额定功率:3Hp (2.2kW)，额定电压:440V/50Hz (Δ)，极数:4，额定电流:5A，额定转速:1500转/分。

逆变器规格:2.2kW，开关频率:2khz，输出频率:50Hz，采用正弦三角PWM调制技术。表一显示了空载和堵塞转子试验的结果。确定了等效电路参数(每相)，并在表II中表示。视图。显示了在仿真中使用的每相位等效电路。

感应电机寄生电容的数值由图7所示曲线得到。根据[4][5]所示的电容特征方程，电容随电机hp额定值的变化而变化。这表明这些寄生电容仅依赖于电机的物理和构造特性，如图8所示。

电路被大大简化，因为可以看到定子绕组和转子Zsr之间的阻抗频率低于200 kHz具有电容性行为，定子绕组和定子框架Zsf之间的阻抗是一个串联RC电路。在逆变器开关频率下，电机寄生阻抗具有纯电容特性，因此对高频感应电机电气等效电路进行简化，如图5[7]所示。

B. Simulink模型

图7是利用MATLAB /Simulink实现的2级SPWM逆变器馈电感应电机驱动的完整Simulink模型。同样，对于二极管夹紧多电平逆变器(3,5和7电平)，采用感应电机驱动。逆变器开关频率为2 kHz，输出频率为50Hz。

仿真结果

结论

本文对SPWM 2级和二极管夹紧多电平逆变器在感应电动机馈电时的轴电压和轴承电流进行了建模和仿真分析。对异步电机和共模等效电路进行了简化的高频建模。仿真结果表明，3级、5级和7级逆变器供电的异步电动机与2级逆变器供电的异步电动机相比，共模电压、轴电压、轴承电流和%THD降低。因此，降低共模电压，轴电压，轴承电流和谐波增加了电机的寿命，并减少了电机中更多的隐藏问题。

表格一览


表1	表2	表3

数字一览


图1	图2	图3	图4

图5	图6	图7	图8

图9	图10	图11	图12

参考文献

Alger P.， Samson H.，“电机中的轴电流”A.I.R.E.会议1924年2月

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