【軸電壓及軸電流的產(chǎn)生機(jī)理及抑制措施分析】4000字

軸電壓及軸電流的產(chǎn)生機(jī)理及抑制措施分析綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u11271軸電壓及軸電流的產(chǎn)生機(jī)理及抑制措施分析綜述 1100081.1軸電壓及軸電流的產(chǎn)生機(jī)理 14391.2抑制措施 347521.2.1改善控制電路和控制策略 3126281.2.2采用電刷接觸進(jìn)行抑制 317441.2.3采用更高性能的絕緣性軸承 4163731.1.4采用濾波器 4150771.2.5引入接地環(huán) 575291.3措施對比結(jié)果 51.1軸電壓及軸電流的產(chǎn)生機(jī)理除了以上所介紹的部分原因之外，影響軸電壓的產(chǎn)生，可以歸結(jié)為兩方面的原因，即電機(jī)本身結(jié)構(gòu)的原因和電機(jī)供電方式的原因。當(dāng)由正弦波為電機(jī)進(jìn)行供電時，電機(jī)的定子環(huán)路磁通會在由軸、軸承、端蓋和機(jī)座組成的閉合導(dǎo)電回路中產(chǎn)生軸電壓。當(dāng)軸電壓超過其峰值500mV時，在回路中有可能會產(chǎn)生環(huán)形電流，該環(huán)流則會在相對比較短的時間內(nèi)對軸承造成損壞。在環(huán)路中的磁通所產(chǎn)生的原因是由定子軛部的磁路不對稱引起的。針對于此種原因所產(chǎn)生的軸承電腐蝕，可以通過在轉(zhuǎn)軸一端或者轉(zhuǎn)軸兩端采用絕緣軸承，比如使用陶瓷軸承，此方法可以有效地對回路進(jìn)行阻斷，進(jìn)而阻斷軸電流。電壓型變頻器供電也是軸電流的產(chǎn)生從而引起軸承電腐蝕的重要因素之一。當(dāng)電動機(jī)由電壓型變頻器進(jìn)行供電，即由PWM變頻器供電時，電動機(jī)中會存在一個全新的軸承電流源，即所謂的高頻共模電壓。而電壓源型變頻器，在PWM逆變器測控制方式下，盡管在輸出端，電壓相位相差120度，但三者之和并不等于零，因此會導(dǎo)致存在很高的共模電壓，也稱其為零序電壓。由于PWM變頻技術(shù)所存在的的脈沖性質(zhì)，PMW逆變器輸出的電壓脈沖會在非常短的時間內(nèi)，快速上升或快速下降，也就是意味著會存在很高的電壓變化率，當(dāng)這種高頻的電壓的變化率在電機(jī)內(nèi)部的寄生電容上作用時，不僅在電機(jī)內(nèi)部會產(chǎn)生電流，而且由于電容的不斷累積，還會使得轉(zhuǎn)子的軸電壓升高。共模電壓是因為PWM變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和其控制方式所存在的，此共模電壓包含了與輸出電壓的諧波分量相互關(guān)聯(lián)的頻率分量。而且三相共模電壓是相同的，即可以看作為電壓的零序分量。此共模電壓的所產(chǎn)生的幅值的大小與共模電流的阻抗的大小有密切關(guān)系，并且此共模電流最終會一直流通到逆變器的中心點(diǎn)。此共模電壓的大小，其與定子繞組與轉(zhuǎn)子之間的電容，并且和轉(zhuǎn)子與基座之間的電容以及與軸承本身的電容有關(guān)，如果軸承上存在的電壓的峰值比其擊穿電壓值還要大，還會出現(xiàn)短時間的放電電流。該放電電流的重復(fù)頻率將會隨軸承電壓數(shù)值的增大而增大，也會伴隨脈沖頻率的增加而增加。故因為用PWM逆變器進(jìn)行供電，會產(chǎn)生軸電壓及軸電流，對軸承造成電腐蝕的危害。電機(jī)中存在的磁路不對稱會產(chǎn)生低頻軸承電流。非對稱磁路在軛部會產(chǎn)生一個圓型的交流磁通，即環(huán)形磁通，在電機(jī)的軸、軸承、端蓋和機(jī)座所構(gòu)成的導(dǎo)電閉合回路中，此環(huán)形磁通會感應(yīng)出交流電壓。如果所感應(yīng)的電壓的峰值較大，并且其電壓大小能夠擊穿潤滑油膜，那么電流就會流過該導(dǎo)電閉合回路，同時也流過兩端軸承，因此而產(chǎn)生軸電流，導(dǎo)致對軸承造成電腐蝕的損傷。對于這種產(chǎn)生原因，解決的方法一般是采用絕緣軸承，比如使用半陶瓷軸承，此絕緣軸承能夠隔斷電流通路。一般來說城軌車輛牽引電機(jī)內(nèi)部的軸承大多數(shù)都采用絕緣軸承，因此不會存在由于磁路不對稱而產(chǎn)生的軸承電壓及軸承電流。在高頻電壓下同樣會產(chǎn)生高頻電流。在通常正常情況下，典型的三相正弦波電源是平衡又對稱的，此電源的中性點(diǎn)電壓為零。但是，當(dāng)采用脈沖寬度調(diào)制（即使用PWM逆變器）切換的三相電源供電時，由于PWM逆變器是在一瞬間將直流電壓轉(zhuǎn)換為三相交流電壓，即使轉(zhuǎn)換后的交流電壓的基頻分量是對稱并且是平衡的，但是利用此變頻技術(shù)，無法在切換的瞬時使得三相輸出的電壓之和為零，中性點(diǎn)電壓也會因此不為零，由于中性點(diǎn)的電壓不為零，共模電壓也便會因此產(chǎn)生，所以中性點(diǎn)的電壓不為零就是共模電壓的根本來源。因為存在共模電壓，則會產(chǎn)生電機(jī)端處的高頻共模電壓，此電壓會在閉合回路中產(chǎn)生共模電流，其中一部分電流會流過電機(jī)軸承或傳動設(shè)備的軸承，引起軸承的電腐蝕，對軸承表面造成損傷。除此之外，還有一些常見的產(chǎn)生軸電壓和軸電流的原因。城市軌道車輛的電動機(jī)因為存在扇形沖片、硅鋼片等部件疊加安裝的原因，加上存在鐵芯槽、通風(fēng)孔等部件，易造成在磁路中存在著不平衡的磁阻，并且在轉(zhuǎn)軸的周圍存在交變磁通量，會對轉(zhuǎn)軸進(jìn)行切割，在轉(zhuǎn)軸的兩端會產(chǎn)生感應(yīng)電勢，產(chǎn)生感應(yīng)電壓從而導(dǎo)致了軸電壓的產(chǎn)生。在地鐵車輛運(yùn)行的現(xiàn)場，周圍環(huán)境設(shè)備多為高電壓設(shè)備，較多的高壓設(shè)備會產(chǎn)生較強(qiáng)的電場，電機(jī)軸在高壓設(shè)備產(chǎn)生的強(qiáng)電場的作用下，由于存在靜電感應(yīng)，便也會在轉(zhuǎn)軸的兩端感應(yīng)出軸電壓。軸電壓也會因為外部電源而產(chǎn)生。在車輛運(yùn)行現(xiàn)場，電路接線通常比較繁瑣復(fù)雜，特別是大電機(jī)與測量元件的接線相對更多，如果出現(xiàn)帶電線頭搭接在轉(zhuǎn)軸上的情況，則也會引起軸電壓的產(chǎn)生。另外還有其他原因，例如靜電荷的積累、測溫元件絕緣處破損等另外因素也都有可能是軸電壓的產(chǎn)生的原因。在軸電壓產(chǎn)生后，一旦在轉(zhuǎn)軸及機(jī)座、殼體間形成導(dǎo)電閉合回路，便會產(chǎn)生軸電流。綜合其產(chǎn)生原因，可以發(fā)現(xiàn)，由于電機(jī)本身結(jié)構(gòu)和供電方式的兩種原因，極可能產(chǎn)生軸電壓，而軸電壓的存在并不是一定會引發(fā)軸電流，還需要再有一個閉合導(dǎo)電回路，產(chǎn)生電勢差而導(dǎo)致有軸電流的產(chǎn)生。從以上產(chǎn)生機(jī)理的分析，抑制措施則主要可以從兩個思路來施加方法：短路，如采用接地環(huán)；斷路，使用絕緣軸承等。1.2抑制措施根據(jù)軸承電流產(chǎn)生的原因及電流的流通路徑，抑制軸承軸電壓的產(chǎn)生的措施可通過以下兩個方面來進(jìn)行抑制：一是消除軸承電壓的來源，消除軸承電壓也就不會導(dǎo)致產(chǎn)生軸承電流，此方法可以從根本上解決軸承電流引起的電腐蝕對軸承表面所帶來的損傷；二是通過對軸承進(jìn)行絕緣或者增加回路存在的電流的泄放的角度，從而抑制電腐蝕，保護(hù)軸承。根據(jù)軸承電腐蝕的產(chǎn)生機(jī)理和進(jìn)行的理論分析，基于以上的分析，消除軸電壓軸電流的方法要為減小或消除共模電壓以及改變軸電流的流通路徑這兩方面。故對于軸承電腐蝕的抑制方法將主要從以下幾個方面采用優(yōu)化措施。1.2.1改善控制電路和控制策略共模電壓是由驅(qū)動模塊所產(chǎn)生的，所以控制共模電壓可以通過改變逆變電路方式的控制策略，利用此方法能夠有效的減小甚至于完全消除共模電壓。例如，可以采用雙橋逆變器，雙橋逆變器所產(chǎn)生的共模電壓小于傳統(tǒng)逆變器電路所產(chǎn)生的共模電壓。但是使用雙橋逆變器既增加了器件的數(shù)量又增加了開關(guān)的損耗，因此，此方法需要根據(jù)實際情況和運(yùn)行工況來選擇才能夠進(jìn)行使用。1.2.2采用電刷接觸進(jìn)行抑制在電動機(jī)轉(zhuǎn)軸和機(jī)座之間使用電刷進(jìn)行接觸，使用電刷等同于直接對軸承內(nèi)圈和軸承外圈進(jìn)行短接，并且能夠有效地消除軸承內(nèi)圈和軸承外圈之間存在的電勢差，從而能夠提供一個從電動機(jī)轉(zhuǎn)軸連接到電動機(jī)外殼且阻抗較低的并聯(lián)通路，此方法從理論上講是最優(yōu)方案。但其不足之處是，如果電刷采用碳刷對軸承內(nèi)圈和外圈進(jìn)行短接，毫無疑問將會增加電機(jī)維護(hù)的工作量。接地電刷通常每兩至三年需要進(jìn)行維護(hù)或更換，使得維護(hù)工作較為繁瑣，并且電動機(jī)的機(jī)殼應(yīng)與地面充分接觸，但這種方法能保證軸承免受軸電流引起電腐蝕對軸承造成損壞。因此，相比于使用電刷進(jìn)行接觸進(jìn)行抑制，則更建議采用接地環(huán)方案，使用接地環(huán)能夠更有效便捷地解決維護(hù)方面的問題，并且該方案已經(jīng)在國內(nèi)外的牽引電機(jī)中開始運(yùn)用。1.2.3采用更高性能的絕緣性軸承根據(jù)軸電流的流通路徑，通過對軸承進(jìn)行絕緣處理，也是一種能夠避免軸承中產(chǎn)生軸電流的有效方法。通過對軸承進(jìn)行絕緣處理，可以阻斷電流流通路徑，不讓軸承電流通過回路進(jìn)行放電，從而使得保護(hù)軸承的目的能夠達(dá)到。隨著新材料以及新科技的發(fā)展，目前的絕緣軸承存在有三種類型:外圈絕緣軸承、內(nèi)圈絕緣軸承、陶瓷混合滾子軸承。由于外圈絕緣軸承是對軸承外圈進(jìn)行絕緣涂層，故只能絕緣低頻軸電壓，而不能有效地對高頻軸電壓進(jìn)行絕緣，而且電壓需要由潤滑油膜承受，因此相比較內(nèi)圈絕緣的軸承，外圈絕緣軸承更容易產(chǎn)生軸電流而引發(fā)電腐蝕，但如使用內(nèi)圈絕緣軸承，則對軸承裝配和維護(hù)方面的要求很高，并不是最為有效直接的方法。此外，陶瓷混合軸承也能有效防止電腐蝕，但是其缺點(diǎn)在于加工困難，成本高，價格貴，且耐沖擊性能差，所以城市及軌道車輛牽引電機(jī)中使用陶瓷混合軸承也不是能夠解決軸電流造成的電腐蝕危害的最佳方案。1.1.4采用濾波器利用濾波器的原理可以直接有效地減小逆變器側(cè)產(chǎn)生的共模電壓,從而能夠達(dá)到抑制電動機(jī)軸承的軸電壓和軸電流的效果。逆變器所輸出的脈沖電壓，在經(jīng)過電感器后會將完全成為的正弦波電壓。這樣便可以較為有效地消除軸承電壓與軸承電流。逆變輸出濾波器有效地降低了電機(jī)輸入脈沖電壓的電壓上升率,通過采用濾波器這種方法,電機(jī)內(nèi)分布電容的耦合作用便會有效地進(jìn)行減弱,軸電壓以及由軸電壓引起的電流都會下降，同時由于電壓變化率引起的電壓變化率電流同樣也會明顯減少，因此采用濾波器可以有效地抑制軸承電流的產(chǎn)生。目前，國內(nèi)外很多學(xué)者對于濾波器的研究已經(jīng)取得了顯著的成果。同時，隨著濾波器技術(shù)的不斷發(fā)展，其的空間也將不斷減小，并且在減小軸電流方面相比于其他對電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變的方法，顯得更為方便和有效。但由于城軌車輛中常見的有源濾波器造價太高，并且易受硬件條件的限制，而且會增加牽引逆變器的體積和重量，顧采用濾波器不作為解決電腐蝕問題的最佳處理方案。1.2.5引入接地環(huán)接地環(huán)的本質(zhì)上是對電路進(jìn)行短路，其主要材料是呈圓周布置的高性能導(dǎo)電纖維，接地環(huán)外圍是鋁合金框架，其安裝示意圖如圖5所指示。圖5接地環(huán)安裝示意圖在實際工程應(yīng)用中，越來越多的電機(jī)采用絕緣軸承，即將軸承外圈與安裝底座進(jìn)行絕緣，但也因此無法直接對軸承內(nèi)外圈進(jìn)行短接。故可以使用接地環(huán)將電機(jī)外殼與轉(zhuǎn)軸進(jìn)行短接，從而有效地降低軸電壓。接地環(huán)利用其特