交流变频传动系统谐波分析与高频轴电流的预防措施-Used

1、交流变频传动系统谐波分析与高频轴电流 的预防措施 1 1 引言 现代交流调速系统普遍采用 pwmpwm 技术，以及具有快速切换频率的电力电子器件，如 igig btbt,其开关频率是传统晶闸管的几十倍以上，在大幅提高系统性能的同时，也给系统带 来了大量的谐波，谐波一方面对电网造成电力污染，另一方面对传动设备也带来不利的 影响。 2 2 谐波与谐波分析 2.12.1 谐波的产生机理 对于交- -直- -交变频器，由于采用开关切换技术，其输出不再是正弦波，而是阶梯波。此 阶梯波可以分解为正弦基波与高次谐波。如果这些谐波三相平衡，在电机中将产生不同 转速的圆形旋转磁动势， 但是与基波电流产生的圆形磁

2、动势相比，这些谐波电流在旋转 方向、转速和幅值上都不同。 输出到电机上的总磁动势可以看作是基波及各次谐波磁动 势之和，它不再是圆形的，其速度与幅值随时间而变化，因此产生的电磁转矩含有谐波 分量，电机的转速会产生脉动，影响传动精度和增加电机损耗。 在传统交直交变频器中，每个功率元件在输出一个周期中的导通时间 B在 2 2n3 3n电角 度之间，输出波形如图 1 1 所示，为正、负半波对称的阶梯波。图 1 1 所示波形用傅立叶级 数表示为： 世! 式中，3 1为变频器输出基波角频率，k k 为变频器输出谐波次数，k=1 k=1 , 3 3, 5 5, 7 7 , 根据图 1 1，将式(2)(2)积

3、分展开，得 由于输出波形对称，所以不存在偶数谐波，故可以令 k=2mk=2m- -1 1，得, 当 2m2m- -1=3 1=3 , 9 9,1515,时，式等于 0 0，所以除去偶次谐波外，3 3 的倍数次谐波也等于 0 0，只有 5 5, 7 7, 11 11 , 1313,等 6m6m 1 1 次谐波存在。 图 1 1 传统交直交变压变频器电压输出波形 图 1 1 中电压波形呈 1/41/4 周期对称，在傅立叶级数展开后，系数 bk=Obk=O，所以式等价于: : y(l+CM 对于常用的 180180。导通型的变压变频器，a =0=0 其傅立叶级数为 ap ap + + - -sini

4、e?,! sinie?,! + + ? ?卯卯) )建建 + + sillily sillily + + 由此可见，随着谐波次数 k k 的增大，输出的各次谐波幅值以 1/k1/k 的比例减小。其 5 5 次谐 波幅值为基波的 20%20%，7 7 次为基波的 14.3% 14.3% ,1111 次为基波的 9%9%，其余依次类推。 现代交流传动广泛地应用了正弦波脉宽调制技术 （spwmspwm）, spwm, spwm 技术使输出电压、电流 接近正弦波，但是由于使用了载波对正弦波信号调制 ，产生了与载波有关的谐波分量。 典型双极型 spwmspwm 变压变频器的输出波形见图 2 2 图 2

5、2 典型双极型 spwmspwm 变压变频器的输出波形 spwmspwm 输出电压的谐波 a a 为: : spwmspwm 变压变频器不存在偶次谐波和 3 3 倍数次谐波。spwmspwm 变频器在其载波频率及其倍 数的频带附近谐波比较多， 即当 n n=1,3,5,=1,3,5,时，谐波出现在 k=0, k=0, 2, 2, 4,4,处; ;n n=2,4,6 =2,4,6 , 时，谐波出现在 k=k= 1, 1, 3, 3, 5 5 处。spwmspwm 变频器输出谐波与 pwmpwm 控制参数有关，如载 波比 n n等（载波比 n=n=载波频率/ /调制波频率）。提高载波比 n n 可

6、以使变频器的输出波形接 (6) Hi 近正弦波，但系统中高次谐波仍然存在。变频器谐波与 pwmpwm 控制模式有关，pwmpwm 的模 式也有多种，如准最优 pwm pwm 模式、开关损耗最小 pwm pwm 模式、 sapwm sapwm 模式 3 3 轴电流分析 3.1 3.1 低频轴电流 轴电流产生的原因是由于采用了变频技术，或者电机制造中产生的不对称， 从而在电机 转轴两端产生轴电流。这些轴电流往往频率不高，属于低频轴电流。一般而言，交流传 动系统都会产生轴电流，但是大多数系统的轴电流幅值较小，没有达到危害程度。如果 系统的轴电流较大，可能会损坏电机轴承，甚至齿轮箱轴承。因为滚动轴承的

7、油膜一般 比较薄，对轴电压比较敏感，轴电流流过滚动体与内外圈的细微接触点时，如果电压比 较高，内外圈表面的接触面就会出现击穿的痕迹。一般要求滚动轴承的轴电压小于 300 300 mvmv。 3.2 3.2 高频轴电流 现代电机设计和制造工艺几乎已经消除了低频轴电流， 但是现代交流传动系统由于采用 pwm pwm 变频供电方式和使用 igbt igbt 等快速切换元件，所以在轴承上会产生高频电流脉冲。 如果这些脉冲的能量足够高， 就会损坏轴承， 被损坏轴承的形状呈间断的烧伤条纹如图 3 3 所示。 图 3 3 轴电流在轴承上产生的烧伤条纹 电机传动系统的结构示意图如图 4 4 所示。 图 4 4

8、 传动系统结构示意图 典型三相正弦电源是平衡的，即三相的矢量和总是等于零。由于前述 波，所以 pwm pwm 电源的三相输出电压的矢量和不为零，导致中性点的电压不等于零，这 个电压可以定义为共模电压源。 任何时候，当两个导体通过绝缘体隔离开后就产生电容。例如，电缆的相线与 pe pe 线之 间有 pvc pvc 绝缘电容，所以电机绕组与外壳有镀层和片间绝缘有电容。电缆间电容，尤其 是电机内部的电缆间电容非常小，小电容意味着对低频的高阻抗，可以阻止低频杂散电 流。然而对于高频电流，即使电机内电容很小，也会产生一个低阻抗通道使电流可以通 过。 每次三相逆变输出的一相由一种电压状态切换到另一种状态时

9、， 会产生一个正比于该电 压的电流， 通过输出电路所有元件的接地电容流向大地。 电流通过接地导体和逆变器的 杂散电容流回电源。由于系统不可避免地存在寄生电容，所以在较高的 dv/dt dv/dt 下，高频 电压会产生容性寄生电流。 高频轴电流有几种形式，有高频循环电流、轴对地电流、容性放电电流等。 (1) (1) 高频循环电流 定子对地电压 vsng vsng 含有大量谐波 , , 其峰值可达 1/2vsourse 1/2vsourse ，由于定子与机座之间存在 寄生电容 csf csf ，所以存在容性电流，这些容性电流在定子上生成高频磁通，并在电机轴 的两端感应出高频电压。 如果电压足够高，

10、 能够克服轴承油膜的阻抗， 就会产生轴电流。 这个电流在由轴、轴承、定子机座之间形成回路，称做高频循环电流，见图 这种情况下， 电机可以看作是一个变压器， 流经定子外壳的共模电流可以看作是一次侧， 并在转子电路，即二次侧，感应出循环电流。该轴承电流被认为最具危害性。电流幅pwm pwm 电源存在谐 4 4 中 i1i1。在 值 取决于电机的额定功率、交流传动功率元件的 du/dtdu/dt 和直流电压，典型峰值为 3 320a20a。 由于齿轮箱对地也有寄生电容，所以还存在另一种循环电流，即图 4 4 中的 i2i2,它是流经 齿轮箱轴和轴承的电流，该电流会对机械设备构成威胁。 (2) (2)

11、 轴对地电流 泄露到定子机座的电流形成轴对地电流，而任何流回去的回路都含有阻抗， 因此电机机 座的电压相对于电源的地电压升高。如果电机轴是经过齿轮箱接地的， 则电机轴承的电 压升高。如果电压足够高，能够克服电机传动侧轴承油膜的阻抗，电流就会流过传动侧 轴承。该电流就是高频轴对地电流。 (3) (3) 容性放电电流 共模电压的内部电压分量在电机内部杂散电容上会产生轴电压， 该电压可能高到会产生 高频轴电流脉冲。如果电机的轴没有经过齿轮箱接地 , , 电机机座是标准接地的话，则容 易形成容性放电电流。 对于大型交流电机， 由于电流较大 , , 所以感应的轴电流也比较大， 据有关文献说明，在轴承处可

12、达数安培 /mm2 /mm2 ，所以，极易使轴承损坏。 4 4 高频轴电流的预防措施 4.1 4.1 低频轴电流的预防措施 一般来说 , , 防止高频轴电流产生的常规措施有如下几种 : : (1) (1) 增加接地碳刷 , , 使转轴接地 ; ; (2) (2) 使用绝缘轴承 ; ; (3) (3) 使用对称电缆 ; ; (4) (4) 增加补偿变压器 ; ; (5) (5) 增加绝缘板。 4.2 4.2 高频轴电流的预防措施 以下是防止高频轴电流的几种有效措施 : : (1) (1) 选择正确的电缆 必须选用对称的多芯电缆，电缆的接地线 (pe(pe，保护接地) )必须对称排列； 电缆的屏蔽

13、层选用铜编制带，因为铜的导电性能优越，屏蔽效果比较好 ； 屏蔽层的总截面积应不小于相线的 1/2;1/2; 电缆头两端做 360360的接头，并分别与变频柜和电机内接地端连接。 (2) (2) 安装高频滤波器 只要变频器处的高频谐波存在， 就会产生共模电流， 所以如果能够对高频电流进行衰减， 则可以在源头上抑制轴电流。在变频器的输出线上安装共模滤波器，具体措施为 : :在三 相对称电缆的外面套上滤波器磁环，使高频电流在磁环中被吸收。由于高频电流会产生 高频磁场，所以滤波器可以做成非接触式。 般滤波器有普通电源滤波器和开关电源滤波器。普通滤波器的原理是设计一组扼流 圈，2 2 个电感绕在同一磁环

14、上，匝数相等，绕相相反，使两个线圈中流过的共模电流产 生的磁通在磁环内相互抵消，从而达到滤波效果。但是普通滤波器的带宽不够，不能消 除 10khz10khz 以上的谐波，对于高频电流，一般采用开关电源滤波器。 典型电路如图 5 5 所示。 图 5 5 开关电源滤波器的典型电路 开关电源滤波器中的电容一般要求电感值比较小， 这样谐振频率高，抑制高频电流的效 果好。某线材厂主电机的变频柜内已经安装了共模滤波器，与安装前相比，在电机侧的 高频电流值明显有所下降。 （3 3）均衡接地电压 由于存在杂散电容，在同一根电缆的屏蔽层 （都已接地）上两端（逆变器侧与电机侧）的地 电压实际上并非完全一致，这样在

15、电缆上存在压降，就会存在电流。所以，可以考虑均 衡接地电压，降低电缆屏蔽层上的压降，从而降低轴电流。具体做法是在现场安装一个 共用接地母排，然后将各电机接地端子与之相连接。由于变频柜内的接地线是引自系统 总的接地装置，从而将电机与逆变器的接地电压均衡，降低电压降。另外，可以考虑降 低电机电缆屏蔽线的接地电阻， 使该电缆上部分电流在通过电机轴承之前直接接地，分 流流经轴承的电流。 5 5 结束语 有关高频电流的预防措施研究在国内还不是很成熟， 也没有明确的标准来定义高频轴电 流的危害程度。而随着大功率、高切换频率功率元件的运用逐渐普及，高频轴电流的危 害的加剧， 也日益显示出预防高频轴电流措施的重要性。 此外各种预