摘要：變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，隨著功率半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)管通斷速度加快，在電機(jī)繞組與機(jī)殼間產(chǎn)生具有高電壓變化率的共模電壓，進(jìn)而帶來(lái)嚴(yán)重的電磁干擾和軸承電腐蝕問(wèn)題。常用的集中參數(shù)軸電流模型不能反映高頻時(shí)電機(jī)阻抗隨頻率變化的特性。

　　本文以安裝有絕緣軸承的感應(yīng)電機(jī)為研究對(duì)象，提出一種變頻供電感應(yīng)高頻軸電流建模方法。利用阻抗分析儀測(cè)試電機(jī)整機(jī)時(shí)的端口阻抗和拆解時(shí)的絕緣軸承阻抗，并根據(jù)阻抗測(cè)試結(jié)果提取了模型參數(shù)。最后，通過(guò)頻域與時(shí)域兩個(gè)方面驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

　　端口阻抗頻率特性仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好。電機(jī)高頻模型仿真的共模電流和軸電壓的時(shí)域波形與實(shí)測(cè)波形一致性較好。關(guān)鍵詞：感應(yīng)電機(jī);軸電壓;軸電流;高頻模型;阻抗特性0引言因具有先進(jìn)的控制策略以及良好的運(yùn)行性能，PWM變頻器被廣范地應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。雖然變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較正弦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言具有明顯優(yōu)勢(shì)，但其負(fù)面問(wèn)題日益突顯，如共模電磁干擾及軸承電腐蝕問(wèn)題等[1~3]，引發(fā)了廣泛關(guān)注。

　　PWM變頻器內(nèi)部采用高性能功率半導(dǎo)體器件，如IGBT開(kāi)關(guān)器件。由于功率半導(dǎo)體器件快速開(kāi)斷的固有特性，變頻器產(chǎn)生具有高電壓變化率的共模電壓，作用于電機(jī)繞組，產(chǎn)生頻率范圍在幾十千赫茲到幾百千赫茲的共模電流。共模電壓經(jīng)電機(jī)內(nèi)部雜散電容的耦合，會(huì)在電機(jī)軸承上感應(yīng)出高頻軸電壓。當(dāng)軸電壓超過(guò)潤(rùn)滑油膜擊穿的閾值電壓時(shí)，引起高頻放電脈沖，從而產(chǎn)生軸電流。軸承油膜擊穿會(huì)在短時(shí)間內(nèi)釋放大量的熱量，使擊穿點(diǎn)附近的金屬熔化，進(jìn)而產(chǎn)生坑蝕，潤(rùn)滑脂因高溫加速老化，縮短軸承使用壽命，危害電機(jī)的可靠運(yùn)行[4~6]。為了抑制變頻器應(yīng)用引起的軸電流問(wèn)題，提高軸承使用壽命，需要對(duì)軸電流問(wèn)題進(jìn)行準(zhǔn)確建模和預(yù)測(cè)分析[7~10]。

　　軸電流集中參數(shù)模型電路拓?fù)浜?jiǎn)單、物理參數(shù)意義明確，許多學(xué)者都在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行研究[11~13]。com為共模電壓，CM為共模電阻、CM為共模電感;wf為定子繞組與定子鐵心電容、wr為定子繞組與轉(zhuǎn)子電容、rf為轉(zhuǎn)子與定子鐵心電容;iso,nd、iso,d為非驅(qū)動(dòng)端和驅(qū)動(dòng)端的絕緣涂層電容;,nd、b,d為非驅(qū)動(dòng)端和驅(qū)動(dòng)端的軸承油膜電容。電機(jī)靜止時(shí)，軸承滾道與滾動(dòng)體有金屬性接觸，沒(méi)有形成潤(rùn)滑油膜，不存在軸承油膜電容。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，軸承內(nèi)外滾道和滾動(dòng)體間的油膜使其等效為軸承油膜電容。

　　電路可以等效為一個(gè)RLC串聯(lián)電路，則共模端口阻抗隨頻率變化曲線僅會(huì)有一個(gè)串聯(lián)諧振點(diǎn)。而根據(jù)文獻(xiàn)，實(shí)際電機(jī)的共模阻抗在整個(gè)頻率區(qū)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)串聯(lián)諧振點(diǎn)[14]。圖的集中參數(shù)模型僅能描述低頻時(shí)情況，不能準(zhǔn)確地反映高頻時(shí)電機(jī)內(nèi)部阻抗的變化。因此需要建立一個(gè)滿足整個(gè)頻段頻率響應(yīng)的軸電流高頻模型。

　　關(guān)于電機(jī)的高頻模型在分析變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)電磁干擾的文獻(xiàn)中已經(jīng)有討論。文獻(xiàn)[14根據(jù)電機(jī)物理結(jié)構(gòu)，以采用普通軸承的電機(jī)為例建立了電機(jī)高頻等效電路模型，但該建模方法忽略了低頻時(shí)三相繞組短接點(diǎn)與機(jī)殼的諧振電阻，未考慮匝間電阻和匝間電容參數(shù)對(duì)阻抗的影響，從而造成實(shí)驗(yàn)測(cè)量阻抗特性曲線與仿真阻抗特性曲線存在差異。在電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，為了抑制軸承電腐蝕，通常會(huì)采用絕緣軸承，上述模型無(wú)法對(duì)絕緣軸承建模提供指導(dǎo)，存在一定局限性。

　　文獻(xiàn)[15]用矢量擬合方法擬合阻抗曲線獲取端口網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)，并根據(jù)傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)參數(shù)得到由幾個(gè)電路網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)而成的電機(jī)高頻模型。這種方法得到的模型精度高，但電路參數(shù)與電機(jī)結(jié)構(gòu)和參數(shù)沒(méi)有關(guān)聯(lián)，缺少物理含義，還會(huì)出現(xiàn)電路參數(shù)為負(fù)值的情況，這種建模方法對(duì)從電機(jī)設(shè)計(jì)改變參數(shù)來(lái)抑制電磁干擾和軸電流缺乏指導(dǎo)意義;文獻(xiàn)[16]基于電機(jī)物理結(jié)構(gòu)，采用有限元法提取電機(jī)高頻模型參數(shù)，電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)參數(shù)仿真結(jié)果有較大影響，并且某些模型元件物理意義不清晰，且無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證參數(shù)準(zhǔn)確性。

　　本文基于電機(jī)物理結(jié)構(gòu)建立了絕緣軸承和普通軸承都適用的電機(jī)軸電流高頻模型，模型考慮了匝間電容和電阻以及測(cè)量引線等影響。利用阻抗分析儀對(duì)電機(jī)整機(jī)時(shí)端口阻抗和拆機(jī)時(shí)絕緣軸承阻抗分別進(jìn)行測(cè)試。基于各端口的阻抗和相位頻譜特性，提取高頻模型中的各個(gè)參數(shù)。仿真高頻模型下電機(jī)端口阻抗頻率特性和方波共模激勵(lì)下的共模電流和軸電壓波形，將仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，驗(yàn)證電機(jī)高頻軸電流模型的準(zhǔn)確性。

　　1電機(jī)高頻軸電流模型

　　本文以安裝了絕緣軸承的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，建立變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)高頻軸電流分析模型。

　　2電機(jī)高頻模型參數(shù)測(cè)試及提取

　　2.1電機(jī)整機(jī)端口阻抗測(cè)試

　　電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下利用阻抗分析儀進(jìn)行整機(jī)測(cè)試，將電機(jī)底部絕緣隔離，并在整機(jī)下進(jìn)行四項(xiàng)測(cè)試。

　　2.2拆解電機(jī)進(jìn)行軸承阻抗測(cè)試

　　利用工裝將轉(zhuǎn)子從電機(jī)中取出，并拆卸轉(zhuǎn)軸兩端的端蓋，進(jìn)行軸承阻抗測(cè)試，根據(jù)串聯(lián)諧振特性獲取絕緣涂層電容和軸承電阻。

　　3電機(jī)端口阻抗特性的仿真驗(yàn)證

　　基于所建立的電機(jī)高頻模型和求得的模型參數(shù)，搭建該電機(jī)在靜態(tài)下的電路模型，仿真計(jì)算定子繞組、轉(zhuǎn)子、機(jī)殼三個(gè)部分之間的阻抗特性，并將仿真的阻抗曲線和實(shí)測(cè)的阻抗曲線進(jìn)行比較。共模阻抗特性仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較，其中黃色曲線為根據(jù)圖集中參數(shù)模型得到的阻抗特性、紅色曲線采用文獻(xiàn)4]的高頻模型得到的阻抗特性、紫色曲線為本文建立高頻模型得到的阻抗特性、藍(lán)色曲線為實(shí)測(cè)的阻抗特性。

　　本文所提出的模型同時(shí)滿足了高頻和低頻區(qū)的阻抗特性。即使變頻器采用更高開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)斷速度的SiC元件[20]，本文所建立的模型也可以滿足電機(jī)軸電流問(wèn)題分析的要求。

　　4共模電流與軸電壓測(cè)試與仿真驗(yàn)證

　　4.1感應(yīng)電機(jī)高頻軸電壓測(cè)試平臺(tái)

　　為了驗(yàn)證該模型在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)分析軸電壓與共模電流的準(zhǔn)確性，搭建軸電壓測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行軸電壓測(cè)試，并與所建立的高頻軸電流模型的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。電機(jī)在旋轉(zhuǎn)時(shí)存在軸承油膜電容，油膜電容參數(shù)可以采用計(jì)算獲得[11，也可以采用伏安法測(cè)試獲得。本文所分析的電機(jī)驅(qū)動(dòng)端為圓柱滾子軸承，非驅(qū)動(dòng)端為深溝球軸承。對(duì)電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，在轉(zhuǎn)軸和軸承外圈的金屬部分引出測(cè)量引線，使其可以測(cè)量油膜電壓和軸電流。由陪試電機(jī)拖動(dòng)被試電機(jī)，采用信號(hào)發(fā)生器在軸承內(nèi)外圈間施加頻率和幅值可調(diào)節(jié)的高頻正弦電壓信號(hào)，記錄油膜未發(fā)生擊穿情況的軸電流、軸電壓幅值。

　　電工論文投稿刊物：電工技術(shù)學(xué)報(bào)(雙月刊)創(chuàng)刊于1986年，由中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)主辦，機(jī)械工業(yè)出版社出版的綜合性學(xué)術(shù)期刊。

　　5結(jié)論

　　本文提出一種變頻供電感應(yīng)電機(jī)高頻軸電流建模方法并給出模型參數(shù)的提取方法，同時(shí)進(jìn)行了電機(jī)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

　　1)本文所建模型將高低頻段電容分開(kāi)處理，考慮了繞組與機(jī)殼間的諧振電阻及繞組匝間效應(yīng)，提高了模型阻抗特性與實(shí)測(cè)阻抗特性吻合性。2)提取模型參數(shù)時(shí)，基于多導(dǎo)體部分電容理論，從端口等效電容得到電機(jī)內(nèi)部雜散電容，充分考慮了多導(dǎo)體間電場(chǎng)耦合的影響。3)本文所提的模型同時(shí)適用于普通軸承和絕緣軸承。當(dāng)電機(jī)采用普通軸承時(shí)，可用塑料軸承代替或其他絕緣物體隔離轉(zhuǎn)軸與機(jī)殼，在此基礎(chǔ)上完成相關(guān)參數(shù)提取。

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　　作者：趙秦聰，楊二樂(lè)，劉瑞芳，孫大南，槐孝紀(jì)