电机轴电流与电机驱动
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发布时间：2024-09-27 16:44
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时间：2024-10-12 02:37
在电压型变频器驱动电机时，会出现一些寄生高频现象，这些现象与电机系统整体条件密切相关。逆变器du/dt的变化会在导线末端产生高频电流，这些电流会流经轴承及其相关组件。
电机中产生的轴电流可以分为三种：由电弧放电引起的电流（EMD current）、循环电流（Circulation current）和转子对地电流（Rotor ground current）。这些电流的产生原因不同，如图1、图11和图12所示。
循环电流和转子对地电流是高频电流，主要流经绕组对定子/外壳的寄生电容Cws。EDM电流的产生是由于逆变器共模电压在电机轴承上产生寄生电压降，当轴承润滑脂中的击穿场强超过一定值时，就会引发EDM电弧放电。这些现象会导致轴承内壁产生搓板式条纹，从而在电机运行中产生巨大噪音，并可能导致轴承出现不可预测的故障。
在实际应用中，我们可以通过降低逆变器开关器件IGBT的du/dt、采用绝缘轴承、加装逆变器输出共模扼流圈和对电机转子通过碳刷接地等方法，显著降低流经轴承的高频电流。然而，由于共模电压引起的轴承润滑脂绝缘失效的放电现象难以控制。
电机轴电流对轴承的典型损坏包括由逆变器共模电压引起的EDM电弧电流。通过电机的寄生电容网络CWR、Crs、Cb和逆变器共模电压UCM，我们可以计算出电机轴承上的电压Ub。实验表明，一旦轴承上的电压（红色）无法跟随逆变器的共模电压（黑色），就代表着绝缘失效，轴承上产生了电火花放电，进而产生高频循环漏电流。
两电平和三电平共模电压值对轴电流的产生有重要影响。老师详细分析了两种电压值，并指出三相共模电压可以通过三相相电压之和除以3得到。在空间矢量调制方式下，两电平8种开关状态中会出现2种共模电压±1/2Uzk、±1/6Uzk；在三电平27种开关状态下，理论上会有4种电压0、±1/2Uzk、±1/3Uzk、±1/6Uzk，但实际使用中很少出现±1/2Uzk的情况。
为了分析轴电流，我们定义了TCM和Ts。图9表示了在不同调制比下，两电平和三电平各种共模电压所占的占空比对比。我们可以发现，在较低调制比下，两电平的1/2Uzk占比很高，并随着调制比上升降低；在高调制比下，取而代之的是1/6Uzk的共模分量占主导。
在电机驱动系统中，母线电压、IGBT的开关频率是设计参数，一般不会随意改变，而du/dt与开关器件的动态特性有关，可以得以优化。IGBT的du/dt与栅极驱动电阻、结温和开通电流有关，低温小电流时du/dt更高。要降低du/dt，可以用大的驱动栅极电阻，但会牺牲动态损耗。
总结来说，电机产生轴电流的原因有三种，我们有很多应对方式。其中，我们发现逆变器拓扑的选择也会影响电机的轴电流。使用三电平逆变器拓扑在低速下可以降低逆变器共模电压在轴承中发生轴电流的次数。此外，我们还可以通过优化逆变器中IGBT的du/dt来减小轴电流，从而达到延长电机使用寿命的目的。
