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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 引言现代交流调速系统普遍采用 pwm 技术，以及具有快速切换频率的电力电子器件，如 igbt，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 谐波与谐波分析2.1 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动势相比，这些谐波电流在旋转方向、转速和幅值上都不同。
2、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 在 23 电角度之间，输出波形如图 1 所示，为正、负半波对称的阶梯波。图 1 所示波形用傅立叶级数表示为:式中，1 为变频器输出基波角频率，k 为变频器输出谐波次数，k=1，3，5，7 ，图 1 传统交直交变压变频器电压输出波形图 1 中电压波形呈 1/4 周期对称，在傅立叶级数展开后，系数 bk=0，所以式(1)等价于:根据图 1，将式(2)积分展开
3、，得:由于输出波形对称，所以不存在偶数谐波，故可以令 k=2m-1，得，当 2m-1=3，9，15，时，式(4)等于 0，所以除去偶次谐波外，3 的倍数次谐波也等于 0，只有 5，7 ，11，13，等 6m1 次谐波存在。对于常用的 180导通型的变压变频器，=0，其傅立叶级数为:由此可见，随着谐波次数 k 的增大，输出的各次谐波幅值以 1/k 的比例减小。其 5 次谐波幅值为基波的 20%，7 次为基波的 14.3%，11 次为基波的 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(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,
4、 产生了与载波有关的谐波分量。典型双极型 spwm 变压变频器的输出波形见图 2。图 2 典型双极型 spwm 变压变频器的输出波形spwm 输出电压的谐波 a 为: spwm 变压变频器不存在偶次谐波和 3 倍数次谐波。spwm 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=1,3,5,时，谐波出现在 k=0,2,4,处;n=2,4,6，时，谐波出现在 k=1,3,5,处。spwm 变频器输出谐波与 pwm 控制参数有关，如载波比 n 等(载波比 n=载波频率/调制波频率) 。提高载波比 n 可以使变频器的输出波形接近正弦波，但系统中高次谐波仍然存在。变频器谐波与 pwm 控制模
5、式有关，pwm 的模式也有多种，如准最优 pwm 模式、开关损耗最小 pwm 模式、sapwm 模式。3 轴电流分析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 300mv。
6、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 变频供电方式和使用 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 所示。图 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 所示。图 4 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 pwm 电源存在谐波，所以 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
7、就产生电容。例如，电缆的相线与 pe 线之间有 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，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 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
8、电流等。(1) 高频循环电流定子对地电压 vsng 含有大量谐波, 其峰值可达1/2vsourse，由于定子与机座之间存在寄生电容 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，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 4中 i1。在这种情况下，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。电流幅值取决于电机的额定功率、交流传动功率元件的 du/dt 和直流电压，典型峰值为 320
9、a。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 中的 i2，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) 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) 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
10、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，在轴承处可达数安培/mm2，所以，极易使轴承损坏。4 高频轴电流的预防措施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) 增加接地碳刷, 使转轴接地;(2) 使用绝缘轴承;(3) 使用对称电缆;(4) 增加补偿变压器;(5) 增加绝缘板。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) 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 ，保护接地)必须对称排列;电缆的屏蔽层选用铜编制带，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
11、应不小于相线的 1/2;电缆头两端做 360的接头，并分别与变频柜和电机内接地端连接。 (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。一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 个电感绕在同一磁环上，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
12、，不能消除 10khz 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 所示。图 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) 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
13、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 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。此外各种预防方法的有效性还需要在实践中接受检验。参考文献 1 陈伯时. 电力拖动自动控制系统m. 北京:机械工业出版社,2001.2 韩安荣. 通用变频器及其应用m. 北京:机械工业出版社,2000.3 陈国呈. pwm 变频调速及软开关电力变换技术m. 北京:机械工业出版社,2002. 作者简介张贞宝 工程师 上海交通大学自动化系在读硕士研究生。
