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    4 軸電壓與軸承電流的仿真分析

    為進一步討論軸承電流與PWM逆變器輸出電壓特性以及電機端有無過電壓之間的關系，本文對dv/dt電流與EDM電流兩種形式的軸承電流分別進行仿真分析，結果發現，軸承電流不僅與逆變器載波頻率有關，且與逆變器輸出脈沖電壓的上升時間有關，同時當電機端出現過電壓時軸承電流明顯增加。

    先假定電纜長度為零，根據軸承電流的存在形式可知，dv/dt電流主要是由輸入跳變電壓引起，因此dv/dt電流大小與逆變器載波頻率和電壓上升時間有關。逆變器載波頻率越高，一個正弦波周期內產生的dv/dt電流數量也就越多，但此時電流幅值不變。脈沖電壓上升時間是影響dv/dt電流幅值的決定性因素，另外分布電容的大小也影響dv/dt電流幅值。而EDM電流產生的直接原因是軸電壓的存在，因此軸電壓的大小決定了EDM電流幅值，軸電壓的大小決定于輸入電壓的大小及電機內分布電容的大小。雖然逆變器載波頻率和脈沖電壓上升時間都會影響軸電壓的形狀，但軸電壓的峰值與二者都沒有關系，因此EDM電流與二者也沒有本質的聯系，這是EDM電流與dv/dt電流最大區別之處。當然，EDM電流還與軸承油層的擊穿電壓有關，擊穿電壓越高，產生的EDM電流越大。為討論方便，假設軸承擊穿電壓大于或等于軸電壓。

    4.1 改變上升時間tr

    仿真得到不同上升時間的軸電壓與軸承電流波形如圖5所示，其中圖a)和b)為軸電壓波形，圖c)和d)為軸承電流波形，電流波形中第一次出現振蕩的為EDM電流，其他為dv/dt 電流。由分析可知，1）tr增大軸承電流減少，包括dv/dt電流與EDM電流。尤其是dv/dt電流幅值減小十分明顯，但tr對EDM電流的影響不大，這主要是因為EDM電流由軸電壓以及軸承阻抗決定；2）當tr小于一定值（約為200ns）后，dv/dt電流甚至高于EDM電流；3）改變上升時間對軸電壓的影響不大；4）特殊現象：軸電壓在電壓擊穿時出現兩次振蕩，tr不影響第一次振蕩，但影響第二次振蕩，且第二次振蕩隨著tr的上升而減少，其原因是軸承短路后定子繞組到轉子的耦合路徑依然存在，所以出現一個dv/dt電流振蕩。

    4.2 改變耦合參數及軸承參數

    定子繞組對轉子的耦合電容越大，軸電壓越高，dv/dt電流與EDM電流均增加；軸承電容減小，dv/dt電流減小；但EDM電流基本不變，此時軸電壓上升。其原因是：在共模電路中，軸電壓是由定子繞組對轉子鐵心的電壓耦合造成的，維持這一電壓的存在靠軸承電容以及轉子對機殼耦合電容。由于后兩者并聯，再與前者串聯，因此軸電壓按電容值進行分配，電容越大壓降越小。一般情況下，軸承電容與轉子對機殼耦合電容比定子繞組對轉子耦合電容大得多。在只改變軸承電容的情況下，軸承電容越小，整個并聯電容等效值下降，軸電壓反而上升，由于軸承上的dv/dt電流與容抗及dv/dt成正比，在dv/dt不變時，容抗減小，dv/dt電流下降。仿真結果如圖6所示。

    5 抑制辦法

    從前面的理論研究和仿真分析可以看出，電機軸承電流產生的一個主要原因是逆變器輸出的高頻脈沖具有過高的dv/dt前后沿，由此可知，抑制軸承電流的有效辦法就是降低逆變器輸出電壓的dv/dt。但是，逆變器本身輸出的脈沖電壓上升時間是由功率器件的開關特性決定的，因此只能在逆變器輸出端附加裝置改變其輸出電壓的dv/dt。降低逆變器輸出電壓上升沿dv/dt的一個最直接的辦法是在逆變器輸出端串上大的電抗器，即可構成所謂的“正弦波濾波器”，逆變器輸出的脈沖電壓在經過大電抗器后成為完全的正弦波電壓，這樣便可以消除軸電壓與軸承電流。

    但是這種辦法的代價是電抗器的功率損耗大，體積大，造價高，在普通的變頻調速系統中應用不是很合適。本文采用折中辦法，在逆變器輸出端串接電感值不大的電感以抑制電流的快速變化，同時在輸出端線間設置RC電抗以吸收輸出電壓的高次諧波，這樣可以適當降低輸出脈沖電壓上升沿的dv/dt值，達到抑制軸承電流的目的。

    逆變輸出濾波器降低了電機輸入脈沖電壓的電壓上升率，這樣一來，電機內分布電容的電壓耦合作用便會大大減弱，軸電壓以及由此引起的EDM電流都會下降，同時由于電壓變化率引起的dv/dt電流也會明顯減少，因此濾波器可以有效地抑制軸承電流的產生。圖8給出了加入濾波器（未接地）前后的電機軸承電流仿真波形，其中，逆變器載波頻率為5KHZ，脈沖電壓上升時間為200ns，電纜長100m。從圖中可以看出，無論EDM電流還是dv/dt電流都明顯減少。仿真中還發現，將濾波器接地，無論dv/dt 電流還是EDM電流相對不接地而言均顯著減少，其原因是RC支路吸收高次諧波的作用更強，能夠更好地改善電壓波形。

    6 結束語

    高頻PWM脈沖輸入下，電機內分布電容的電壓耦合作用構成系統共模回路，從而引起軸電壓與軸承電流問題。軸承電流主要以三種方式存在：dv/dt電流、 EDM電流和環路電流。軸電壓的大小不僅與電機內各部分耦合電容參數有關，且與脈沖電壓上升時間和幅值有關。本文著重討論前兩種方式的軸承電流。 dv/dt電流主要與PWM的上升時間tr有關，tr越小dv/dt電流的幅值越大。

    逆變器載波頻率越高，軸承電流中的 dv/dt電流成分越多。EDM電流出現存在一定的偶然性，只有當軸承潤滑油層被擊穿或者軸承內部發生接觸才可能出現，其幅值主要取決于軸電壓的大小。以降低脈沖電壓上升率為原則，設計一種在逆變器輸出端串小電感并輔以RC吸收網絡達到抑制軸電壓與軸承電流的目的，仿真結果驗證了該方法的有效性。