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节能改造关注问答
1、

电机的过载能力

通常讲电机的过载能力其场合为:有变频器或伺服驱动器拖动的同步或异步电机。

记得有一个客户要求电机具有8倍的过载(同步伺服电机),竟然有一个厂家说他们能做。有些参数瞎说是会害死人的。

8倍过载能不能做,当然能,但是没有意义,只是文字上的游戏而已。

一个电机设计和制造的水平高低,有一个参数就是功率密度,就是电机的体积和质量与功率的比值(或者只说质量吧)这个值如果能做上去,那就是高水平的电机,通常来讲,这个值的范围对不同的电机厂家来讲,差异不会很大,如果真的能做点高的话,恭喜你,你发大财了,那就是电机行业的重大突破。

回过头来,我们再看看过载能力到底是什么,所谓的过载能力就是电机的最大扭矩与额定扭矩的比值。

当一个电机被制造出来以后,他的最大扭矩这个值就被确定了,基本上是不能有很大变化的,这个就是上边所讲的功率密度所决定的,当然,你要是和我较真的话,我还得把变频器的参数考虑进来,不同的变频器控制下,这个值也稍有变化。但是另一个参数额定扭矩就不是确定的了,它是与电机冷却方式密切相关的,自然冷却的额定扭矩《强制风冷的额定扭矩《水冷(或油冷)的额定扭矩。那么这三种方式那个过载能力高呢,当然是自然冷却的高了,但那个电机最贵的,水冷(或油冷)方式的了。

如果有人告诉你他的电机的过载系数很高,你要先问他一下电机的最大扭矩,然后问他一下电机的重量。拿这两个参数和别的电机比一下,呵呵,如果这两个参数相接近的两个电机,过载系数高的那个电机的冷却就是做的很差的那个。



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2、

高压电机启动方式

电机容量小于电源容量且1000KW以下的可直接启动,这时的冲击电流是额定值的3-6倍(当然同步电机的直接启动指的是同低压的一样,先异后同等方法)。为了防止冲击电流过大,对于大电机必须考虑减少启动电流的启动方式:有串电抗启动,变频启动,液力偶合器启动等多种方式。有复杂有简单。

高压电机要实现调速,主要采用三种方式:

(1)液力耦合器方式。即在电机和负载之间串入一个液力耦合装置,通过液面的高低调节电机和负载之间耦合力的大小,实现负载的速度调节;

(2)串级调速。串级调速必须采用绕线式异步电动机,将转子绕组的一部分能量通过整流、逆变再送回到电网,这样相当于调节了转子的内阻,从而改变了电动机的滑差;由于转子的电压和电网的电压一般不相等,所以向电网逆变需要一台变压器,为了节省这台变压器,现在国内市场应用中普遍采用内馈电机的形式,即在定子上再做一个三相的辅助绕组,专门接受转子的反馈能量,辅助绕组也参与做功,这样主绕组从电网吸收的能量就会减少,达到调速节能的目的。

(3)高低方式。由于当时高压变频技术没有解决,就采用一台变压器,先把电网电压降低,然后采用一台低压的变频器实现变频;对于电机,则有两种办法,一种办法是采用低压电机;另一种办法,则是继续采用原来的高压电机,需要在变频器和电机之间增加一台升压变压器。



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3、

发电机转子的交流阻抗试验方法

一、发电机转子交流阻抗试验的目的

如果转子绕组出现匝间短路,则转子绕组有效匝数就会减小,其交流阻抗就会减小,损耗会有所增大,因此,通过测量转子绕组交流阻抗和功率损耗,与历次试验数据相比,就可以有效地判断转子绕组是否有匝间短路。

二、试验方法及注意事项

1.试验方法

向转子绕组施加交流电压,读取电压、电流及功率损耗值。

施加电压的大小通过调压器调节。

2.试验用仪器

(1)转子交流阻抗测试仪、调压器。

(2)在现场没有转子交流阻抗测试仪时,可使用调压器、标准CT、交流电压表、交流电流表、有功功率表。

3.用交流阻抗测试仪测量

4.无功补偿装置的作用

无功补偿装置是通过感性电流和容性电流之间的关系,可补偿试验电流30A到100A,对于大型发电机组,本试验使用的调压器如果有条件并接无功补偿装置,则调压器容量可以大大减小,可使用6KVA、250V的调压器。如果没有无功补偿箱,调压器容量将达到10KVA,比较笨重。

5.注意事项

(1)阻抗和功率损耗值自行规定。在相同试验条件下与历年数值比较,不应有显着变化。

(2)隐极式转子在膛外或膛内以及不同转速下测量。

(3)每次试验应在相同条件、相同电压下进行,试验电压峰值不超过额定励磁电压。

(4)转子到现场后,未穿入发电机前,应做膛外转子交流阻抗试验,穿入发电机后,可做膛内测试。此项目属于单体试验,应由安装单位进行。

(5)机组整套启动前,提前准备试验仪器及接线。测试工作负责单位由调试单位和安装单位协商进行。

(6)在机组升速过程中,选取不同的转速点测试,直到机组定速3000转。

(7)机组超速试验后,应再次进行本试验。

(8)试验时,应注意与励磁回路断开。以避免对励磁回路造成损害;受励磁设备的影响,不能加压。

(9)试验时,应选取足够容量的外接临时电源,并不使用带漏电保护的电源开关。

(10)试验前,应确认碳刷研磨符合工艺要求,以避免影响试验数据的准确性。

6.碳刷研磨的必要性

碳刷的弧度应研磨至和滑环的弧度一样,不然升速时转子打火很厉害,况且电弧产生熄灭间会有过电压,另外也直接影响到试验接线各环节接触的良好性,从而影响试验数据的准确性。

另外,所有的测量线好用粗短线,因为有功功率损耗大部分消耗在转子线圈上,还有一部分会消耗在测量导线上,应尽量减少测量导线的有功损耗。

7.试验危险点及危险源

(1)连接工作电源时可能造成电对人体的危害。

(2)测试过程中人体接触到被试回路中设备,造成电对人体的危害。

(3)测试过程中因励磁回路电源未断开,带电拔碳刷,会产成电弧导致对设备的损害。

(4)向滑环上施加电压时,在旋转的转子旁工作时容易产生对人的危害。

8.试验安全措施

(1)在试验现场应用能迅速断开电源的开关。

(2)试验电源容量必须满足要求。

(3)必须在现场试验人员知晓的情况下,才能送上试验电源。试验结束后,必须断开试验电源才能撤离现场。

(4)在向转子夹接试验线时,应避免对人身的伤害,以及对转子滑环、碳刷架的损坏。

三、试验接线

使用仪器仪表:调压器、标准CT、交流电流表、交流电压表、有功功率功率表。

仪器仪表选用:要求提供交流阻抗测试仪膛外试验的数据,根据其施加电压选取交流电压表,根据试验结果选取标准CT、交流电流表、有功功率表。

四、试验结果判断及报告

1.试验结果判断

在相同试验条件下与历年数值比较,不应有显着变化。

2.试验报告应反映的数据

报告内容包括:项目名称、试验依据、仪表型号、编号、环境温度和湿度、测试时间、测试地点、被试设备名称、试验人员、试验结果及分析、结论。



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4、

电机扭矩试验台的结构组成

电机微扭矩检测试验台主要分硬件部分和软件部分,硬件部分由气缸、伺服电机、伺服卡、采集卡、工控机等来协调待测EPS电机的运转。软件部分主要是驱动伺服、气缸协同工作,控制设备的运行来完成检测,并从采集卡实时采集角度、扭矩传感器输出电压等数据参数,根据各项试验的数据绘制图表报告,计算产品损耗扭矩、波动扭矩,并标定产品是否合格。

测试台硬件本试验的硬件部分主要是来控制扭力传感器和电机、气缸的协调动作,实时进行数据采集,主要包含如下部分:

(1)气缸:测试过程开始前将伺服与待测EPS电机键槽推送到位。

(2)伺服电机:用来控制待测EPS电机的转动,并反馈角度。

(3)采集卡:用来采集各项实时参数,包括角度、扭矩。选用NIPCI6280采集卡。

(4)伺服卡:用来驱动伺服电机,精准控制电机运行动作。

选用研华PCI1240U(四轴)伺服卡。

硬件部分的工作原理主要是根据所确定的动作来完成。采用多功能采集卡进行模拟、数字信号的输入输出采集,伺服卡控制电机的各种运动状态(不同转速、方向)。



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5、

步进电机抗干扰能力的分析

在试验机控制系统中,采用工控机测量冲击电压电流波形时,电磁干扰是影响测试结果的重要问题。为了使测量结果尽可能的准确,除了让分压器尽可能的靠近试品接地和在测量电缆末端增设衰减器等常规措施外,在测量回路中采用同轴电缆的平衡接法,能够消除由于地电位的升高而引起的电缆的共模干扰。

两根电缆的长度和波阻抗必须相同,并且首末端同时匹配。通过以上措施,减弱了球隙瞬间放电引起的电磁干扰,消除了地电位的升高引起的共模干扰。

抗干扰能力低是步进电机在控制电路中的一个显著缺点,要保证步进电机稳定可靠工作,必须采取相应的措施保护步进电机及其驱动器。该控制系统在设计时采取了以下必要的保护措施:

1)安装隔离变压器和低通滤波器,防止强脉冲干扰信号串入步进电机的供电电源,烧坏步进电机驱动器的供电模块;

2)遵守“一点接地”原则,将步进电机的PE端、脉动信号的负端、方向信号负端、电源滤波器外壳、步进电机的外壳、以及步进电机和驱动器之间的电缆保护套一点接地并且接在屏蔽箱的外壳上;

3)在脉冲信号和方向信号的输入端增加瞬态电压抑制二极管(TVS),保护步进电机驱动器。



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6、

电机扭矩试验台的软件功能

电机扭矩测试台软件主要是控制硬件部分协同工作,控制伺服转速、方向,控制气缸松开、压紧,并实时采集输出信号数据,将所数据实时保存并绘制测试报告,以反映各参数之间的特性,并完成数据的分析处理。

软件主要有如下几个模块:

(1)数据存储模块:系统运行配置文件存储为ini配置文件;EPS电机的基本参数信息、伺服控制参数、实时采集数据等存放于SQLSERVER数据库,方便查询修改。

(2)基本设置模块:主要用来设置包括转速、产品型号、产品名称、判定参数、采集卡的各模拟量、数字量和计数器采集通道与实际参数的对应关系,以及用于测试绘制图表的各项坐标参数值如:角度、电压等。产品编号支持自动编号和扫描枪输入。

(3)权限管理模块:因系统配置比较灵活,为避免不恰当的误操作,以及测试数据结果的保密要求等分配相应的权限。

(4)测量功能模块:启动测试后将按照规定的流程进行一次完整的检测并计算测试结果、绘制图件报告,测试过程中可以手动干预退出检测。

测试程序流程如下:

①检测EPS电机是否安装,自动寻找起测点。

②伺服逆时针回转45°,稳定200ms,然后顺时针转动45°,并启动采集线程,实时绘制扭矩与角度关系曲线;伺服先回转45°是为了消除伺服启动过程加速时造成扭矩跳动,影响测试的真实性。

③伺服顺时针回转45°,稳定200ms,然后逆时针转动45°,并启动采集线程,实时绘制扭矩与角度关系曲线。

④正反行程测试完成后,伺服电机回到系统初始零位并松开气缸,根据测试数据计算正、反形成的损耗扭矩和波动扭矩,与基准值比较后判断产品是否合格。



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7、

实现土层受扰动信号的远程采集以及盾构机刀盘的多电机同步驱动

综合试验台的设备组成掘进机试验台主要分为两部分:土箱加载部分及盾构机本体部分。土箱加载部分对实际掘进土质状况进行模拟,盾构机本体部分用来完成掘进施工。综合试验台的底层信号掘进机试验台土箱加载部分的信号主要是由压力传感器与位移传感器组成。而且这两类信号都不是标准信号,需要进行前期信号处理,再进行远程传输。盾构机本体部分的信号,大多是标准信号,较容易采集。

监控系统的组成由于盾构机的控制都是由PLC来完成,为了保证系统的统一性,基于全集成控制的理念,系统组成如下:土箱加载部分和盾构机本体部分,各用一套PLC、各用两套上位监控软件;后台数据分析用服务器一台。本设计用Profinet与Profibus实现土层受扰动信号的远程采集,以及盾构机刀盘的多电机同步驱动。使用交换机可以把网络分成盾构机本体、土箱加载部分和数据库管理三个网段,将负荷分隔开来,使整个网络性能增强。

盾构机本体部分的开关量与模拟量信号,通过ET200S采集到现场总线Profibus;土箱加载部分的土层压力信号,通过信号放大处理由ET200M采集到现场总线Profinet;土箱加载部分的土层位移信号,经过信号处理,通过485转换器采集到现场总线Profibus。通过现场总线Profibus,实现以PLC为控制器、以S120为执行器的盾构机刀盘的同步驱动控制。



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8、

浅谈IDirve矢量控制四象限高压变频器


2.3.2、矢量控制算法

其矢量系统的控制系统框图为:

在基于转子磁场定向的矢量控制系统中,首先把电机三相电流等同于两相静止的α-β轴坐标系,然后再转换成旋转的D-Q轴坐标系,此时:

注:

并使D轴与转子磁通方向重合,此时转子磁通的Q轴分量为零,可以得到:

把此式带入上式,经过化简可以得到:

矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能,而最终实施仍然是对定子电流的控制。借助于坐标变换,使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系,站在同步旋转的坐标系上观察,电动机的各空间矢量都变成了静止矢量,在同步坐标系上的各空间矢量就都变成了直流量,可以根据上述转矩公式的几种形式,找到转矩和被控矢量的各分量之间的关系,实时地计算出转矩控制所需的被控矢量的各分量值——直流给定量。按这些给定量实时控制,就能达到直流电动机的控制性能。由于这些直流给定量在物理上是不存在的,是虚构的,因此,还必须再经过坐标的逆变换过程,从旋转坐标系回到静止坐标系,把上述的直流给定量变换成实际的交流给定量,在三相定子坐标系上对交流量进行控制,使其实际值等于给定值。在矢量变换的控制方法中,需用到静止和旋转的坐标系,以及矢量在各坐标系之间的变换,交流电机的矢量控制,需要把电机的ABC三相定子静止坐标系的电流Ia、Ib、Ic、变换成α和β两相静止坐标系(Clarke变换),也叫三相-二相变换,再从两相静止坐标系变换成同步旋转磁场定向坐标系(Park变换),等效成同步旋转坐标系下的直流电流Iq、Id(Id相当于直流电动机的励磁电流);Iq相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标逆变换(Park逆变换)(Clarke逆变换),实现对电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交解耦控制,实现低频大转矩能力。

IDrive矢量控制四象限变频器,可广泛应用于提升类负载、对转速控制精度及速度要求苛刻、要求低频大转矩等复杂工况,帮助用户进一步提高工艺自动化水平,节能减排,增加更多的经济收益。



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9、

变频电机轴电压与轴电流的产生机理分析


3.轴承模型与轴承电流的产生由于分布电容的存在和高频脉冲输入电压的激励作用,电机轴上形成耦合共模电压。事实上,轴电压的出现不仅与上面两个因素有关,且和轴承结构有着直接关系。转子前后端均由一个轴承支撑,其结构如图3所示。以其中一个轴承为例,轴承的滚道由内滚道与外滚道组成,当电机转动时,轴承中的滚珠被润滑油层包围,由于润滑油的绝缘作用,轴承滚道与滚珠之间形成电容,如图3b)所示。这两个电容在转子-定子回路中以串联形式存在(为便于分析,不考虑滚珠的阻抗),可以等效成一个电容cbi,i代表轴承中的第i个滚珠。对于整个轴承而言,各个滚珠与滚道之间的电容以并联形式存在。所以整个轴承内可以等效成一个电容cb。据对轴承的分析,轴承可用一个带有内部电感和电阻的开关来等效。当滚珠未与滚道接触时,开关断开,转子电压建立;当转子电压超过油膜门槛电压时,油膜击穿开关导通,转子电压迅速内放电,在轴承内形成较大放电电流。va、vb和vc为电机三相输入电压,l’、r’和c’为输入电压耦合到转子轴的等效集中参数,cg为crf和cb并联后的等效电容。当轴承滚珠和滚道接触或者轴承内油层被击穿时,cb不存在,此时cg仅代表转子轴对机壳的耦合电容。电容cb是一个多个变量的函数:cb(q,v,t,η,λ,λ,εr)[2]。其中q代表功率,v代表油膜运动速度,t代表温度,η代表润滑剂粘性,λ代表润滑剂添加剂,λ代表油层厚度,εr代表润滑剂介电常数。轴承电容cb与定子到转子耦合电容csr,比定子到机壳耦合电容csf和转子到机壳耦合电容crf小得多。这样一来,耦合到电机轴承上的电压便不至于过大,这是因为crf与cb并联后的电容比耦合回路中与之串联的csr大得多,而串联电容回路中,电容越大承受的电压反而越小。事实上,根据分布电容的特点,很大一部分共模电流是通过定子绕组与铁芯之间的耦合电容csf传到大地去的,因此轴承电流只是共模电流的一部分。从图4可看出,形成轴承电流有两种基本途径。一是由于分布电容的存在,定子绕组和轴承形成一个电压耦合回路,当绕组输入电压为高频pwm脉冲电压时,在这个耦合回路势必产生dv/dt电流,这个电流一部分经crf传到大地,另一部分经轴承电容cb传到大地,即形成所谓的dv/dt轴承电流,其大小与输入电压以及电机内分布参数有关。二是由于轴承电容的存在,电机轴上产生轴电压,当轴电压超过轴承油层的击穿电压时,轴承内外滚道相当于短路,从而在轴承上形成很大放电电流,即所谓的电火花加工(electricdischargemachining-edm)电流。另外,当电机在转动时,如果滚珠和滚道之间有接触,同样会在轴承上形成大的edm电流。为了定量edm及dv/dt电流对轴承的影响,轴承内的电流密度十分关键。建立电流密度需估计滚珠与滚道内表面的点接触区域。根据赫兹点接触理论(hertzianpointcontacttheory),轴承电气寿命可用如下公式求得[2]:eleclife(hrs)=(7)式中,代表轴承电流密度。一般而言,dv/dt电流对轴承寿命影响很小,而由edm产生的轴承电流密度很大,使得轴承寿命大大降低。另外,空载时轴承损坏程度反而比重载时大得多,这是因为重载时轴承接触面积增大,无形中减小了轴承电流密度。

4.轴电压与轴承电流的仿真分析为进一步讨论轴承电流与pwm逆变器输出电压特性以及电机端有无过电压之间的关系,本文对dv/dt电流与edm电流两种形式的轴承电流分别进行仿真分析,结果发现,轴承电流不仅与逆变器载波频率有关,且与逆变器输出脉冲电压的上升时间有关,同时当电机端出现过电压时轴承电流明显增加。先假定电缆长度为零,根据轴承电流的存在形式可知,dv/dt电流主要是由输入跳变电压引起,因此dv/dt电流大小与逆变器载波频率和电压上升时间有关。逆变器载波频率越高,一个正弦波周期内产生的dv/dt电流数量也就越多,但此时电流幅值不变。脉冲电压上升时间是影响dv/dt电流幅值的决定性因素,另外分布电容的大小也影响dv/dt电流幅值。而edm电流产生的直接原因是轴电压的存在,因此轴电压的大小决定了edm电流幅值,轴电压的大小决定于输入电压的大小及电机内分布电容的大小。虽然逆变器载波频率和脉冲电压上升时间都会影响轴电压的形状,但轴电压的峰值与二者都没有关系,因此edm电流与二者也没有本质的联系,这是edm电流与dv/dt电流最大区别之处。当然,edm电流还与轴承油层的击穿电压有关,击穿电压越高,产生的edm电流越大。为讨论方便,假设轴承击穿电压大于或等于轴电压。

4.1改变上升时间tr仿真得到不同上升时间的轴电压与轴承电流波形如图5所示,其中图a)和b)为轴电压波形,图c)和d)为轴承电流波形,电流波形中第一次出现振荡的为edm电流,其他为dv/dt电流。由分析可知,1)tr增大轴承电流减少,包括dv/dt电流与edm电流。尤其是dv/dt电流幅值减小十分明显,但tr对edm电流的影响不大,这主要是因为edm电流由轴电压以及轴承阻抗决定;2)当tr小于一定值(约为200ns)后,dv/dt电流甚至高于edm电流;3)改变上升时间对轴电压的影响不大;4)特殊现象:轴电压在电压击穿时出现两次振荡,tr不影响第一次振荡,但影响第二次振荡,且第二次振荡随着tr的上升而减少,其原因是轴承短路后定子绕组到转子的耦合路径依然存在,所以出现一个dv/dt电流振荡。

4.2改变耦合参数及轴承参数定子绕组对转子的耦合电容越大,轴电压越高,dv/dt电流与edm电流均增加;轴承电容减小,dv/dt电流减小;但edm电流基本不变,此时轴电压上升。其原因是:在共模电路中,轴电压是由定子绕组对转子铁心的电压耦合造成的,维持这一电压的存在靠轴承电容以及转子对机壳耦合电容。由于后两者并联,再与前者串联,因此轴电压按电容值进行分配,电容越大压降越小。一般情况下,轴承电容与转子对机壳耦合电容比定子绕组对转子耦合电容大得多。在只改变轴承电容的情况下,轴承电容越小,整个并联电容等效值下降,轴电压反而上升,由于轴承上的dv/dt电流与容抗及dv/dt成正比,在dv/dt不变时,容抗减小,dv/dt电流下降。仿真结果如图6所示。

5.抑制办法从前面的理论研究和仿真分析可以看出,电机轴承电流产生的一个主要原因是逆变器输出的高频脉冲具有过高的dv/dt前后沿,由此可知,抑制轴承电流的有效办法就是降低逆变器输出电压的dv/dt。但是,逆变器本身输出的脉冲电压上升时间是由功率器件的开关特性决定的,因此只能在逆变器输出端附加装置改变其输出电压的dv/dt。降低逆变器输出电压上升沿dv/dt的一个最直接的办法是在逆变器输出端串上大的电抗器,即可构成所谓的“正弦波滤波器”,逆变器输出的脉冲电压在经过大电抗器后成为完全的正弦波电压,这样便可以消除轴电压与轴承电流。但是这种办法的代价是电抗器的功率损耗大,体积大,造价高,在普通的变频调速系统中应用不是很合适。本文采用折中办法,在逆变器输出端串接电感值不大的电感以抑制电流的快速变化,同时在输出端线间设置rc电抗以吸收输出电压的高次谐波,这样可以适当降低输出脉冲电压上升沿的dv/dt值,达到抑制轴承电流的目的。逆变输出滤波器降低了电机输入脉冲电压的电压上升率,这样一来,电机内分布电容的电压耦合作用便会大大减弱,轴电压以及由此引起的edm电流都会下降,同时由于电压变化率引起的dv/dt电流也会明显减少,因此滤波器可以有效地抑制轴承电流的产生。图8给出了加入滤波器(未接地)前后的电机轴承电流仿真波形,其中,逆变器载波频率为5khz,脉冲电压上升时间为200ns,电缆长100m。从图中可以看出,无论edm电流还是dv/dt电流都明显减少。仿真中还发现,将滤波器接地,无论dv/dt电流还是edm电流相对不接地而言均显着减少,其原因是rc吸收高次谐波的作用更强,能够更好地改善电压波形。

6.在高频pwm脉冲输入下,电机内分布电容的电压耦合作用构成系统共模回路,从而引起轴电压与轴承电流问题。轴承电流主要以三种方式存在:dv/dt电流、edm电流和环路电流。轴电压的大小不仅与电机内各部分耦合电容参数有关,且与脉冲电压上升时间和幅值有关。本文着重讨论前两种方式的轴承电流。dv/dt电流主要与pwm的上升时间tr有关,tr越小dv/dt电流的幅值越大。逆变器载波频率越高,轴承电流中的dv/dt电流成分越多。edm电流出现存在一定的偶然性,只有当轴承润滑油层被击穿或者轴承内部发生接触才可能出现,其幅值主要取决于轴电压的大小。以降低脉冲电压上升率为原则,设计一种在逆变器输出端串小电感并辅以rc吸收网络达到抑制轴电压与轴承电流的目的,仿真结果验证了该方法的有效性。



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