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#轴电流#轴承绝缘对双馈异步发电机高频轴电压和轴电流的抑制效果

【#轴电流#轴承绝缘对双馈异步发电机高频轴电压和轴电流的抑制效果】
由于双馈异步发电机采用变频器转子侧供电 ， 变频器产生的高频共模电压经电机杂散电容耦合在转轴上感应出轴电压 ， 其引起的轴电流会带来轴承早期失效 。 针对该问题 ， 目前主要采用轴承部位绝缘同时转轴经电刷接地的方案来抑制轴电压和轴电流 ， 而不同绝缘方案的抑制效果有待从机理上进行分析 。
北京交通大学电气工程学院的研究人员刘瑞芳、陈嘉垚、朱健、任雪娇 ， 在2020年《电工技术学报》增刊1上撰文 ， 针对绝缘轴承座、绝缘端盖以及绝缘轴承三种方案的轴电压和轴电流的抑制效果 ， 对绝缘层所处的位置、绝缘层的厚度和材料对轴承分压比影响进行了计算 。
分析表明 ， 混合陶瓷轴承可有效抑制轴电流 。 采用较厚的绝缘层时 ， 绝缘端盖和绝缘轴承座抑制轴电压效果较明显 ， 但需要配合电刷才能抑制轴电流 。 由于喷涂绝缘轴承的涂层一般较薄 ， 因此 ， 采用喷涂绝缘轴承并不能有效降低高频轴电压 ， 也不能有效抑制高频轴电流 。
#轴电流#轴承绝缘对双馈异步发电机高频轴电压和轴电流的抑制效果
本文插图
可再生资源发电近年来得到我国政府部门的大力支持 ， 光伏发电和风能发电等清洁能源发电方式分布越来越广泛 。 在风力发电系统中 ， 双馈异步发电机（Doubly-Fed Induction Generator, DFIG）是目前主要使用的一种形式 。
它通过电力电子变换器（变流器）对转子实施交流励磁 ， 一般可在同步转速上、下的30%范围内运行 ， 此时变流器容量仅为发电机额定功率的30%左右；也可随变流器容量的增加获得更宽的运行速度范围 。 并且 ， 电机可以在变化的转子转速情况下保持稳定的频率并优化发电量 ， 还具备对有功功率和无功功率进行调节的功能 。
由于具有变流器容量小、体积小、成本低等优点 ， 使得这种拓扑结构成为众多风电设备制造商、运营商青睐的风电系统结构形式 。 双馈异步风力发电系统如图1所示 。
#轴电流#轴承绝缘对双馈异步发电机高频轴电压和轴电流的抑制效果
本文插图
图1 双馈异步风力发电系统
系统采用双馈异步发电机 ， 定子绕组通过变压器直接连接到电网 ， 转子绕组通过三相交-直-交变换器实现交流励磁 ， 电功率可以通过定子、转子双通道与电网实现交换 。 转子励磁变换器通常采用三相两电平电压型脉冲宽度调制（Pulse Width Modu- lation, PWM）变换器结构 ， 按其位置两PWM变换器可分别称为网侧变换器和转子侧变换器 。
双馈异步发电机系统中变流器开关供电会产生高频共模电压 ， 而电机内部存在的杂散电容为共模电压的传导提供了通路 ， 导致了在电机转轴上感应出高频轴电压 。 电机轴承内外滚道分别与转轴和端盖/机壳相连 。 高频轴电压就施加在了轴承内外滚道上 ， 轴承的滚道和滚动体间有润滑油膜 ， 当轴电压超过润滑油膜的击穿电压时 ， 会导致油膜击穿产生放电电流 。 长期的轴电流会导致轴承产生坑蚀 ， 继而带来噪声振动 ， 引起轴承早期失效 。
由于轴承是电机系统中的一个关键零部件 ， 其安全性能关乎整个系统的安全稳定 ， 因此轴电流问题得到广泛关注 ， 包括电机和变频器生产厂家 ， 如ABB、西门子；风力发电运营企业、电机维修厂家；轴承生产厂家 ， 如FAG等轴承制造商 。
J. Zitzelsberger等围绕双馈异步发电机的轴电流问题建立了相应的电路模型 ， 指出双馈电机中轴电流模型与变频电动机轴电流模型的区别 ， 也找到前者轴电流更加严重的原因 。
M. Whittle等在此基础上 ， 推导电机电容解析计算公式 ， 进行了轴电流的仿真计算 。
J. Adabi等也针对轴电流模型中的等效电容计算进行了研究 。
有学者提出改进的PWM控制策略来抑制轴电压的方案 。


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