- 頭條軸承絕緣對雙饋異步發電機高頻軸電壓和軸電流的抑制效果2021-05-02 作者：劉瑞芳 陳嘉垚 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語由于雙饋異步發電機采用變頻器轉子側供電，變頻器產生的高頻共模電壓經電機雜散電容耦合在轉軸上感應出軸電壓，其引起的軸電流會帶來軸承早期失效。針對該問題，目前主要采用軸承部位絕緣同時轉軸經電刷接地的方案來抑制軸電壓和軸電流，而不同絕緣方案的抑制效果有待從機理上進行分析。 北京交通大學電氣工程學院的研究人員劉瑞芳、陳嘉垚、朱健、任雪嬌，在2020年《電工技術學報》增刊1上撰文，針對絕緣軸承座、絕緣端蓋以及絕緣軸承三種方案的軸電壓和軸電流的抑制效果，對絕緣層所處的位置、絕緣層的厚度和材料對軸承分壓比影響進行了計算。 分析表明，混合陶瓷軸承可有效抑制軸電流。采用較厚的絕緣層時，絕緣端蓋和絕緣軸承座抑制軸電壓效果較明顯，但需要配合電刷才能抑制軸電流。由于噴涂絕緣軸承的涂層一般較薄，因此，采用噴涂絕緣軸承并不能有效降低高頻軸電壓，也不能有效抑制高頻軸電流。
可再生資源發電近年來得到我國政府部門的大力支持，光伏發電和風能發電等清潔能源發電方式分布越來越廣泛。在風力發電系統中，雙饋異步發電機（Doubly-Fed Induction Generator, DFIG）是目前主要使用的一種形式。
它通過電力電子變換器（變流器）對轉子實施交流勵磁，一般可在同步轉速上、下的30%范圍內運行，此時變流器容量僅為發電機額定功率的30%左右；也可隨變流器容量的增加獲得更寬的運行速度范圍。并且，電機可以在變化的轉子轉速情況下保持穩定的頻率并優化發電量，還具備對有功功率和無功功率進行調節的功能。
由于具有變流器容量小、體積小、成本低等優點，使得這種拓撲結構成為眾多風電設備制造商、運營商青睞的風電系統結構形式。雙饋異步風力發電系統如圖1所示。
圖1 雙饋異步風力發電系統
系統采用雙饋異步發電機，定子繞組通過變壓器直接連接到電網，轉子繞組通過三相交-直-交變換器實現交流勵磁，電功率可以通過定子、轉子雙通道與電網實現交換。轉子勵磁變換器通常采用三相兩電平電壓型脈沖寬度調制（Pulse Width Modu- lation, PWM）變換器結構，按其位置兩PWM變換器可分別稱為網側變換器和轉子側變換器。
雙饋異步發電機系統中變流器開關供電會產生高頻共模電壓，而電機內部存在的雜散電容為共模電壓的傳導提供了通路，導致了在電機轉軸上感應出高頻軸電壓。電機軸承內外滾道分別與轉軸和端蓋/機殼相連。高頻軸電壓就施加在了軸承內外滾道上，軸承的滾道和滾動體間有潤滑油膜，當軸電壓超過潤滑油膜的擊穿電壓時，會導致油膜擊穿產生放電電流。長期的軸電流會導致軸承產生坑蝕，繼而帶來噪聲振動，引起軸承早期失效。
由于軸承是電機系統中的一個關鍵零部件，其安全性能關乎整個系統的安全穩定，因此軸電流問題得到廣泛關注，包括電機和變頻器生產廠家，如ABB、西門子；風力發電運營企業、電機維修廠家；軸承生產廠家，如FAG等軸承制造商。
- J. Zitzelsberger等圍繞雙饋異步發電機的軸電流問題建立了相應的電路模型，指出雙饋電機中軸電流模型與變頻電動機軸電流模型的區別，也找到前者軸電流更加嚴重的原因。
- M. Whittle等在此基礎上，推導電機電容解析計算公式，進行了軸電流的仿真計算。
- J. Adabi等也針對軸電流模型中的等效電容計算進行了研究。
- 有學者提出改進的PWM控制策略來抑制軸電壓的方案。
- 有學者針對大型雙饋異步風力發電機提出一種變流器LCL濾波新方法用于抑制共模電壓從而抑制軸電壓。
- Gerwin Preisinger作為軸承廠家提出了混合陶瓷深溝球軸承的軸電流抑制方案。
- 有學者對現有的雙饋異步發電機軸電壓抑制方案進行了總結，并提出一個組合方案：施加共模抑制磁環，安裝接地電刷，以及絕緣端蓋和聯軸器等組合抑制方案。并給出了采取方案前后的軸電壓對比結果。
在實際應用中，風力發電機制造商為抑制軸電壓、軸電流采取的方案主要是轉軸經電刷接地并配合軸承部位絕緣。電機轉軸接地，可以將軸上感應的電荷經接地線引入到地，從而消除軸承內外圈的電壓差，從理論上它可以完全解決軸電流問題。
但電刷使用時存在磨損，需要定期更換，由于風力發電機安裝在很高的地方，電刷維修更換費用非常高。當電刷接觸不良但沒有及時更換時，軸承電腐蝕引起的軸承損壞會頻繁出現。這也間接說明單獨采用軸承絕緣對軸電流的抑制效果不好。
軸承部件的絕緣可以采取多種方案，如絕緣端蓋、絕緣軸承座、軸承內圈及外圈加涂層，或者混合陶瓷深溝球軸承。軸承絕緣對軸電流的抑制機理并不明了，各種方案的效果還有待比較。
北京交通大學的研究人員針對絕緣軸承方案對雙饋異步風力發電機高頻軸電流抑制效果進行了研究。建立了雙饋異步風力發電機軸電流分析模型，導出軸承分壓比公式，把各類軸承部位絕緣用電容參數加入到軸電流等效模型中；以軸承分壓比的變化來對比各類絕緣方案軸電流抑制效果；并探討軸承絕緣位置、厚度以及材料對抑制效果的影響。
圖2 陶瓷噴涂球軸承
圖3 混合式深溝球軸承
對于絕緣軸承座、絕緣端蓋以及噴涂絕緣軸承，這三種方案的原理是一樣的，依靠絕緣層阻抗的分壓作用來減小軸承電壓。絕緣層所在的位置、絕緣層厚度等參數會影響絕緣層電容數值。絕緣層電容越小，效果越好。
由于陶瓷噴涂軸承方案中絕緣層的厚度很小，因此不能有效解決由變頻器共模電壓引起的高頻軸電壓和軸電流問題。而絕緣端蓋或絕緣軸承座方案當絕緣層較厚時，會對軸電壓有較為明顯的抑制效果，但由于絕緣層厚度在工藝上的限制，不可能消除軸電壓，仍然需要電刷將軸和地導通，實現消除軸電壓。而采用混合陶瓷軸承，可以從根本上隔開軸承內、外滾道，不會產生軸承電腐蝕。
討論絕緣方法抑制高頻軸電流問題時，不能僅考慮絕緣電阻對低頻電流的阻斷效果，更要考慮絕緣層電容帶來的影響。
以上研究成果發表在2020年《電工技術學報》增刊1，論文標題為“軸承絕緣對雙饋異步發電機高頻軸電壓和軸電流抑制效果研究”，作者為劉瑞芳、陳嘉垚、朱健、任雪嬌。
