阅读说明：本技术 一种获取交流电机杂散电容的方法 (Method for obtaining stray capacitance of alternating current motor ) 是由 刘瑞芳 杨二乐 王芹芹 赵秦聪 于 2019-12-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种获取交流电机杂散电容的方法。该方法包括：建立交流电机定、转子接地时的共模等效电路；基于所述共模等效电路建立所述交流电机的杂散电容与共模电压、轴电压及定、转子接地阻抗之间的关系式；测量所述交流电机在不同定、转子接地阻抗下的共模电压和轴电压,根据测量得到的共模电压和轴电压并利用所述关系式推算出所述交流电机内部的杂散电容。本发明通过测量三组不同定、转子接地阻抗下的共模电压及轴电压,能够有效地推算出电机内部的杂散电容。可以考虑电机转速、温升等产生的影响,获取实际运行状态下的交流电机内部的杂散电容。(The invention provides a method for acquiring stray capacitance of an alternating current motor. The method comprises the following steps: establishing a common mode equivalent circuit when a stator and a rotor of the alternating current motor are grounded; establishing a relation between stray capacitance of the alternating current motor and common mode voltage, shaft voltage and stator and rotor grounding impedance based on the common mode equivalent circuit; and measuring the common mode voltage and the shaft voltage of the alternating current motor under different stator and rotor grounding impedances, and calculating the stray capacitance in the alternating current motor according to the measured common mode voltage and the measured shaft voltage and by utilizing the relational expression. The invention can effectively calculate the stray capacitance in the motor by measuring the common-mode voltage and the shaft voltage under three groups of different stator and rotor grounding impedances. The influence of the rotating speed, the temperature rise and the like of the motor can be considered, and the stray capacitance in the alternating current motor in the actual running state can be obtained.)

一种获取交流电机杂散电容的方法

技术领域

本发明涉及交流电机电容测量技术领域，尤其涉及一种获取交流电机杂散电容的方法。

背景技术

交流电机的定子绕组放置在定子槽内，槽内有槽绝缘将定子绕组与定子铁心隔开，其间的空隙中也灌入绝缘漆，定、转子之间被气隙隔开，电机定子铁心、定子绕组、转子被绝缘介质所隔开。以三相鼠笼式感应电机为例，可将定子铁心与定子机壳视为一个电极，将转子铁心和转子导条视为一个电极，将定子绕组视为另一个电极，则交流电机中存在以下杂散电容：定子绕组与转子间杂散电容C_wr，定子绕组与定子铁心间杂散电容C_wf，定子铁心与转子间杂散电容C_rf。当在变频供电时，电机的杂散电容为高频共模电压提供低阻抗通路，导致电机轴承上感应出轴电压。

PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)型变频器因具有良好的调速性能和起制动性能以及高效率等优势，被广泛地应用于电力、冶金等各个行业领域的驱动系统中。但是，变频器内部高性能半导体开关器件的使用，带来许多负面影响。PWM变频器内部广泛采用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)开关功率器件。开关器件的快速开断，使得变频系统输出的共模电压具有较高的dv/dt。

采用PWM控制技术的变频器的输出电压为一系列脉冲，用于控制三相交流电动机运行时，变频器与电机三相绕组相连，在电机绕组星形点处与地之间将存在电压差，这就是共模电压V_com，也可以视作变频器输出的零序电压。其大小为V_com＝(V_u+V_v+V_w)/3，其中V_u、V_v和V_w为电机三相对地电压，由于变频器输出为矩形脉冲，V_u、V_v和V_w在任意时刻不可能对称，V_com任意时刻也不为零。

当变频器给三相感应交流电机供电时，共模电压会经过交流电机内部杂散电容形成共模回路，产生高频的共模电流。通常，共模电流的频率范围在几十千赫兹到几百千赫兹。三相感应电动机内部杂散电容有定子铁心对定子绕组电容C_wf、定子绕组对转子铁心电容C_wr、转子铁心对定子铁心电容C_rf。在高频时，交流电机的杂散电容为共模电流提供了低阻抗通路，会在轴承内、外圈之间感应出轴电压。当轴电压超过润滑油膜击穿的阈值电压时，轴承润滑油膜被击穿，击穿瞬间产生轴承击穿电流，该轴承击穿电流称为轴电流。在短时间内，击穿放电电流会产生巨大的热量，温度升高，导致润滑脂性能变差，造成击穿点附近金属熔化，继而产生振动、噪声，导致交流电机轴承过早失效，危害交流电机的可靠运行。

轴电流引发的危害引起了工业行业的广泛关注。针对轴电流进行分析时，需要建立轴电流的等效电路。而建立等效电路涉及到交流电机内部杂散电容参数的确定。

当交流电机的机壳与地、转轴与地存在接地阻抗时，接地阻抗的变化会改变轴承两端的电位分布，进而改变轴电压。因此，可以在不同接地阻抗下，测量相应的共模电压与轴电压，继而推定出交流电机内部的杂散电容。

现有技术中的一种获取交流电机杂散电容的方法为：利用交流电机端口电容与交流电机杂散电容的关系，通过测量三相感应交流电机的端口电容来提取交流电机内部的杂散电容。在该方案中需要拆下交流电机转子，用相同尺寸的塑料轴承取代原有的金属轴承，再装入交流电机中。采用LCR表测量静止的三相感应交流电机的定子绕组与机壳、定子绕组与转轴、转轴与机壳间的端口电容，利用三个端口等效电容与交流电机杂散电容的关系式，联立求解获取交流电机的杂散电容。

上述现有技术中的一种获取交流电机内部的杂散电容的方法的缺点为：

1、无法获取交流电机运行时的杂散电容

在上述测量中要求交流电机处于静止状态，且用LCR表时，要求被测电机不能带电。因此所测得的杂散电容不是交流电机实际运行状态下的参数，不能考虑交流电机转速、温升等产生的影响。

2、测量尺寸较大的交流电机，LCR表需采用较长的连接引线，这样会引入连接引线的杂散参数，引起测量误差。

利用LCR表测量端口电容时，通常为了减小测量线路带来的杂散参数，需要测量线路尽可能短。当交流电机尺寸较大时，需要附加较长的导线来连接LCR表，继而引入杂散电容和电感。因此，会带来测量误差。

3、交流电机需要采用绝缘轴承或者在转轴与机壳间做绝缘处理。

当交流电机采用绝缘轴承或者其他的轴承绝缘方案时，绝缘层把定子端盖和转轴隔开，可以进行交流电机端口电容的测量。当在交流电机使用普通轴承，没有采用绝缘轴承座或绝缘轴承的情况下，在交流电机静止时轴承滚动体与内、外滚道存在金属性接触，导致转子对定子铁心电容C_rf所在支路短接，则无法测量转子对定子铁心电容C_rf，无法确定交流电机杂散电容。因此对于使用非绝缘轴承的交流电机，需要将交流电机拆卸，采用塑料轴承替换原有的金属轴承，增加了测量的复杂性。而对于采用普通轴承的大型交流电机，采用这种方案时，需要定制其他非金属的替代轴承，使得测试过程复杂。因此，该方案的应用具有一定的局限性。

4、需预先估计交流电机内部参数的数值

交流电机内部杂散电容的测量受LCR表频率档与LCR表内置连接方式的影响。在用LCR表测量交流电机杂散电容时，需要根据经验，通过交流电机容量来预估杂散电容的大致范围，进而选择LCR表电容档的频率与内置的连接方式。如果不明确交流电机杂散电容参数范围，而对LCR表设置不当，会带来测量误差。

发明内容

本发明的实施例提供了一种获取交流电机杂散电容的方法，以克服现有技术的缺点。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种获取交流电机杂散电容的方法，包括：

建立交流电机定、转子接地时的共模等效电路；

基于所述共模等效电路建立所述交流电机的杂散电容与共模电压、轴电压及定、转子接地阻抗之间的关系式；

测量所述交流电机在不同定、转子接地阻抗下的共模电压和轴电压，根据测量得到的共模电压和轴电压并利用所述关系式推算出所述交流电机内部的杂散电容。

优选地，所述的建立交流电机定、转子接地时的共模等效电路，包括：

设交流电机在机械拖动下旋转，在交流电机三相绕组星形点处与地之间施加高频正弦电压，用所述高频正弦电压模拟共模电压V_com，将交流电机的定子和转子分别经接地阻抗接地，建立交流电机的共模等效电路，所述共模等效电路包括：交流电机定子绕组与定子铁心间耦合电容C_wf、交流电机定子铁心与转子间耦合电容C_rf、交流电机定子绕组与转子间耦合电容C_wr、交流电机定子侧接地阻抗Z_fg、交流电机转子侧接地阻抗Z_rg和轴电压V_b；点w代表定子绕组，点r代表转轴，点f代表机壳，点g代表地，C_b为轴承滚动体和滚道间的油膜使轴承等效的电容；

在所述共模等效电路中，共模电压源V_com、交流电机定子绕组与定子铁心间耦合电容C_wf、交流电机定子侧接地阻抗Z_fg构成了回路l₁，共模电压源V_com、交流电机定子绕组与转子间耦合电容C_wr、交流电机转子侧接地阻抗Z_rg构成了回路l₂，定子铁心与转子间耦合电容C_rf、轴承滚动体和滚道间的油膜使轴承等效的电容C_b、交流电机转子侧接地阻抗Z_rg、交流电机定子侧接地阻抗Z_fg构成了回路l₃，回路l₁、回路l₂和回路l₃的绕行方向记为流过该回路电流的正方向，电流流向与回路的绕行方向一致时，电流为正；电流流向与回路的绕行方向相反时，电流为负，流过回路l₁与回路l₂的电流之和为共模电流，流过回路l₃的电流为轴电流。

优选地，所述的基于所述共模等效电路建立所述交流电机的杂散电容与共模电压、轴电压及定、转子接地阻抗之间的关系式，包括：

设所述交流电机的杂散电容为C_wf、C_wr、C_rf，共模电压为V_com，轴电压为V_b，定子接地阻抗为Z_fg，转子接地阻抗为Z_rg：

所述共模等效电路的回路方程为：

式中，

为回路l₁的回路电流，

为回路l₂的回路电流，

为回路l₃的回路电流，Z_wf为定子绕组对定子铁心的电抗，Z_wr为定子绕组对转子的电抗，Z′_rf为转子对定子铁心的电容与轴承电容的等效电抗，即：

Z_wf＝1/(j2πf C_wf) (2)

Z_wr＝1/(j2πf C_wr) (3)

Z′_rf＝1/(j2πf(C_rf+2C_b)) (4)

式中，f为共模电压的频率。

根据公式(1)，获得：

优选地，所述的测量所述交流电机在不同定、转子接地阻抗下的共模电压和轴电压，根据测量得到的共模电压和轴电压并利用所述关系式够推算出所述交流电机内部的杂散电容，包括：

选取三支阻值不同的无感电阻器A、B、C，阻抗分别记为Z_A、Z_B、Z_C；

进行三组实验，测量在三组接地阻抗下所述交流电机的共模电压和轴电压；

第一组实验，将被测交流电机通过绝缘联轴器与陪试交流电机进行连接，在被测交流电机转轴外加碳刷，将被测交流电机的定子机壳经无感电阻A接地，将被测交流电机的转轴经碳刷经无感电阻B接地；

将被测交流电机拖动到其额定转速，在被测交流电机的定子绕组星形点处和地之间施加幅值与频率均可调的高频电压，用示波器测量并记录绕组星形点处和地之间的电压，即：共模电压V_com1；用示波器测量并记录电刷与机壳之间的电压，即：轴电压V_b1。以共模电压V_com1为参考相量，根据示波器记录结果获得轴电压V_b1的相位；

第二组实验为将定子机壳经无感电阻A接地，转轴经无感电阻C接地，交流电机驱动方式及接线方式与第一组实验相同，获得的共模电压、轴电压记为V_com2、V_b2；

第三组实验为将定子机壳经无感电阻B接地，转轴经无感电阻C接地，交流电机驱动方式及接线方式与第一组实验相同，获得的共模电压、轴电压记为V_com3、V_b3；

将三组实验的定、转子接地阻抗及其对应的共模电压、轴电压分别代入上述式(5)所示关系式，得到三个方程，对三个方程联立求解，获取Z_wf、Z_wr、Z′_rf，再根据公式(2)～(4)，获得交流电机的杂散电容C_wf、C_wr、C_rf。

优选地，所述的公式(4)中的轴承油膜等效电容C_b的数值通过以下方法计算得到：

1)根据轴承结构参数和润滑油膜的中心厚度，通过解析计算，计算出轴承油膜等效电容C_b的数值；

2)建立轴承有限元分析模型，计算各滚珠与内外滚道间的杂散电容，进而计算出轴承油膜等效电容C_b的数值；

3)在轴承与机壳间施加频率为共模电压频率的正弦信号，在交流电机运行时，利用电压探头和电流探头分别测量轴承与机壳间的轴电压与流过轴承引出线的轴电流，利用伏安法求解出轴承油膜等效电容C_b的数值。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法适用于三相交流感应电动机、同步电动机、同步发电机、无刷直流电机和异步发电机内部的杂散电容的获取过程。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过测量三组不同定、转子接地阻抗下的共模电压及轴电压，能够有效地推算出电机内部的杂散电容。可以考虑电机转速、温升等产生的影响，获取实际运行状态下的交流电机内部的杂散电容。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种获取交流电机杂散电容的方法的处理流程；

图2为本发明实施例提供的一种交流电机定、转子都存在接地阻抗时的共模等效电路示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例考虑接地阻抗时轴电压的形成条件，根据共模电压、轴电压和接地阻抗的电路关系，通过改变接地电阻，推算出交流电机内部的杂散电容，进而准确的分析和预测轴电流。本发明实施例通过测量三组不同定、转子接地阻抗下的共模电压及轴电压，能够推算出电机内部的杂散电容。

本发明实施例中的轴电压为转轴与机壳之间的电压差。本发明实施例的获取交流电机的杂散电容的方法适用于各种类型的交流电机，下面以三相交流感应交流电机为例进行介绍。

本发明实施例的获取交流电机杂散电容的方法的处理流程如图1所示，包括如下的处理步骤：

步骤S10：建立交流电机定、转子接地时的共模等效电路。

设交流电机在其他机械拖动下旋转，在交流电机三相绕组星形点处与地之间施加高频正弦电压，用该高频正弦电压模拟共模电压V_com，将交流电机的定子和转子分别经接地阻抗接地，建立交流电机共模等效电路。图2为本发明实施例提供的一种交流电机定、转子都存在接地阻抗时的共模等效电路示意图。

图2中，点w代表定子绕组，点r代表转轴，点f代表机壳，点g代表地，C_wf为交流电机定子绕组与定子铁心间耦合电容，C_wr为交流电机定子绕组与转子间耦合电容，C_rf为定子铁心与转子间耦合电容，C_b为轴承滚动体和滚道间的油膜使轴承等效的电容，Z_fg为交流电机定子侧接地阻抗，Z_rg为交流电机转子侧接地阻抗。共模电压源V_com、交流电机定子绕组与定子铁心间耦合电容C_wf、交流电机定子侧接地阻抗Z_fg构成了回路l₁。共模电压源V_com、交流电机定子绕组与转子间耦合电容C_wr、交流电机转子侧接地阻抗Z_rg构成了回路l₂。定子铁心与转子间耦合电容C_rf、轴承滚动体和滚道间的油膜使轴承等效的电容C_b、交流电机转子侧接地阻抗Z_rg、交流电机定子侧接地阻抗Z_fg构成了回路l₃。回路l₁、回路l₂、回路l₃的绕行方向记为流过该回路电流的正方向。电流流向与回路的绕行方向一致时，电流为正；电流流向与回路的绕行方向相反时，电流为负。流过回路l₁与回路l₂的电流之和为共模电流，流过回路l₃的电流为轴电流。

当交流电机转动时，轴承滚动体和滚道间的油膜使轴承等效为电容C_b。Z_fg代表交流电机定子侧接地阻抗，Z_rg代表交流电机转子侧接地阻抗。V_b为轴电压，表示转轴到机壳间的电压，也是轴承内外圈之间的电压。假设驱动端与非驱动端的轴承等效电容相同，两端的轴承电容可视为并联，用2C_b表示。

步骤S20：获取交流电机的杂散电容C_wf、C_wr、C_rf与共模电压V_com、轴电压V_b及定、转子接地阻抗Z_fg、Z_rg间的关系式。

根据图2中的参考回路，列写回路方程：

式中，

为回路l₁的回路电流，

为回路l₂的回路电流，

为回路l₃的回路电流，Z_wf为定子绕组对定子铁心的电抗，Z_wr为定子绕组对转子的电抗，Z′_rf为转子对定子铁心的电容与轴承电容的等效电抗，即：

Z_wf＝1/(j2πf C_wf) (2)

Z_wr＝1/(j2πf C_wr) (3)

Z′_rf＝1/(j2πf(C_rf+2C_b)) (4)

式中，f为共模电压的频率。

根据公式(1)，可以获得：

由式(5)可以看出，当需要获取交流电机内三个杂散电容参数时，可以利用在三组不同定、转子接地阻抗下的三组共模电压和轴电压，通过联立求解方程来获得杂散电容参数。

步骤S30：取三支阻值不同的无感电阻器A、B、C，其在高频(如：1MHz)下阻抗分别记为Z_A、Z_B、Z_C。三支无感电阻需满足在交流电机运行时，消耗的功率不超过其额定功率。

步骤S40：进行三组实验，测量在三组接地阻抗下的共模电压和轴电压。

第一组实验，将被测交流电机通过绝缘联轴器与陪试交流电机进行连接。在被测交流电机转轴外加碳刷。将被测交流电机的定子机壳经无感电阻A接地，将被测交流电机的转轴经碳刷经无感电阻B接地。

被测交流电机被拖动到其额定转速。在被测交流电机定子绕组星形点处和地之间施加幅值与频率均可调的高频(如：1MHz)电压。用示波器测量并记录共模电压V_com1与轴电压V_b1。其中，共模电压为交流电机三相定子绕组星形点与地间的电压，轴电压为转轴和机壳之间的电压。所加共模电压的大小应使得轴电压幅值和波形无明显突变，不产生放电击穿电流。以共模电压V_com1为参考相量，根据示波器记录结果，获得V_b1的相位。

第二组实验为定子机壳经无感电阻A接地，转轴经无感电阻C接地，交流电机驱动方式及接线方式与第一组实验相同。获得的共模电压、轴电压记为V_com2、V_b2；

第三组实验为定子机壳经无感电阻B接地，转轴经无感电阻C接地，交流电机驱动方式及接线方式与第一组实验相同。获得的共模电压、轴电压记为V_com3、V_b3。

步骤S50：获取交流电机内部杂散电容参数C_wf、C_wr、C_rf。

将三组实验的定、转子接地阻抗及其对应的共模电压、轴电压分别代入第二步式(5)所示关系式，可得到三个方程。对三个方程联立求解，可以获取Z_wf、Z_wr、Z′_rf。根据公式(2)～(4)，可以获得交流电机杂散电容C_wf、C_wr、C_rf。

公式(4)中包含了C_b，C_b可通过以下方法进行确定：

1)根据轴承结构参数和润滑油膜的中心厚度，可通过解析计算获得轴承油膜等效电容；

2)建立轴承有限元分析模型，计算各滚珠与内外滚道间的杂散电容，进而计算出轴承油膜等效电容；

3)对交流电机进行改造，在轴承与机壳间施加频率为共模电压频率的正弦信号，在交流电机运行时，利用电压探头和电流探头分别测量轴承与机壳间的轴电压与流过轴承引出线的轴电流，利用伏安法求解出轴承油膜等效电容。

本发明以三相交流感应电动机为例介绍电机内部杂散电容的获取方法，但不仅局限于三相感应电动机，还适用于其他类型交流电机杂散电容参数的获取，如同步电动机、同步发电机、无刷直流电机，异步发电机等。

综上所述，本发明实施例通过测量三组不同定、转子接地阻抗下的共模电压及轴电压，能够有效地推算出电机内部的杂散电容。可以考虑电机转速、温升等产生的影响，获取实际运行状态下的交流电机内部的杂散电容。

本发明实施例的方法对普通轴承电机和绝缘轴承电机的杂散电容都可以测量；普通轴承电机测量时不需要拆卸电机替换塑料轴承。不需要采用LCR表，因此也不需要预估内部杂散电容来选择LCR表的测量频率和内置连接方式；不会因采用连接导线而引入杂散参数而带来误差。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。