轴承绝缘对双馈异步发电机高频轴电压和轴电流抑制效果研究
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。
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。
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。
有学者针对大型双馈异步风力发电机提出一种变流器LCL滤波新方法用于抑制共模电压从而抑制轴电压。
Gerwin Preisinger作为轴承厂家提出了混合陶瓷深沟球轴承的轴电流抑制方案。
有学者对现有的双馈异步发电机轴电压抑制方案进行了总结，并提出一个组合方案：施加共模抑制磁环，安装接地电刷，以及绝缘端盖和联轴器等组合抑制方案。并给出了采取方案前后的轴电压对比结果。
在实际应用中，风力发电机制造商为抑制轴电压、轴电流采取的方案主要是转轴经电刷接地并配合轴承部位绝缘。电机转轴接地，可以将轴上感应的电荷经接地线引入到地，从而消除轴承内外圈的电压差，从理论上它可以完全解决轴电流问题。
但电刷使用时存在磨损，需要定期更换，由于风力发电机安装在很高的地方，电刷维修更换费用非常高。当电刷接触不良但没有及时更换时，轴承电腐蚀引起的轴承损坏会频繁出现。这也间接说明单独采用轴承绝缘对轴电流的抑制效果不好。
轴承部件的绝缘可以采取多种方案，如绝缘端盖、绝缘轴承座、轴承内圈及外圈加涂层，或者混合陶瓷深沟球轴承。轴承绝缘对轴电流的抑制机理并不明了，各种方案的效果还有待比较。
北京交通大学的研究人员针对绝缘轴承方案对双馈异步风力发电机高频轴电流抑制效果进行了研究。建立了双馈异步风力发电机轴电流分析模型，导出轴承分压比公式，把各类轴承部位绝缘用电容参数加入到轴电流等效模型中；以轴承分压比的变化来对比各类绝缘方案轴电流抑制效果；并探讨轴承绝缘位置、厚度以及材料对抑制效果的影响。
图2 陶瓷喷涂球轴承
图3 混合式深沟球轴承
对于绝缘轴承座、绝缘端盖以及喷涂绝缘轴承，这三种方案的原理是一样的，依靠绝缘层阻抗的分压作用来减小轴承电压。绝缘层所在的位置、绝缘层厚度等参数会影响绝缘层电容数值。绝缘层电容越小，效果越好。
由于陶瓷喷涂轴承方案中绝缘层的厚度很小，因此不能有效解决由变频器共模电压引起的高频轴电压和轴电流问题。而绝缘端盖或绝缘轴承座方案当绝缘层较厚时，会对轴电压有较为明显的抑制效果，但由于绝缘层厚度在工艺上的限制，不可能消除轴电压，仍然需要电刷将轴和地导通，实现消除轴电压。而采用混合陶瓷轴承，可以从根本上隔开轴承内、外滚道，不会产生轴承电腐蚀。
讨论绝缘方法抑制高频轴电流问题时，不能仅考虑绝缘电阻对低频电流的阻断效果，更要考虑绝缘层电容带来的影响。