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电动汽车驱动 ★ 5.0

逆变器供电IPMSM驱动系统中轴承电流的分析与抑制

Analysis and Mitigation of Bearing Current in Inverter-Fed IPMSMs Drive System

作者 Sung Jun Lee · Jonghun Choi · Gyu Cheol Lim · Sang Min Kim · Eun-Kyung Kim · Jung-Ik Ha
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2024年9月
技术分类 电动汽车驱动
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 电压源逆变器 轴承电流 轴承损坏 测量系统 脉冲宽度调制方法
语言:

中文摘要

电压源逆变器(VSIs)因其在电动机驱动系统中具有较高的控制性能和效率,而在电动汽车中得到了广泛应用。然而,逆变器在开关过程中的输出电压会产生轴承电流,从而导致轴承损坏。本文分析了轴承电流与轴承损坏之间的关系,并提出了一种降低轴承电流的新方法。首先,介绍了一种采用电流互感器的精确轴承电流测量系统。该系统验证了低速时轴承电流导致轴承损坏的现象,并通过对轴承音频信号进行傅里叶变换分析来证实这一现象。随后,提出了一种考虑内置式永磁同步电机(IPMSMs)凸极性的两相脉宽调制(PWM)方法以及一种电容滤波拓扑。通过在商用电动汽车驱动系统中进行实验,验证了所提方法的有效性。结果表明,与空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法相比,该方法可使轴承电流降低91%。

English Abstract

Voltage source inverters (VSIs) are widely used in electric vehicle due to their high control performance and efficiency in electric motor drive systems. However, the output voltage of the inverter during switching instances generates bearing currents, leading to bearing damage. This article analyzes the relationship between bearing currents and bearing damage, and proposes a new method for reducing bearing currents. First, a precise bearing current measurement system using a current transformer is introduced. This system verifies the phenomenon of bearing damage caused by bearing currents at low speeds. Fourier transform analysis of audio signals from bearings is employed to confirm this phenomenon. Subsequently, a two-phase pulse-width modulation (PWM) method that considers the saliency of interior permanent magnet synchronous machines (IPMSMs) and a capacitive filter topology is presented. The proposed method is validated through experimental results in a commercial electric vehicle drive system. As a result, the bearing current is reduced by 91% compared to that of space vector PWM (SVPWM) method.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项针对逆变器驱动系统轴承电流抑制技术的研究具有重要的跨领域应用价值。虽然该研究聚焦于电动汽车的永磁同步电机驱动系统,但其核心技术原理与我司光伏逆变器、储能变流器等产品面临的共性问题高度相关。

**技术价值分析:**

逆变器开关过程产生的共模电压和轴承电流问题同样困扰着大功率光伏逆变器和储能系统。该研究提出的改进型双相PWM调制策略结合电容滤波拓扑,实现了相比传统SVPWM方法91%的轴承电流削减率,这一技术路径对我司1500V大功率集中式逆变器和工商业储能变流器的可靠性提升具有直接借鉴意义。特别是在风电变流器和储能PCS产品线中,电机轴承的早期失效一直是影响系统MTBF的关键因素。

**应用前景评估:**

该技术的成熟度较高,已在商用电动汽车系统中验证。对于阳光电源而言,技术迁移的关键在于适配不同功率等级和拓扑结构。我司可重点关注其在储能双向变流器、光储一体机的电感电流纹波优化,以及氢能电解制氢系统大功率变流器的应用潜力。

**挑战与机遇:**

主要挑战包括改进型PWM算法对控制器运算能力的要求、电容滤波器的成本增加以及在多电平拓扑中的适配性验证。但这也为我司在高可靠性产品差异化竞争中提供了技术储备机会,特别是在极端环境应用场景(如沙漠光伏电站、海上风电)中,该技术可显著延长设备寿命,降低运维成本,增强市场竞争力。