Modeling of bearing currents and voltages in inverter-fed electric motors

Abstract

The possible bearing damages in inverter-fed AC motors are nowadays an important issue in the industrial scope. These motors are known to experience bearing voltages and currents. The root causes for the bearing voltages and currents are common-mode voltages produced by the inverter. However, no cost-effective solution for large AC motors, especially in Azipod systems, has been found to mitigate these problematic voltages and currents. The existing solution is to insulate the non-drive end bearing shield, which takes a large amount of space, is expensive and challenging to manufacture. In addition, no high-frequency model of large AC motors has been created for the purpose of the analysis of bearing voltages and currents.

The work presented in this thesis identifies the common factors that lead to these harmful voltages and currents, and from a consideration of these factors, a high-frequency model of the AC motor is created. This model is then adapted to the Azipod system. Simulations are carried out showing the interdependence of different components in the system. In order to complete the simulations, extraction of model parameters that involves analytical calculations and measurements are shown in detail.

The model presented in this work can be connected to an appropriate electric drive in order to predict the bearing voltages and currents with a simulator such as OrCAD. The results of the simulations show that the present mitigation techniques can be simplified, with certain precautions, without increasing the bearing voltages and currents to dangerous levels.

Mahdolliset laakerivauriot taajuusmuuttajasyötetyissä vaihtovirtamoottoreissa ovat merkittävä haaste teollisuudessa. Kyseisten moottorien tiedetään altistuvan laakerijännitteille ja -virroille, joiden on havaittu aiheutuvan taajusmuuttajan tuottamasta yhteismuotoisesta jännitteestä. Toistaiseksi ei ole löydetty kustannustehokasta ratkaisua pienentämään näitä ongelmallisia jännitteitä ja sähkövirtoja suurissa vaihtovirtamoottoreissa, varsinkaan Azipod-järjestelmissä. Nykyinen ratkaisu on trustipään laakerikilven eristäminen, mikä vie paljon tilaa ja on kallista sekä haastavaa toteuttaa. Toistaiseksi ei ole kehitetty suurtaajuusmallia isoille vaihtovirtamoottoreille laakerijännitteiden ja –virtojen analysointia varten.

Tässä työssä on esitetty yleiset tunnistetut tekijät, jotka johtavat näihin haitallisiin jännitteisiin ja virtoihin vaihtovirtamoottoreissa. Työssä on luotu nämä tekijät huomioon ottaen suurtaajuusmalli vaihtovirtamoottoreille. Mallia on kehitetty niin, että sitä voidaan käyttää Azipod-järjestelmässä. Simulaatioiden perusteella voidaan osoittaa eri komponenttien keskinäiset riippuvuudet järjestelmässä. Simulaatioiden suorittamiseksi työssä on esitetty yksityiskohtaisesti mallin parametrien ekstraktoiminen, mikä sisältää analyyttista tarkastelua ja mittauksia.

Työssä esitetyn mallin voi yhdistää sopivaan sähkökäyttöön, jolloin laakerijännite ja –virta ovat ennustettavissa piirisimulaattorilla, kuten OrCAD:lla. Työn simuloinnit osoittavat, että nykyisiä käytettyjä laakerivirtojen lieventämistekniikoita voidaan yksinkertaistaa tietyllä varauksella ilman laakerivirtojen ja -jännitteiden nousua vaarallisille tasoille.