PWM變頻驅動電機軸電壓與軸電流的測試方法

何 良，劉 皓，劉揚禮，劉瑞芳，曹君慈，葉 軍

（1. 北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044； 2. 洛陽軸研科技股份有限公司，洛陽 471039）

PWM變頻驅動電機軸電壓與軸電流的測試方法

何 良1，劉 皓1，劉揚禮1，劉瑞芳1，曹君慈1，葉 軍2

（1. 北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044； 2. 洛陽軸研科技股份有限公司，洛陽 471039）

PWM變頻器的廣泛應用大大改善了電機調速性能，但是，由于PWM變頻器共模電壓在電機內部耦合電容作用下，形成軸電壓和軸電流，會引起軸承早期失效危及系統安全運行。軸電流問題的研究包括對軸電流的分析、預測和抑制。然而這些過程需要軸電壓和軸電流的準確測量進行驗證和比對分析。設計合理而有效的測量裝置和測量方法是非常重要的一環。在分析軸電流產生機理的基礎上，對現有的各種軸電流測量方法和軸承阻抗特性測試方法進行介紹，總結對比這幾種方法的優缺點，為軸電流的測試平臺的新設計提供參考。

電機軸承；軸電流；軸電壓；共模電壓；測量方法

前言

隨著PWM變頻器驅動電機的廣泛使用，電機的調速性能得到了大大提升，但電機軸承燒死的現象也越來越明顯。該現象不僅造成電機無法運行，而且嚴重損壞電機的軸承，致使轉軸報廢。這些軸承燒死的電機都經過嚴格出廠試驗，當它們的軸承振動、噪音、溫升都檢測合格后，軸承還是發生了燒死現象，而且電機的轉軸軸承經常發現許多小而深的圓形蝕點，除了軸承本身質量、軸承安裝原因，還有一個重要的因素，那就是存在軸電流。據軸承制造商統計，25%的軸承損壞是因軸電壓和軸電流造成的，而且這一比例正隨 IGBT 等高性能器件的廣泛使用，并以驚人的速度增加。對軸電流的研究也引起大家的關注。[1-8]

變頻器的主電路結構包括整流橋、直流中間電路和逆變器三部分，大多數變頻器的整流橋采用二極管組成，逆變器大多數為絕緣柵雙極晶體管 （IGBT） ，也

有功率場效應管 （MOSFET）的。變頻電機采用PWM變頻電源供電，其等效電路圖如圖1所示。圖中Rs、Ls是感應電機每相等效電阻和電容，Va、Vb、Vc是逆變器輸出的每相電壓ia、ib、ic是逆變器輸出的三相電流，Vcm為共模電壓，Zcm為共模阻抗。

在變頻器驅動的電機等效電路中，三相電壓滿足公式（1）-（3），三相電流之和滿足公式（4），

由（1）-（4）可以推出共模電壓Vcm的表達式（5）如下：

圖1 變頻器驅動電機的等效電路

圖2 逆變器電路共模模型

當電機接入三相對稱正弦電壓時三相電壓之和為零，則Vcm為零。當由PWM逆變器供電時，共模電壓不為0，它會通過電機內部寄生電容耦合作用，在轉子上感應出電壓，經過電機軸承，形成共模電流流通路徑。電機中存在著三類耦合電容，Cwf為電機定子繞組和定子鐵芯之間的電容，Cwr為定子繞組和轉子之間的電容，Crf為轉子和定子鐵芯之間的耦合電容。共模電壓通過這些雜散的電容，在軸承感應出軸電壓。在電機正常運行時軸承的絕緣油膜將滾珠與內外滾道隔開，內外滾道沒有金屬接觸，此時軸承也可等效為電容元件。軸電壓加在轉子鐵芯和機殼構造的等效回路產生軸電流，電機軸電流等效電路如圖2所示。Cb為驅動端軸承等效電容；Cnb為非驅動端軸承等效電容；ub為轉軸及軸承內圈對地的電壓。

與傳統正弦供電下由于磁不對稱等原因而產生的低頻軸電流不同，由逆變器供電引起的軸電流主要存在以下四種方式[2]：一是dv/dt電流，其主要是伴隨著共模電壓的dv/dt產生的，其本質是軸承的電容充放電電流，由于其數值過小對電機軸承沒有危害。二是EDM (e1ectric discharge machining)電流 ，如果軸承兩端軸電壓高到一定程度 ，達到油膜的閾值電壓時 ，油膜就會被擊穿，從而產生放電現象，這就是EDM電流，該電流有很強的熱效應，產生電腐蝕使得軸承損壞。三是環路電流，環路電流是指當在高頻接地共模電流引起的共模磁通在電機轉軸兩端感應高頻軸電壓，產生循環型軸承電流，流通路徑是電流由轉軸的一端經過軸承到達定子機座，又經另一端軸承到達轉軸。四是機殼接地不良時，轉子接地或通過驅動載荷接地使得軸承內外圈存在電壓差而引起的軸電流。分類情況如圖3所示。

圖3 軸電流分類

由于EDM電流的存在，電流通過軸承時發生放電現象，使軸承產生麻點。麻點又使軸承內外滾道間的摩擦阻力加大，軸承溫度迅速上升。因此當電機中有EDM電流時，會出現軸承溫度異?，F象，這種現象造成了軸承內滾道與軸承外滾道的配合出現問題，引起軸承內滾道

與軸承外滾道的相對運動并磨損軸承； 同時也使得軸承溫度繼續升高，油脂熔化溢出。由于磨損嚴重，電機驅動端軸承出現位移，造成轉子驅動端與非驅動端不同心，軸承徑向受力不均，進一步致使轉軸與軸承磨出劃痕，引起電機振動。只要軸電流存在，電機軸承的使用壽命就縮短，造成經濟損失和資源浪費。

在軸電流問題的研究中，需要分析其產生機理，推測其等效電路，預測軸電壓和軸電流的大小。這些工作都與軸電流和軸電壓的測量工作聯系在一起，沒有測量就沒有科學。軸電流測量的難點在于，軸電流的電流回路由電機系統，電機的轉軸、軸承等部件形成了共模電流回路，軸承內電流的情況無法用儀器直接測量。因此，如何構建軸電流的測量回路成為測量軸電流的難點。另一方面，只有準確地測量軸電流才能制定抑制軸電流的措施并對措施的有效程度進行衡量。由此可見，軸電流的測量在軸電流的研究中占重要地位。本文將介紹國內外測量軸電壓、軸電流的方法并對其進行比較和評估。最后，軸承在不同工況下呈現的阻抗特性是變化的。為準確預測軸電壓和軸電流的大小，對阻抗特性進行測試也是非常有必要的，本文也對電機軸承的阻抗特性測量方法進行介紹。

1 軸電壓、軸電流測量方法

1.1 加入絕緣層法測量軸電流和軸電壓

這種方法是由A. Muetze和 A. Binder提出的[2]。采用厚度適宜的絕緣層嵌入軸承外圈周圍，如圖4，阻斷軸電流通過的路徑，然后用一根短銅絲作為橋梁提供軸承電流的通路，通過高頻電流探頭測量。探頭帶寬需要有50MHz，量程為幾安培級。這種方法在軸電流通路上幾乎沒有額外附加的阻抗，所以準確性較高。

在圖4中，分別表示出了驅動端和非驅動端的軸電流（ib）、軸承電壓（vb）、轉軸入地電流（irg）、定子入地電流（isg）、共模電流（icom）以及共模電壓的測量點（vcom）。因為高頻循環電流是通過“定子機殼—非驅動端—轉軸—驅動端”循環的，所以通過測量電機驅動端和非驅動端的軸電流后，可以推算出高頻循環電流和軸承放電電流的數值。其中，這兩者的共模數值為循環電流的數值，差模部分，即入地電流部分為軸承的擊穿放電電流。

軸電壓的測量方法：由于IGBT以及逆變器存在很強的電磁干擾，所以測量軸電壓時，需要對所有可能的耦合電抗有周密的考慮。為此，可以制作一個與待測電機同軸的鋁質外殼來達到測量軸電壓的同時減小電磁干擾的目的。有了這個鋁質罩殼，轉軸端電壓與外軸承座的電壓近似相等，轉軸電壓可以通過外加電刷測量。

方法評價：簡要來說，該方法是通過在軸承外軸座與電機接觸的地方加入絕緣層，然后在絕緣層兩邊加上一個銅橋進行導通，原先通過軸承發散式進入電機機殼的軸電流，將全部通過這個銅橋，這樣通過測量銅橋上的電流來得到軸電流的變化。此方法優點在于通過絕緣阻斷和導流銅橋引出了一個高頻循環電流的測量點，解決了在普通電機上無法找出軸電流測量點的問題。但是，這個方法需要對軸承進行處理，這會對原軸電流存在一定影響，測出來的軸電流值是有偏差的。

1.2 射頻法測量軸承電流

射頻技術的主要思想是在規定的時間下計算RF脈沖源的放電數和接收數。測量裝置如圖5所示，這是由Annette Muetze等人提出的測量方法[9]。測量采用100到400MHz帶寬的接收天線，用示波器來對信號進行檢測，用高通濾波器濾出由逆變器發出的射頻噪聲（截止頻率約為100兆赫），最后聯接到一個脈沖計數器。而且，脈沖計數器的計數脈沖，只在逆變換流時才會計數，所以保證了計數器只在軸承放電時計數。這種技術提供了一

種無損傷檢測軸承電流的方法。

圖4 用銅橋短路絕緣層來測量軸承電流

測量設備包括一個帶寬為200MHz到2GHz的EMCO 93148天線，一個帶寬為1GHz，最大采樣率為10GSPS的textronix tds7140示波器，一個帶寬為90到400MHz，bhp為100 + ，由微型電路構成的RF帶通濾波器（輸入阻抗為50Ω），和一個Xilinx Spartan-3系列的現場可編程門陣列（FPGA），測量天線放置在距離地面和電機垂直中心線均為1米的位置處進行測試。

實驗期間，實驗室用銅板完全屏蔽，以隔離外部的所有噪聲。為了檢測并計算放電次數，應設置示波器的采樣頻率為1.25 GS / s，觸發水平為1.5 mV，觸發延遲為250 ns。這樣設置好示波器以便觸發器獲得射頻脈沖信號時，輸出一個電脈沖給FPGA板，然后計算接收脈沖的次數（如圖5），通過這種方法來量化軸承電流的發生頻率。最后，通過統計推算軸承損壞程度與放電次數的聯系，通過監測放電次數，來保證軸承在一個相對良好的狀態下運行。H. Tischmacher, S. Gattermann在文獻[10]中也采用了這種方法進行研究。

方法評價：該種方法的優點在于不用對電機進行改造，可直接對工作的電機進行測量。缺點在于只能對電機的放電現象進行次數測量，并且主要針對的是高頻軸電流放電現象，并不能測量放電現象的電流值大小。所以該種方法適合用于測量一段時間內的放電頻率，測量不同因素對放電現象頻率的影響。

圖5 計數軸承放電電流次數的方塊圖

1.3 附加軸承法測量軸電流和軸電壓

J.Kalaiselvi和S.Srinivas[11]提出了一種采用附加軸承的測量方法。實驗裝置及其連接如圖6所示：在被測電機內部安置兩個涂有薄聚四氟乙烯涂層的軸承，使得電流不會通過軸承，這兩個軸承只起機械支撐作用。電機外部連接有兩個附加的軸承，它們放置在電機轉軸的兩端，這兩個是被測軸承。如果將外置軸承連接到大地，轉軸上感應出來的電流會通過，“轉軸—一側附加軸承—大地—另一側附加軸承-轉軸”回路循環，而這兩個附加軸承的作用就是引出軸電流和軸承電壓的測量點，在軸承外滾道加上電刷將電流引入大地，測量這個電流，即可得到通過附加軸承的電流大小，測量軸承內外座之間的電壓差，即可得到軸承電壓的大小，裝置如圖6所示。

方法評價：該方法通過外加兩個軸承，在同一端的兩個軸承間，可以對高頻循環軸電流進行測量。由于這兩個外部軸承不施加任何機械負荷，只為了測量目的，所以無法完全模擬電機內部軸承的運行狀況，測量出來的結果與真實值之間存在系統誤差。

2 軸承阻抗特性測量方法

軸承是軸電流通路中的關鍵部件，如果要準確預測軸電壓和軸電流，或者設計抑制軸電流的方案，需要準確把握電機軸承的阻抗特性。對軸承電容和電阻參數進行分析計算是一種研究方法[12]，而對軸承阻抗參數的測量則是重要的檢驗環節。

軸承阻抗特性在不同工況下是不同的[13]，軸承運行于高速狀態時，軸承處于完全潤滑狀態，此時可用潤滑脂作為介質的電容，大小約為幾百皮法。如果滾動體和滾道之間存在電勢差，且電勢差超過潤滑膜擊穿電壓時，軸承就會以火花的方式進行放電；在軸承運行處于中低速甚至靜止時，表現為阻抗特性，中速狀態軸承典型的阻抗值范圍一般是0.01～100 kΩ；低速甚至靜止時，電阻小于10Ω，軸承的阻抗特性還受溫度以及載荷影響。

圖6 安裝附加軸承示意圖

圖7 軸承測試臺

圖8 電機軸承測量裝置圖

圖7是由H. Tischmacher和S. Gattermann提出的一種軸承特性試驗臺[14]，軸承試驗臺上電機通過絕緣聯軸節與一個轉軸相連，在轉軸上放置3個軸承，其中外側兩端的軸承用于測量，在軸承上施加電壓信號，一個測量點是在軸承室頂部構造的，另一個測量點在轉軸上，測量這條回路中通過的電流，即可完成阻抗特性的測量。中間的軸承僅做支撐作用，只施加一個徑向負載，不用于測量。

方法評價：這種方法盡管不用對電機進行改造，但是外部的測量軸承并不能完全模擬出軸承處于電機內部的狀態，比如說電機軸承溫度對軸承特性的影響，軸向負載對軸承內外座造成位移對軸承阻抗特性的影響等等。

圖8是由V. Niskanen，A. Muetze和J. Ahola 提出的另一種測量方法的具體設置[15]，其中電機兩端的軸承外圈要加絕緣層，電流和電壓探頭的位置和施加的外部高頻電壓。如圖8所示，驅動端軸承周圍的絕緣層被導線短路，用來測量流經軸承的高頻電流，而非驅動端的軸承絕緣層是開路的。

在電機非驅動端，轉軸和機殼之間通過信號發生器施加電壓激勵，信號發生器頻率從300 kHz 到1.5 MHz可調。在電機驅動端，用示波器測量軸承電壓和電流。軸電壓是測量軸承內圈與機殼之間的電壓，同樣是通過轉軸與機殼兩個點來進行測量。電流則是用導線連接絕緣層兩端，引出電流進行測量。

測量出電流和電壓后應用離散傅里葉變換可以計算軸承電容和軸承最小電阻。

方法評價：這個方法中被測軸承的轉速、載荷以及溫度等情況與實際情況相同。但由于電機通過逆變器來控制轉速，以考察轉速對軸承阻抗影響，測量中的軸電壓和軸電流就會受到逆變器共模電壓的影響，而不僅僅是在信號發生器激勵下的伏安特性，這是該方法的缺陷。

3 結束語

本文通過對目前現有的軸承測量方案進行驗證總結，系統的歸納分析了各種方案的優劣性。在對軸電壓、軸電流以及軸承阻抗特性的測量方法中，不論是對電機進行改造還是外加軸承進行測量，需要盡可能保證軸承所處的環境與正常運行狀態下一樣，比如說溫度和負載。軸承油膜在有無負載兩種情況下，厚度差別較大，直接影響到測量結果呈現出很大差別。除此之外，在對軸電壓軸電流進行測量時，軸電流回路做出的改變也會對測量結果有影響。

目前對于軸電流的測量還在摸索階段，大多數學者都是通過測量軸電壓，通過大量的實驗結果給出一個范圍來確定這樣的軸電壓是否會產生對軸承造成傷害的軸電流。通過軸電壓的測量來進行評估是一種簡單易行的方法。本文歸納總結測量軸電壓軸電流的各種方法，以推動設計出更準確方便的測試方法，最終解決軸電流問題，使得在PWM供電下的感應電機能更好地為人們服務。

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Measurement Methods of Bearing Voltage and Bearing Currents in Motors Fed by PWM Inverter

HE Liang1, LIU Hao1, LIU Yang-li1, LIU Rui-fang1, CAO Jun-ci1, YE Jun2
（1. School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044; 2. Luoyang Bearing Science & Technology Co., Ltd., Luoyang 471039）

PWM inverter is widely applied in industry, which brings better motor speed control performance. However, the common mode voltage of PWM inverter drive system will induce bearing voltage and baring current in the motor under the influence of the coupled capacitance of the motor, which cause reduction of the bearing lifetime and threaten of the safety of driving system. The research of bearing current problems includes analysis, prediction and suppression. These processes require the bearing voltage and bearing current to be accurately measured. Then, it plays a significant part to design the reasonable and effective measuring devices and measuring methods. In this paper, after analyzing the generating mechanism of bearing current, the various existing bearing current measuring methods and bearing impedance characteristic test methods are introduced. The advantages and disadvantages of these methods are summarized and compared. It provides a reference for designing new test platform to measure bearing current.

motor bearing; bearing current; bearing voltage; common mode voltage; measurement

TM32

A

1004-7204（2015）02-0010-06

劉瑞芳，生于1971年8月，山西省陽曲縣人，博士，副教授，北京交通大學電氣工程學院教師，研究方向為電磁場數值計算，電力電子與電機系統集成分析。

國家自然科學基金資助項目（51107004），中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目(2013JBM016)。

何良，生于1995年5月，湖北省赤壁市人，北京交通大學電氣工程學院電氣信息專業學生，研究方向為電機系統集成分析。