地鐵車輛牽引電機軸承電壓形成機理分析

張 樂　方 亮　郭雪巖　胡志輝　李小滿

（中國中車株洲電機有限公司，412001，株洲∥第一作者，工程師）

地鐵車輛牽引電機軸承電壓形成機理分析

張 樂方 亮郭雪巖胡志輝李小滿

（中國中車株洲電機有限公司，412001，株洲∥第一作者，工程師）

摘 要以某類型地鐵車輛牽引電機軸承電壓為研究目標，通過分析地鐵車輛接地系統特別是接地電流路徑對電機的影響，確定了地鐵車輛牽引電機軸承電壓主要由通過軸承的兩部分電流（電網接地電流、變頻器充電電容電流）產生。對兩種電流產生的軸承電壓進行分析，并通過現場實測軸承電壓波形進行了驗證。依據分析的結果，提出了降低地鐵車輛牽引電機軸承電壓的措施。

關鍵詞地鐵車輛；牽引電機；軸承電壓

Author＇s address CRRC Zhuzhou Electric Motor Co.，Ltd.，412001，Zhuzhou，China

對于變頻器驅動的電機，軸承電壓的產生是不可避免的現象。自2003年以來，國外采用放電總能量來對電機軸承腐蝕程度進行判定［1］。此方法只需要軸承電壓作為實測值，從而回避了電流的測量，簡化了軸承腐蝕判定的方法。因此，對于電機軸承電壓進行分析具有重要意義。由于地鐵車輛復雜的電氣環境，使得無法簡單地判斷地鐵車輛牽引電機軸承電壓的構成及來源，因此需要在地鐵車輛牽引電機電氣線路環境分析的基礎上，依據軸承電壓波形，針對分析的結果提出降低軸承電壓和軸電流的措施。

1　軸承電壓及分類

在對軸承的研究中，常常通過觀察電機軸承電流來分析軸承受到的電腐蝕影響。對于變頻器驅動的電機，其軸承電流分為軸承電容電流、EDM（電火花放電加工）電流、高頻環路電流、轉子地電流［2］等。產生這些軸承電流的軸承電壓及其一般來源如表1所示。

表1　軸承電壓來源

1.1軸承感應電壓

在變頻器供電和電機定子接地情況下，高頻共模接地電流會在電機定子和鐵心表面流動，其產生的交變磁通會在電機定子與轉子間形成一個高頻感應電壓。此電壓隨著電機尺寸、高頻共模接地電流和頻率的增大而增大。地鐵車輛電機尺寸普遍不大，使得軸承感應電壓很小，故其在地鐵車輛電機軸承電壓中不占主要成分。

1.2電機共模電壓的分壓電壓

在變頻器供電的情況下，任何一個電機接入三相電壓時，都會在電機中性點與電機外殼間產生一個共模電壓UY，同時，由于電機定轉子間雜散分布電容Ce、軸承電容Cb1和Cb2以及定子繞組與轉子間分布電容Cwr的存在，就形成了一個共模電壓的電容分壓電路（見圖1），使得電機軸上產生電壓Ub加載在軸承兩端。軸電壓與共模電壓分壓比為：

由此可得軸電壓（轉子未接地時）的計算式為：

圖1　電機定轉子間共模電壓的電容分壓電路

可見，軸承上的電機共模電壓的分壓電壓完全由共模電壓及電機分布參數決定。由于實際工況下，電機參數為固定值（一般不輕易改變），故在一定共模電壓下（但通過改變變頻器的調制方式可在一定范圍內改變共模電壓大?。?，軸承電壓最大值是有下限的。其下限值由式（2）決定。在實際地鐵車輛的電機中，可按式（2）在合適的時候計算軸承電壓。

1.3轉子接地電壓

當電機轉子接地時（定子懸空不接地），定子上的共模接地電流會通過轉子形成一個接地回路，使得軸承兩端形成一個接地電壓Ubd。其最大接地電壓值為：

式中：

Cwf——定子繞組和機殼間的電容。

在實際地鐵車輛中，由于接地網絡的復雜性，而無法按式（3）來計算軸承電壓，為此，需要根據實際的接地網絡建立不同的電路模型來進行分析。

2　地鐵車輛牽引電機軸承電壓組成及變化分析

2.1接地系統分析

當牽引電機裝入地鐵車輛上時，其定子與轉子均是地鐵車輛接地回路的一部分，因此，接地回路上的電壓會直接影響電機軸承電壓。研究地鐵車輛接地回路的分布及其上的電流路徑，對牽引電機軸承電壓的分析有重要的作用。通過對地鐵車輛接地回路的分析可知，轉子接地軸承電壓主要由通過軸承的兩部分地電流形成，分別為電網接地電流和變頻器充電電容電流。

2.2電網接地電流及其產生的軸承電壓

通常，由于變頻器的充電電容和濾波電抗器組成了一個低通濾波器，使得電網接地電流只存在低頻或直流分量。但是，當地鐵車輛牽引電機處于起動或制動狀態時，此電流變得十分大（幾百安培），從而在接地回路（即使這些地方的阻抗十分小）上產生很大的對地電壓Uc。在電機轉子軸接地時，此電壓在合適的條件下會疊加到電機軸承兩端，從而推高軸承電壓幅值。Uc可由式（4）計算：

式中：

Id——接地共模電流，可測量；

Rg——地鐵車輛的接地回路電阻，包括了接地線電阻Rgc和接地碳刷電阻Rb；

Lg——地鐵車輛的接地回路電感，主要為接地線電感；

ω——接地共模電流的角頻率。

通過分析地鐵車輛的接地回路，可以得到與軸承連接的接地回路的集總參數模型，如圖2所示。其中，Rr為變頻器接地匯流排與電機外殼間的限流電阻，Lr為限流電阻的電感，Cr為限流電阻的分布電容，Lc為限流電阻到電機外殼上的長連接線分布電感。由圖2可以看出，Uc通過接地回路在電機軸承上產生一個分壓Ub1。

圖2　電網接地電流產生的對地電壓所影響的電路集總參數模型（轉子軸直接接地時）

當電機處于啟動后期或制動前期時，由于齒輪箱內齒輪間的油膜處于不穩定狀態，轉子軸與車輪形成了短時的直接電連接，Uc對電機定轉子間分布電容Crf進行充電（由于軸承外圈絕緣層的影響，使得Crf在電機處于啟動后期或制動前期時總是存在和發生變化，而不會有定轉子直接短路的現象），使得軸承兩端電壓Ub1=Uc，當轉子軸與車輪間的電連接斷開時，充電電容電流導致的軸承電壓Ub2便會疊加在Ub1上。

圖3為實測到的由電網共模電流所產生的軸承電壓Ub1疊加在充電電容電流導致的軸承電壓Ub2上的波形。

圖3　制動前期轉子軸與車輪短時連接、斷開時，電網共模電壓導致的軸承電壓波動

2.3變頻器充電電容電流及其產生的軸承電壓

一般來說，變頻器電容輸出的高頻電流絕大部分會通過其經過路徑的分布電容回流至變頻器電容負極。由于電機轉子軸接地，就為高頻電流提供了一條通過接地回路回流到變頻器充電電容負極的路徑。如果其他回流路徑的阻抗變大，會導致電機外殼到充電電容負極間的電壓升高，從而提升軸承兩端的電壓。

實際中，充電電容電流導致的軸承電壓并非固定不變，而是會隨著地鐵車輛運行狀態發生變化。

2.3.1電機處于額定轉速運行時充電電容電流產生的軸承電壓

當電機處于額定轉速運行時，在齒輪箱內的齒輪間會形成一個油膜電容，阻斷了轉子軸與車輪的電連接。按圖3可得到充電電容電流在與軸承有關的電流路徑上的集總參數模型，如圖4所示。

由圖4可以看出，當線路上的阻抗很小時（實際也是如此），充電電容電流導致的軸承電壓Ub2完全由定轉子間分布電容Crf（此時Crf為一個固定值，可在實驗室測出）及繞組和轉子間分布電容Cwr來確定。在已知電機共模電壓UY的情況下（可直接在現場試驗中測出），Ub2由式（2）直接求得。圖5為實測的此時軸承電壓波形。

2.3.2電機處于啟動前期或制動后期時充電電容電流產生的軸承電壓

當電機處于啟動前期或制動后期時，齒輪箱內齒輪間的油膜消失，轉子軸與車輪形成了長時間的直接電連接，此時集總參數模型如圖6所示。

圖4　電機以額定轉速運行時充電電容電流在與軸承有關的電流路徑上的集總參數模型

圖5　電機以額定轉速運行時由充電電容電流產生的軸承電壓波形

圖6　電機處于啟動前期或制動后期時充電電容電流在與軸承有關的電流路徑上的集總參數模型

由圖6可以看出，UY通過Cwf和Crf、Lg和Rg產生分壓至軸承兩端，但是由于變頻器接地線和車軸碳刷上阻抗影響，使得電機軸承上充電電容電流導致的軸承電壓不能由式（2）直接求得。將測量到的各個參數代入圖6的模型，可算出并繪制如圖7 的Ub2∕UY的傳遞函數頻譜分布圖。

圖7　電機定子繞組對電機軸承的電壓傳遞函數頻譜圖

從圖7中可以看出，有一個諧振頻率點。由于變頻器輸出的共模電壓均為方波或多階梯的方波，特別是當電機處于制動狀態時，變頻器會改變調制方式，使其輸出的共模電壓變為圖8所示的高壓方波。當這些方波的邊沿時間的倒數小于諧振頻率點時，就會在軸承兩端出現嚴重的振蕩電壓（見圖9）。

圖8　電機處于制動后期時變頻器輸出的共模電壓波形

圖9　電機處于制動后期時由充電電容電流導致的軸承電壓波形

3　降低地鐵車輛牽引電機軸承電壓的措施

通過以上分析，可以得到多個降低地鐵車輛牽引電機軸承電壓的措施。由于實施的成本所限，僅介紹通過改進接地網絡來降低地鐵車輛牽引電機軸承電壓的方法。

3.1降低電網接地電流產生的接地電壓

電網接地電流產生的對地電壓會對牽引電機定轉子電容充電而疊加到軸承兩端。降低此對地電壓可采用以下兩種方法：

（1）分流電網接地電流。將電網接地電流通過多個接地點連接到鋼軌，由于電網接地電流總量是一定的，從而降低了單個接地點上的電流。

（2）降低對地電壓在電機軸承上的分壓。此方法需對地鐵車輛接地系統進行一定的修改，通過減小與牽引電機定子相連的等電位點上的電壓來達到目的。

3.2降低充電電容電流產生的軸承電壓

根據圖6，降低充電電容電流產生的軸承電壓可從以下兩方面來解決：

（1）減小牽引電機定子到充電電容負極的阻抗。這樣將減小UY通過Cwf和Crf、Lg和Rg產生至軸承兩端的分壓。

（2）減小牽引電機定轉子間的電感，將諧振周期提高到大于變頻器輸出的共模電壓邊沿時間，以有效減小在軸承兩端的諧振電壓峰值。采用圖10所示的修改，可將定轉子間的電感由變頻器接地線電感Lg減小到電阻R1上的電感以下。

圖10　改進后的充電電容電流在與軸承有關的電流路徑上的集總參數模型

將測量到的各個參數代入圖10的模型，可算出Ub2∕UY的傳遞函數頻譜分布（見圖11）。

圖11　按照圖10修改后的電機定子繞組對電機軸承的電壓傳遞函數頻譜圖

由圖11可見，其阻抗峰值點已經向高頻點移動了很大的距離。需要注意的是，此方法必須配合變頻器的共模電壓濾波才能有效，否則需要不斷減小R1及其線路上的電感，直到阻抗諧振頻率超過變頻器輸出的共模電壓邊沿時間的倒數。

3.3其它改進措施

（1）改善齒輪箱內齒輪潤滑油性能和牽引電機軸承內潤滑脂性能，使得在地鐵車輛起動和制動時，齒輪和軸承油膜阻抗都能比較穩定，從而減小Uc對Crf反復充電的次數，并在Crf反復充電過程中使得軸承上的油膜無法形成，導致疊加在Ub1上的Ub2很小。

（2）改進變頻器的調制方式，降低共模電壓并減少共模電壓方波區的持續時間。

（3）變頻器輸出加入d v∕d t濾波器，延長電壓的邊沿時間，降低變頻器輸出電壓的諧波帶寬。

（4）在電機軸上加入分流碳刷，直接降低軸承兩端電壓。

參考文獻

［1］ MUETZE A，TAMMINEN J，AHOLA J.Influence of motor operating parameters on discharge bearing current activity ［C］∥2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE 2010）.Piscataway：IEEE Press，2010：1617-1622.

［2］ MUETZE A.Bearing Currents in Inverter-Fed ACMotors dissannette［D］.Hesse-Darmstadt：Technical University Darmstadt，2004.

Analysis of the Formation Mechanism of Metro Traction Motor Bearing Voltage

Zhang Le，Fang Liang，Guo Xueyan，Hu Zhihui，Li Xiaoman

AbstractTargeting at a certain type of subway vehicle traction motor bearing voltage，the influence of metro vehicle grounding system，especially the ground current path on the motor，the composition and sources of the bearing voltage are comfirmed，they are the grid grounding current and the inverter charging capacitor current.Through analyzing the bearing voltage induced by the two currents，and verifying the bearing voltage waveform by field measurement，some suggestions for reducing the traction motor bearing voltage are put forward.

Key wordsmetro vehicle；traction motor；bearing voltage

中圖分類號TM 303.5：TM 922.71

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.026

收稿日期：（2015-08-04）