變頻驅動系統中電機軸電流研究

中車株洲電機有限公司 胡志輝 張 樂 肖 林

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變頻驅動系統中電機軸電流研究

中車株洲電機有限公司 胡志輝 張 樂 肖 林

【摘要】電機PWM變頻技術的應用，在軸承端產生的軸電壓和軸電流會使異步電機軸承失效損壞，影響運行。本文建立了電機的集總參數共模模型，分析了軸承電點壓和電流生成的機理。在該模型的基礎上，分析了軸電流的流通方式，進而提出立減小軸電流的措施。

【關鍵詞】變頻；軸電流；軸電壓；異步電機；共模模型

0 引言

目前用絕緣柵雙極管（IGBT）為功率器件的脈寬調制（PWM）逆變器作為驅動電源的異步電動機越來越多，產生的的軸電壓軸電流使軸承損壞情況有點嚴重，影響電機的正常運行。

1 共模電壓與軸電壓

通常情況下，單級效應，電容電流，以及磁路不平衡是生成軸電壓的主要因素［1］，正弦波驅動電機的時候，元器件，電路，和回路阻抗的不平衡，電源電壓會產生零點漂移的情況，相應的會生成零序電流，軸承是是零序回流組成部分，電機和逆變器組成情況如圖1所示：

圖1 PWM逆變器驅動電路

分析電路可得：

圖2 電機耦合參數的共模等效電路

對電機軸承的結構是分析軸電流的前提。電機軸承的滾道是由外滾道和內滾道組成的［5，6］，電機運行時，潤滑油層包裹著軸承中的滾珠，潤滑油絕緣作用，滾珠和軸承滾道之間形成了電容。它們在轉子—定子回路中以串聯形式存在（不考慮滾珠的阻抗），構成了一個等效電容Cbi（i代表軸承中的第i個滾珠）。軸承整體來說，滾道與滾珠之間的電容是并聯存在的，它表明軸承可用一個帶有內部電阻和電感開關來等效。滾珠和滾道沒有接觸時，開關分開，建立了轉子電壓；開關閉合情況下，轉子電壓會迅速的放電，較大放電電流會在軸承里面產生。

2 軸電壓軸電流的形成

軸承電流可分為三部分：（1）電容電流，分布電容的存在，定子繞組和軸承會形成一個電壓耦合的回路，高頻的PWM脈沖電壓是繞組的輸入電壓時，耦合回路中會形成電流，這個，一部分經軸承電容流到大地，另一部分經流到大地，它們就稱之為軸承電流，輸入電壓以及電機內分布參數決定著軸電流的大小。（2）是EDM電流，當軸電壓超過軸承油層油膜的擊穿電壓時，軸承內外滾道等同于短路狀態，從而很大的放電電流在軸承上產生，這就是電火花加工（Electric Discharge Machining ， EDM）電流［6］。與此同時，電機運行過程中，如果滾珠和滾道之間有接觸，軸承上EDM電流同樣會產生。 （3）環路電流，電機內部磁場產生的流經機殼和轉軸的電流。通常情況下，環路電流對軸承壽命的影響不是很大，dv/dt電流對軸承運行損害也不大，但EDM電流產生的軸承電流密度較大，會使軸承壽命很大程度上的降低。

對某地鐵電機實際運行進行測量情況的情況，選用的是高阻抗的DL850數字存儲示波器。軸承的軸電流是一種非正弦波，有著對稱性重復性極差，波形畸變嚴重，因而引入了時間窗的概念，意思是基礎數據放在一個時間段里面來看。對本試驗來說的話選用了50s的時間窗。使用這種方法測量軸電壓時，電機運行在額定情況下，碳刷接觸電機后端蓋轉軸表面，作為信號線接示波記錄儀輸入端，電機機殼引出線接示波記錄儀輸入地，選擇20M的帶寬。圖3是最初始狀態下的軸電壓波形。

圖3 軸電壓原始波形

由圖3可知，軸電壓出現很多毛刺，尖峰值可達到70V左右。圖4是牽引系統高壓箱跟換電容和變更接地系統后的軸電壓波形。

圖4 整改后的軸電壓波形

采取相應措施后，軸電壓降到50V以下的了。降低該軸電壓，主要通過降低變頻器接地線和車輪碳刷的接地電阻來實現，提供了一條通過電機外殼、電機軸承、電機轉軸、齒輪箱、抱軸、車輪的路徑。如果電機外殼到變頻器匯流排到變頻器接地線到車輪的路徑上阻抗變大，會導致更多的電流經過轉軸回流，從而提升軸承兩端的電壓。而要減小軸承電壓中振蕩電壓成分，則可以降低回流電容阻抗和給變頻器輸出增加低通濾波器（差模濾波和共模濾波）來實現。

3 結論

通過上面的分析，可知，在感應電動機驅動系統中，軸承問題產生的癥結是軸電壓的存在。共模電壓在電動機定子繞組中形成、耦合至電動機轉子引起軸電壓，并導致軸電流。以建立電動機內部耦合參數的模型，明確了軸電流的流通途徑。因此，消除軸電壓軸電流的方法可以從消除共模電壓、改變軸電流流通路徑、減小電動機寄生耦合電容等方面入手。可行的方法有：（1）共模電壓由驅動模塊產生，改善逆變器的控制電路和控制策略可以減小甚至消除共模電壓。 （2）從圖1所示的電動機耦合參數的共模等效電路可知，減小電動機定子繞組與轉軸的耦合電容可以減小軸電壓。（3）轉軸上安裝接地裝置，電刷會提供一個電動機轉軸到機殼的低阻抗并聯通路，從而消除軸電壓并減小軸電流，并且電動機的機殼應充分接地。（4）采用濾波器利用濾波器可以直接減小逆變器側產生的共模電壓，從而抑制了電動機端的軸電壓和軸電流。

參考文獻

［1］FeiWang.Motor ShaftVoltages and Bearing CurrentsandTheirReduction in Multilevel Medium-voltage PWM Voltage- source-in –verterDriveApplicati ons［J］.IEEE Transactionson Industry Ap-plications，2000 36（5）﹕1336-1341.

［2］索淵，陳莉.動機軸電流和軸電壓的危害及預防［J］.甘肅電力技術，2005（8）﹕30.

［3］Busse D，Erdman J，Kerkman R J，et al.The Effects ofPWM Voltage source Inverters on the Mechanical Perfor-mance of Rolling Bearings［A］.In﹕Proceedings of Applied PowerElectronicsconference［C］.SanJose（CA）﹕1996，12﹕561-569.

［4］解毓鏞.發電機軸電流的種類、產生原因和防止措施［J］.華北電力技術，1981（4）﹕31-32..

［5］萬健如，孫健祥，禹華軍.PWM脈沖作用下電機軸電流產生機理分析［J］.電力系統自動化，2003，27（18）﹕22-25.

［6］Naik R，Nondahl T A.Circuit Model for Shaft VoltagePrediction in Induction Motors Fed by PWM_Based AC Drives［J］.IEEE Transactionson Industry Applications，2003，39（5）﹕1294-1299.

作者簡介：

胡志輝（1987－），男，湖南株洲人，碩士，現供職于中車株洲電機有限公司，研究方向：電氣傳動，電機檢測試驗技術。