深圳地鐵抑制車輛牽引電機軸電壓的探索

黃初平 謝述武 鐘武凌

(1.深圳市地鐵集團有限公司，518041，深圳； 2.深圳市億斯泰科技有限公司，518063，深圳//第一作者，工程師)

深圳地鐵部分車輛的3款電機集中出現了軸承滾珠嚴重磨損和剝離、保持架碎裂及內外圈滑道磨損等故障。根據第三方檢測分析報告，其故障原因不同程度地與軸承電腐蝕有關，見表1。

文獻[1]指出，25%的電機軸承損壞是由脈寬調制逆變器供電引起的軸電流所導致的。軸電壓的存在是軸承電腐蝕的重要原因，為此，深圳地鐵有關部門重新認識到軸電壓產生的危害，開始測量軸電壓的大小，并探索抑制牽引電機軸電壓的措施。

表1 深圳地鐵車輛牽引電機軸承故障第三方檢測結果

1 軸電壓的產生和危害

變頻驅動系統采用高頻率IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)開關控制，勢必在電機上感應產生共模電壓；而共模電壓作用于電機繞組，通過電機中的寄生電容[2](見圖1)形成共模電流通路，進而在軸承油膜兩端(軸承內、外圈)形成軸電壓。

圖1 感應電機的耦合電容模型

當軸電壓突破油膜閥值電壓時，軸承上將會放電。放電產生的短路電流會在短時間產生巨大的熱量，從而造成擊穿點附近金屬熔化，引起電火花加工 (EDM)凹坑、電腐蝕斑點和凹槽損傷[2]，使軸承內外圈滑道產生早期損傷。長期積累損傷會損壞軸承，最終造成軸承失效。

2 抑制軸電壓的措施

2.1 調整接地阻抗

文獻[3]指出，電機定子經過接地線接地，其接地阻抗不可忽略；同時，轉軸經負載(如齒輪箱等)接地，會形成一個新的入地通路。此時，電機機殼接地阻抗和轉軸接地阻抗同時存在，電路拓撲結構發生變化。上述接地阻抗與軸電壓呈現出V型曲面關系，如圖2所示。

圖2 接地阻抗與軸電壓的V型曲面關系

當電機機殼接地阻抗和轉軸接地阻抗同時存在時，PWM變頻系統共模等效電路構成了惠斯通橋電路。此時軸電壓是電橋移動的結果，且存在一個軸電壓較小的范圍。

因此，為獲得更小軸電壓可作以下調整：①調整牽引電機機殼到接地碳刷的接地阻抗；②調整牽引電機轉軸經聯軸節及齒輪箱到軸端接地碳刷的接地阻抗。

2.2 旁路軸承(引入接地環)

接地環本質上是短路環，核心材料是呈圓周布置的高性能導電纖維，其外圍是鋁合金框架(如圖3所示)。

圖3 接地環

在實際工程應用中，越來越多的電機采用絕緣軸承(軸承外圈與安裝座絕緣)，因此無法直接短接軸承內外圈。本文將使用接地環將電機外殼與轉軸短接，從而改變電容模型，嘗試降低軸電壓。

文獻[3]中建立的電容模型，將增加Cbf(絕緣軸承外圈與定子的電容)。增加接地環后的感應電機等效電路如圖4所示。

圖4中，當共模電壓不變并引入接地環(增加阻抗Z接地環)后，軸電壓Ub也將隨之降低。

針對絕緣軸承，因無法直接測量內外圈電壓，業界將安裝座與軸直接的電壓Ub1也習慣稱為軸電壓，并將其作為衡量軸承內外圈的電壓大小的參數。很顯然，Ub

圖4 增加接地環后的感應電機等效電路

3 調整接地阻抗來抑制軸電壓

本研究在深圳地鐵5號線某型列車上開展試驗，通過改變牽引電機外殼至軸端碳刷之間的接地阻抗來實現抑制軸電壓的目的。

3.1 YQ-190-5牽引電機概況

試驗車輛采用YQ-190-5牽引電機，其接地路徑為“牽引電機→轉向架→車體→軸端接地”(如圖5所示)，與性能參數相近的龐巴迪系列車型的“牽引電機→轉向架→軸端接地”路徑不一致。

該型列車的接地電容為54.00 μF，與之性能參數相近的龐巴迪系列某型列車接地電容為3.90 μF。

3.2 測試方案

依據文獻[3]，通過調整接地阻抗來抑制軸電壓，主要可采取3方面措施。

措施一： 將接地路徑從原來的“牽引電機→轉向架→車體→軸端接地”改為“牽引電機→轉向架→軸端接地”，縮短了接地路徑。

措施二： 增加(并聯)了30 mΩ的接地電阻。

措施三： 將接地電容從54.00 μF分別調整至0.50 μF、0.68 μF和1.00 μF。

電機軸承電壓測試點如圖6所示的。其中，測試點1的引出線由測試工裝(自制碳刷)實現。測試用示波器品牌是日本橫河，型號為YOKOGAWA DL850(精度0.5%)，測試用探頭為電壓探頭(精度1級)，線纜為同軸線纜。

3.3 測試結果

試驗測試了列車在3個速度等級下，100%牽引和快速制動工況下的最大軸電壓峰值。本文研究只選取列車運行速度等級為40 km/h的數據(見表2)。

圖5 深圳地鐵5號線某車型接地電路

圖6 軸電壓測試接線示意圖

由表2可見，在改變接地電阻后，軸電壓峰值從128 V降至95 V；在單獨改變接地電容大小后，軸電壓峰值降至85 V；在采取綜合措施后，軸電壓峰值降至82 V，降幅達35.9%，抑制效果明顯。

表2 40 km/h速度等級100%牽引和快速制動工況下的最大軸電壓峰值

4 引入接地環來抑制軸電壓

根據上述分析，在牽引電機型號分別為1TB2010-1GA02和YQ-190-5的兩列列車上引入接地環，并開展試驗。

4.1 1TB2010-1GA02電機引入接地環前后的軸電壓

4.1.1 測試方案

如圖7所示，在電機驅動端，利用端蓋與聯軸節之間的間隙，加裝絕緣板固定接地環(接地環內徑為φ80 mm與軸頭外徑要相適應)，并從接地環引線至電機外殼接地螺栓處，待連接(圖7中表示為開關K)。在電機非驅動端，制作工藝端蓋并安裝碳刷緊貼電機軸頭，碳刷引線至數字示波器V1(品牌為AEGIS，型號為AEGIS-OSC-9100，采樣周期為50 μs)；V1另一端連接至電機外殼接地螺栓。為更系統地研究引入接地環后電壓對齒輪箱的影響，試驗還會測量齒輪箱電壓U2。

4.1.2 測試結果

經測試，運行速度等級為40 km/h的列車在100%牽引、勻速惰行和快速制動工況下的最大U1峰值如表3所示。

由表3可見，引入接地環后，U1峰值從84.8～110.4 V，下降到22.0～38.8 V，平均下降幅度為70.4%，抑制效果明顯。U2也有下降。

4.2 YQ-190-5電機引入接地環前后的軸電壓

YQ-190-5電機的相關測試與TB2010-1GA02電機測試相似，在此不再贅述。測試結果見表4。

圖7 1TB2010-1GA02牽引電機引入接地環的測試方案

表3 1TB2010-1GA02牽引電機40 km/h速度等級引入接地環前后的軸電壓

表4 YQ-190-5牽引電機40 km/h速度等級引入接地環前后的軸電壓

由表4可見，引入接地環后，U1峰值從77.6～85.6 V，進一步下降到14.8～17.2 V，平均下降幅度為80.4%。U1得到有效抑制。而U2峰值在引入接地環后出現大幅下降。這表明引入接地環能更好地保護齒輪箱齒輪和軸承。

5 結語

深圳地鐵有關部門針對變頻驅動系統中軸電壓對牽引電機造成的軸承電腐蝕問題，已開始采取引入接地環、改變接地阻抗等措施來抑制軸電壓。一系列的試驗結果證明，通過調整接地阻抗和引入接地環兩種方式，都可有效降低牽引電機的軸電壓，避免電機軸承早期損傷，降低了電腐蝕的影響，從而達到延長軸承使用壽命的目的。