PWM變頻驅(qū)動電機(jī)軸電壓與軸電流的測試方法

何 良，劉 皓，劉揚(yáng)禮，劉瑞芳，曹君慈，葉 軍

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

PWM變頻驅(qū)動電機(jī)軸電壓與軸電流的測試方法

何 良1，劉 皓1，劉揚(yáng)禮1，劉瑞芳1，曹君慈1，葉 軍2

（1. 北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)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(yīng)用大大改善了電機(jī)調(diào)速性能，但是，由于PWM變頻器共模電壓在電機(jī)內(nèi)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(tǒng)安全運(yùn)行。軸電流問題的研究包括對軸電流的分析、預(yù)測和抑制。然而這些過程需要軸電壓和軸電流的準(zhǔn)確測量進(jìn)行驗證和比對分析。設(shè)計合理而有效的測量裝置和測量方法是非常重要的一環(huán)。在分析軸電流產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有的各種軸電流測量方法和軸承阻抗特性測試方法進(jìn)行介紹，總結(jié)對比這幾種方法的優(yōu)缺點，為軸電流的測試平臺的新設(shè)計提供參考。

電機(jī)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(qū)動電機(jī)的廣泛使用，電機(jī)的調(diào)速性能得到了大大提升，但電機(jī)軸承燒死的現(xiàn)象也越來越明顯。該現(xiàn)象不僅造成電機(jī)無法運(yùn)行，而且嚴(yán)重?fù)p壞電機(jī)的軸承，致使轉(zhuǎn)軸報廢。這些軸承燒死的電機(jī)都經(jīng)過嚴(yán)格出廠試驗，當(dāng)它們的軸承振動、噪音、溫升都檢測合格后，軸承還是發(fā)生了燒死現(xiàn)象，而且電機(jī)的轉(zhuǎn)軸軸承經(jīng)常發(fā)現(xiàn)許多小而深的圓形蝕點，除了軸承本身質(zhì)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(jù)軸承制造商統(tǒng)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(guān)注。[1-8]

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

有功率場效應(yīng)管 （MOSFET）的。變頻電機(jī)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(yīng)電機(jī)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(qū)動的電機(jī)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(dá)式（5）如下：

圖1 變頻器驅(qū)動電機(jī)的等效電路

圖2 逆變器電路共模模型

當(dāng)電機(jī)接入三相對稱正弦電壓時三相電壓之和為零，則Vcm為零。當(dāng)由PWM逆變器供電時，共模電壓不為0，它會通過電機(jī)內(nèi)部寄生電容耦合作用，在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出電壓，經(jīng)過電機(jī)軸承，形成共模電流流通路徑。電機(jī)中存在著三類耦合電容，Cwf為電機(jī)定子繞組和定子鐵芯之間的電容，Cwr為定子繞組和轉(zhuǎn)子之間的電容，Crf為轉(zhuǎn)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(yīng)出軸電壓。在電機(jī)正常運(yùn)行時軸承的絕緣油膜將滾珠與內(nèi)外滾道隔開，內(nèi)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(zhuǎn)子鐵芯和機(jī)殼構(gòu)造的等效回路產(chǎn)生軸電流，電機(jī)軸電流等效電路如圖2所示。Cb為驅(qū)動端軸承等效電容；Cnb為非驅(qū)動端軸承等效電容；ub為轉(zhuǎn)軸及軸承內(nèi)圈對地的電壓。

與傳統(tǒng)正弦供電下由于磁不對稱等原因而產(chǎn)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(chǎn)生的，其本質(zhì)是軸承的電容充放電電流，由于其數(shù)值過小對電機(jī)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(dá)到油膜的閾值電壓時 ，油膜就會被擊穿，從而產(chǎn)生放電現(xiàn)象，這就是EDM電流，該電流有很強(qiáng)的熱效應(yīng)，產(chǎn)生電腐蝕使得軸承損壞。三是環(huán)路電流，環(huán)路電流是指當(dāng)在高頻接地共模電流引起的共模磁通在電機(jī)轉(zhuǎn)軸兩端感應(yīng)高頻軸電壓，產(chǎn)生循環(huán)型軸承電流，流通路徑是電流由轉(zhuǎn)軸的一端經(jīng)過軸承到達(dá)定子機(jī)座，又經(jīng)另一端軸承到達(dá)轉(zhuǎn)軸。四是機(jī)殼接地不良時，轉(zhuǎn)子接地或通過驅(qū)動載荷接地使得軸承內(nèi)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(fā)生放電現(xiàn)象，使軸承產(chǎn)生麻點。麻點又使軸承內(nèi)外滾道間的摩擦阻力加大，軸承溫度迅速上升。因此當(dāng)電機(jī)中有EDM電流時，會出現(xiàn)軸承溫度異常現(xiàn)象，這種現(xiàn)象造成了軸承內(nèi)滾道與軸承外滾道的配合出現(xiàn)問題，引起軸承內(nèi)滾道

與軸承外滾道的相對運(yùn)動并磨損軸承； 同時也使得軸承溫度繼續(xù)升高，油脂熔化溢出。由于磨損嚴(yán)重，電機(jī)驅(qū)動端軸承出現(xiàn)位移，造成轉(zhuǎn)子驅(qū)動端與非驅(qū)動端不同心，軸承徑向受力不均，進(jìn)一步致使轉(zhuǎn)軸與軸承磨出劃痕，引起電機(jī)振動。只要軸電流存在，電機(jī)軸承的使用壽命就縮短，造成經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)。

在軸電流問題的研究中，需要分析其產(chǎn)生機(jī)理，推測其等效電路，預(yù)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(lián)系在一起，沒有測量就沒有科學(xué)。軸電流測量的難點在于，軸電流的電流回路由電機(jī)系統(tǒng)，電機(jī)的轉(zhuǎn)軸、軸承等部件形成了共模電流回路，軸承內(nèi)電流的情況無法用儀器直接測量。因此，如何構(gòu)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(zhǔn)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(jìn)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(nèi)外測量軸電壓、軸電流的方法并對其進(jìn)行比較和評估。最后，軸承在不同工況下呈現(xiàn)的阻抗特性是變化的。為準(zhǔn)確預(yù)測軸電壓和軸電流的大小，對阻抗特性進(jìn)行測試也是非常有必要的，本文也對電機(jī)軸承的阻抗特性測量方法進(jìn)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(zhǔn)確性較高。

在圖4中，分別表示出了驅(qū)動端和非驅(qū)動端的軸電流（ib）、軸承電壓（vb）、轉(zhuǎn)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(huán)電流是通過“定子機(jī)殼—非驅(qū)動端—轉(zhuǎn)軸—驅(qū)動端”循環(huán)的，所以通過測量電機(jī)驅(qū)動端和非驅(qū)動端的軸電流后，可以推算出高頻循環(huán)電流和軸承放電電流的數(shù)值。其中，這兩者的共模數(shù)值為循環(huán)電流的數(shù)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(qiáng)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(jī)同軸的鋁質(zhì)外殼來達(dá)到測量軸電壓的同時減小電磁干擾的目的。有了這個鋁質(zhì)罩殼，轉(zhuǎn)軸端電壓與外軸承座的電壓近似相等，轉(zhuǎn)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(jī)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(jìn)行導(dǎo)通，原先通過軸承發(fā)散式進(jìn)入電機(jī)機(jī)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(yōu)點在于通過絕緣阻斷和導(dǎo)流銅橋引出了一個高頻循環(huán)電流的測量點，解決了在普通電機(jī)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(jìn)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(shù)的主要思想是在規(guī)定的時間下計算RF脈沖源的放電數(shù)和接收數(shù)。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(jìn)行檢測，用高通濾波器濾出由逆變器發(fā)出的射頻噪聲（截止頻率約為100兆赫），最后聯(lián)接到一個脈沖計數(shù)器。而且，脈沖計數(shù)器的計數(shù)脈沖，只在逆變換流時才會計數(shù)，所以保證了計數(shù)器只在軸承放電時計數(shù)。這種技術(shù)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(shè)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(gòu)成的RF帶通濾波器（輸入阻抗為50Ω），和一個Xilinx Spartan-3系列的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），測量天線放置在距離地面和電機(jī)垂直中心線均為1米的位置處進(jìn)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(shù)，應(yīng)設(shè)置示波器的采樣頻率為1.25 GS / s，觸發(fā)水平為1.5 mV，觸發(fā)延遲為250 ns。這樣設(shè)置好示波器以便觸發(fā)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(shù)（如圖5），通過這種方法來量化軸承電流的發(fā)生頻率。最后，通過統(tǒng)計推算軸承損壞程度與放電次數(shù)的聯(lián)系，通過監(jiān)測放電次數(shù)，來保證軸承在一個相對良好的狀態(tài)下運(yùn)行。H. Tischmacher, S. Gattermann在文獻(xiàn)[10]中也采用了這種方法進(jìn)行研究。

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

圖5 計數(shù)軸承放電電流次數(shù)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(jī)內(nèi)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(jī)械支撐作用。電機(jī)外部連接有兩個附加的軸承，它們放置在電機(jī)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸上感應(yīng)出來的電流會通過，“轉(zhuǎn)軸—一側(cè)附加軸承—大地—另一側(cè)附加軸承-轉(zhuǎn)軸”回路循環(huán)，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(nèi)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(huán)軸電流進(jìn)行測量。由于這兩個外部軸承不施加任何機(jī)械負(fù)荷，只為了測量目的，所以無法完全模擬電機(jī)內(nèi)部軸承的運(yùn)行狀況，測量出來的結(jié)果與真實值之間存在系統(tǒng)誤差。

2 軸承阻抗特性測量方法

軸承是軸電流通路中的關(guān)鍵部件，如果要準(zhǔn)確預(yù)測軸電壓和軸電流，或者設(shè)計抑制軸電流的方案，需要準(zhǔn)確把握電機(jī)軸承的阻抗特性。對軸承電容和電阻參數(shù)進(jìn)行分析計算是一種研究方法[12]，而對軸承阻抗參數(shù)的測量則是重要的檢驗環(huán)節(jié)。

軸承阻抗特性在不同工況下是不同的[13]，軸承運(yùn)行于高速狀態(tài)時，軸承處于完全潤滑狀態(tài)，此時可用潤滑脂作為介質(zhì)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(jìn)行放電；在軸承運(yùn)行處于中低速甚至靜止時，表現(xiàn)為阻抗特性，中速狀態(tài)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(jī)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(jī)通過絕緣聯(lián)軸節(jié)與一個轉(zhuǎn)軸相連，在轉(zhuǎn)軸上放置3個軸承，其中外側(cè)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(gòu)造的，另一個測量點在轉(zhuǎn)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(fù)載，不用于測量。

方法評價：這種方法盡管不用對電機(jī)進(jìn)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(jī)內(nèi)部的狀態(tài)，比如說電機(jī)軸承溫度對軸承特性的影響，軸向負(fù)載對軸承內(nèi)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(shè)置[15]，其中電機(jī)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(qū)動端軸承周圍的絕緣層被導(dǎo)線短路，用來測量流經(jīng)軸承的高頻電流，而非驅(qū)動端的軸承絕緣層是開路的。

在電機(jī)非驅(qū)動端，轉(zhuǎn)軸和機(jī)殼之間通過信號發(fā)生器施加電壓激勵，信號發(fā)生器頻率從300 kHz 到1.5 MHz可調(diào)。在電機(jī)驅(qū)動端，用示波器測量軸承電壓和電流。軸電壓是測量軸承內(nèi)圈與機(jī)殼之間的電壓，同樣是通過轉(zhuǎn)軸與機(jī)殼兩個點來進(jìn)行測量。電流則是用導(dǎo)線連接絕緣層兩端，引出電流進(jìn)行測量。

測量出電流和電壓后應(yīng)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(zhuǎn)速、載荷以及溫度等情況與實際情況相同。但由于電機(jī)通過逆變器來控制轉(zhuǎn)速，以考察轉(zhuǎn)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(fā)生器激勵下的伏安特性，這是該方法的缺陷。

3 結(jié)束語

本文通過對目前現(xiàn)有的軸承測量方案進(jìn)行驗證總結(jié)，系統(tǒng)的歸納分析了各種方案的優(yōu)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(jī)進(jìn)行改造還是外加軸承進(jìn)行測量，需要盡可能保證軸承所處的環(huán)境與正常運(yùn)行狀態(tài)下一樣，比如說溫度和負(fù)載。軸承油膜在有無負(fù)載兩種情況下，厚度差別較大，直接影響到測量結(jié)果呈現(xiàn)出很大差別。除此之外，在對軸電壓軸電流進(jìn)行測量時，軸電流回路做出的改變也會對測量結(jié)果有影響。

目前對于軸電流的測量還在摸索階段，大多數(shù)學(xué)者都是通過測量軸電壓，通過大量的實驗結(jié)果給出一個范圍來確定這樣的軸電壓是否會產(chǎn)生對軸承造成傷害的軸電流。通過軸電壓的測量來進(jìn)行評估是一種簡單易行的方法。本文歸納總結(jié)測量軸電壓軸電流的各種方法，以推動設(shè)計出更準(zhǔn)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(yīng)電機(jī)能更好地為人們服務(wù)。

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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(xué)電氣工程學(xué)院教師，研究方向為電磁場數(shù)值計算，電力電子與電機(jī)系統(tǒng)集成分析。

國家自然科學(xué)基金資助項目（51107004），中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)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(xué)電氣工程學(xué)院電氣信息專業(yè)學(xué)生，研究方向為電機(jī)系統(tǒng)集成分析。