變頻電機(jī)軸電流產(chǎn)生的原理分析及應(yīng)對(duì)措施

王 剛

（西門子（中國）有限公司上海分公司，上海200082）

0 引言

隨著變頻技術(shù)的廣泛運(yùn)用，因軸電流而造成的電機(jī)軸承損壞或者軸承使用壽命縮短的現(xiàn)象已不容忽視。特別是對(duì)于大中型變頻電機(jī)，在電機(jī)設(shè)計(jì)和安裝時(shí)必須考慮如何減少軸電流的產(chǎn)生。

1 逆變供電產(chǎn)生的電機(jī)軸電壓、軸電流原理分析

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)軸兩端之間或軸承之間產(chǎn)生的電位差叫做軸電壓，若軸兩端通過電機(jī)機(jī)座等構(gòu)成回路，則軸電壓形成了軸電流。軸電壓是伴隨著電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，一般工頻電機(jī)軸電壓產(chǎn)生的原因包括磁路不平衡、靜電感應(yīng)、電容電流等。在正弦波工頻電網(wǎng)供電時(shí)，正常情況下轉(zhuǎn)軸兩端電位差很小，對(duì)電機(jī)的影響可以忽略。

目前廣泛應(yīng)用的變頻電機(jī)大都采用PWM 逆變器供電，這時(shí)電機(jī)的軸電壓主要是由于電源三相輸出電壓的矢量和不為0的零序分量產(chǎn)生。變頻器PWM 脈寬調(diào)制導(dǎo)致調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中高頻諧波成分增多，這些諧波分量在轉(zhuǎn)軸、定子繞組和電纜等部分產(chǎn)生電磁感應(yīng)，電機(jī)內(nèi)分布電容的電壓耦合作用構(gòu)成系統(tǒng)共模回路，這種共模回路電壓以高頻振蕩并與轉(zhuǎn)子容性耦合產(chǎn)生轉(zhuǎn)軸對(duì)地的脈沖電壓，該電壓將在系統(tǒng)中產(chǎn)生零序電流，電機(jī)軸承則是這個(gè)零序回路的一部分。軸電流是軸電壓通過電機(jī)軸、軸承、定子機(jī)座或輔助裝置構(gòu)成閉合回路產(chǎn)生的。為了能夠清晰地描述軸電流產(chǎn)生的原因，可參考圖1所示電機(jī)內(nèi)部電容分布示意框圖和等效電路圖。

圖1 電機(jī)內(nèi)部電容分布示意框圖和等效電路圖

1.1 變頻電機(jī)軸電壓和軸電流的限值

1.1.1 軸電壓的限值

所有電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)或多或少都會(huì)產(chǎn)生軸電壓，電機(jī)所容許的軸電壓或軸電流與很多因素有關(guān)。軸電壓的精確限值幾乎不能確定，因?yàn)檩S承工況還有油膜對(duì)比度影響很大。西門子對(duì)軸電壓有以下限制值要求：

Ushaft（RMS）≤350mV

Ushaft（peak）≤700mV

電機(jī)軸電壓在電機(jī)驅(qū)動(dòng)端與非驅(qū)動(dòng)端兩端測量，如圖2所示。因?yàn)檩S電壓是高頻脈沖電壓，所以普通的工頻表無法準(zhǔn)確測量，需要采用響應(yīng)頻率高的表。如果測量出的軸電壓高于以上限制值，那么就必須采取相應(yīng)措施來減小軸電流對(duì)電機(jī)軸承的危害。

圖2 軸電壓測量

1.1.2 軸電流的限值

為判斷軸電流大小是否已經(jīng)影響了電機(jī)軸承壽命，可對(duì)軸電流的限值按以下兩種方式確定。

（1）按照經(jīng)驗(yàn)粗略估算：

軸電流的大小對(duì)滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承的影響略有不同。對(duì)滑動(dòng)軸承而言，若軸電流小于10A，基本無燒蝕；當(dāng)軸電流值為10～40A 時(shí)，則只能維持運(yùn)轉(zhuǎn)3 000～12 000h。對(duì)滾動(dòng)軸承而言，由于滾珠（滾柱）與軸承內(nèi)外圈滾道的接觸面積小，對(duì)軸電流的敏感性比滑動(dòng)軸承更大，軸電流給滾動(dòng)軸承造成的損傷更厲害。當(dāng)軸電流大于2A 時(shí)，幾小時(shí)內(nèi)即可損傷；若軸電流達(dá)1～1.4A，軸承只能持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)200～700h；只有在軸電流小于1A 時(shí)，滾動(dòng)軸承才能持續(xù)運(yùn)行。

（2）根據(jù)實(shí)際軸承尺寸及參數(shù)，按照軸承電流密度計(jì)算：

美國學(xué)者Busse在文獻(xiàn)中給出了軸承電氣壽命Le的估計(jì)公式：Le＝7 867 204×10－217Jb，其中：

Jb＝Ib/Sb

式中，Jb為軸承的電流密度（A/mm2）；Ib為軸電流（A）；Sb為軸承滾珠（柱）與滾道的接觸面積（mm2）。

研究表明，當(dāng)軸承的電流密度Jb＜0.56A/mm2時(shí)，Le遠(yuǎn)大于軸承的機(jī)械壽命，軸承電流不會(huì)對(duì)軸承的運(yùn)行可靠性帶來顯著的影響；當(dāng)Jb＝0.8A/mm2時(shí)，Le與軸承的機(jī)械壽命相當(dāng)，此時(shí)軸電流的影響就不能忽略了。

1.2 軸電流分類

（1）環(huán)流（the Circular Current）；

（2）靜電放電電流（the Electrostatic Discharge Machining Current）；

（3）轉(zhuǎn)子軸電流（the Rotor Shaft Current）。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中存在的以上3種軸電流如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軸電流類型

1.2.1 環(huán)流（the Circular Current）

電機(jī)定子相對(duì)外殼電容Cwh的極性會(huì)因?yàn)槟孀兤鱅GBT 每次的通斷改變，同樣電機(jī)電纜對(duì)地電容和相間電容的極性也會(huì)不斷改變，這樣就會(huì)在定子和電機(jī)外殼之間以及定子和接地端之間產(chǎn)生高頻容性漏電流。由于電機(jī)磁路不平衡，該漏電流會(huì)感應(yīng)出高頻軸電壓VShaft。如果電機(jī)軸承的油膜絕緣性不能克服感應(yīng)出的軸電壓，那么就會(huì)沿著電機(jī)軸→非驅(qū)動(dòng)端軸承→電機(jī)外殼→驅(qū)動(dòng)端軸承→電機(jī)軸產(chǎn)生容性環(huán)流。因此環(huán)電流會(huì)經(jīng)過一個(gè)軸承從轉(zhuǎn)子軸流向電機(jī)外殼，再經(jīng)過另一個(gè)軸承從外殼流回到轉(zhuǎn)子軸。環(huán)流的大小很大程度上取決于定子繞組和電機(jī)外殼容性的大小，它會(huì)隨著電機(jī)軸高度的增加而增大，當(dāng)電機(jī)軸高超過225mm 時(shí)，因環(huán)流而產(chǎn)生的軸電流會(huì)明顯增加。

1.2.2 靜電放電電流（the Electrostatic Discharge Machining Current）

電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，三相繞組對(duì)地電壓在每次電壓突變時(shí)都會(huì)通過電機(jī)定子繞組相對(duì)轉(zhuǎn)子之間的電容Cwr給軸承相對(duì)外殼之間的電容Cb充電。軸和軸承之間的軸承電壓時(shí)間特性是繞組三相對(duì)地電壓相互疊加的結(jié)果。電壓的幅值隨軸承分壓比BVR（Bearing Voltage Ratio）的增大而減小，軸承分壓比根據(jù)以下公式計(jì)算：

從以上公式可以得出，軸承電壓VBearing等于三相繞組對(duì)地電壓疊加值乘以軸承分壓比。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，這個(gè)電壓值一般是繞組相對(duì)地電壓平均值的5%。最壞的情況下，軸承電壓能達(dá)到一個(gè)相當(dāng)高的值，其足以破壞軸承滾珠和軸瓦之間的油模，軸承相對(duì)電機(jī)外殼之間的電容Cb和電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)電機(jī)外殼之間的電容Crh會(huì)通過瞬間的高電流脈沖放電，這種電流脈沖就是靜電放電電流。

1.2.3 轉(zhuǎn)子軸電流（the Rotor Shaft Current）

為了形成環(huán)流，流經(jīng)定子繞組和轉(zhuǎn)子之間電容Cwr的高頻容性漏電流必然要通過電機(jī)外殼流回到逆變器。如果電機(jī)外殼接地不好，由于高頻電流和高頻漏電流的存在，在電機(jī)外殼上就會(huì)形成較高的對(duì)地電壓VHousing。如果聯(lián)軸器、齒輪箱和驅(qū)動(dòng)設(shè)備等又接地狀況良好，那么高頻電流就會(huì)向著阻值低的方向流動(dòng)：電機(jī)外殼→電機(jī)軸承→電機(jī)軸→聯(lián)軸器→齒輪箱→驅(qū)動(dòng)設(shè)備→接地系統(tǒng)→逆變器。如果電流沿著這一路線流過了上述設(shè)備，那么就不僅僅只有電機(jī)軸承有損壞的風(fēng)險(xiǎn)，齒輪箱和驅(qū)動(dòng)設(shè)備的軸承也極有可能被軸電流損壞。

2 減小軸電流的措施

考慮到軸電流由很多因素造成，那么就必須采取一系列的措施才能有效減小軸電流。通常有以下幾種措施：

（1）按照EMC電磁兼容性要求安裝；

（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)端采用絕緣軸承；

（3）采用絕緣性聯(lián)軸器；

（4）驅(qū)動(dòng)端安裝接地碳刷；

（5）采用輸出電抗器或輸出濾波器。

2.1 按照EMC電磁兼容性要求安裝

等電位安裝傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備，保證變壓器、變頻器、電機(jī)、齒輪箱及傳動(dòng)設(shè)備保護(hù)接地點(diǎn)電位相等。高頻電流始終存在于變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，但正確的電氣安裝能減小變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中高頻電流產(chǎn)生的壓降，從而減小軸電流。圖4是一個(gè)典型完整的傳動(dòng)系統(tǒng)等電位接地系統(tǒng)示意圖。

圖4 減小軸電流的接地和等電位安裝措施

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)保護(hù)接地（圖4中［0］）：所有傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)電氣設(shè)備以及機(jī)械設(shè)備外殼必須接地。必須采用標(biāo)準(zhǔn)的PE 電纜接地，電纜不必具有高頻特性。

變頻器內(nèi)部接地（圖4中［1］）：變頻器是產(chǎn)生高頻電流的源頭，變頻器金屬外殼與PE排以及與EMC屏蔽排之間的高頻電流，是造成軸電流的直接因素，因此，變頻器內(nèi)部的接地是否良好至關(guān)重要。采用的接地電纜必須具有高頻特性，電纜截面積不能小于95mm2，連接長度必須盡可能短。

電機(jī)電纜（圖4中［2］）：對(duì)于功率較高的傳動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)電纜必須采用具有高頻特性的屏蔽電纜。為了盡可能抑制高頻諧波對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的影響，推薦使用對(duì)稱電纜（Symmetrical Cable）。圖5所示的兩種電纜均為對(duì)稱電纜。對(duì)于變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，常用第一種對(duì)稱電纜。圖6所示為非對(duì)稱電纜，一般不推薦使用在較高功率的傳動(dòng)系統(tǒng)中。

圖5 對(duì)稱電纜

圖6 非對(duì)稱電纜

另外，在安裝屏蔽電纜時(shí)，要盡可能使用圖7 所示安裝方法：使用金屬夾將電纜屏蔽層安裝在TE排上，這樣能有效增大屏蔽層接地面積。

圖7 電纜屏蔽層安裝

驅(qū)動(dòng)設(shè)備與電機(jī)外殼連接（圖4 中［3］［4］［5］）：電機(jī)主接線箱與電機(jī)外殼必須使用高頻電纜連接。如果齒輪箱、傳動(dòng)設(shè)備與電機(jī)之間沒有有效的等電位安裝，齒輪箱與電機(jī)外殼之間、傳動(dòng)設(shè)備與電機(jī)外殼之間分別需要有電纜連接。

變頻器PE排與接地網(wǎng)連接（圖4中［6］）：連接電纜必須使用高頻電纜，且導(dǎo)線截面積需要大于95mm2。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)端采用絕緣軸承

如果驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滿足了EMC 電磁兼容性安裝要求，就能很大程度上抑制電機(jī)軸對(duì)地的電流。另外，如果電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端采用絕緣軸承，那么從電機(jī)軸→非驅(qū)動(dòng)端軸承→電機(jī)外殼→驅(qū)動(dòng)端軸承再到電機(jī)軸這一回路上的阻抗就會(huì)顯著增大，從而流過軸承的電流就會(huì)相應(yīng)減小。

當(dāng)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端安裝有編碼器時(shí)，為了阻止軸電流從非驅(qū)動(dòng)端軸上流向電機(jī)外殼或地，編碼器軸必須絕緣安裝。

2.3 采用絕緣性聯(lián)軸器

如圖8所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端都采用絕緣軸承時(shí)，非驅(qū)動(dòng)端可以安裝軸接地的編碼器或?qū)ｉT的軸接地裝置，驅(qū)動(dòng)端必須采用絕緣聯(lián)軸器。

圖8 電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸接地

2.4 驅(qū)動(dòng)端安裝接地碳刷

如圖9所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端都采用絕緣軸承時(shí)，如果非驅(qū)動(dòng)端沒有安裝軸接地裝置，可以在驅(qū)動(dòng)端安裝軸接地碳刷，將驅(qū)動(dòng)端軸接地。這種情況下，聯(lián)軸器可以是非絕緣的。

圖9 電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸絕緣

2.5 采用輸出電抗器或輸出濾波器

一般情況下，符合EMC 電磁兼容性要求安裝和非驅(qū)動(dòng)端采用絕緣軸承的措施就能有效抑制并維持軸電流在安全值以下。如果是在特別情況下，也可以通過在變頻器輸出側(cè)增加平波電抗器、共模濾波器或dv/dt濾波器來減小電機(jī)電壓上升率，抑制高頻諧波，減小軸電流。

3 結(jié)語

通過以上處理，大多電機(jī)的軸電流已微乎其微，對(duì)電機(jī)構(gòu)不成實(shí)質(zhì)危害?，F(xiàn)場實(shí)踐證明，經(jīng)過上述方式處理后實(shí)際使用效果明顯，上述方式對(duì)于高壓電機(jī)軸電流的防范效果尤其好，對(duì)保障安全生產(chǎn)具有積極作用。

［1］陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)［M］.2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］顧繩谷.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)［M］.4 版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］［美］查普曼.電機(jī)學(xué)［M］.劉新正，蘇少平，高琳，等譯.5版.北京：電子工業(yè)出版社，2012.