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(xiàn)了軸承滾珠嚴重磨損和剝離、保持架碎裂及內(nèi)外圈滑道磨損等故障。根據(jù)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(guān)，見表1。

文獻[1]指出，25%的電機軸承損壞是由脈寬調(diào)制逆變器供電引起的軸電流所導(dǎo)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(guān)部門重新認識到軸電壓產(chǎn)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(jié)果

1 軸電壓的產(chǎn)生和危害

變頻驅(qū)動系統(tǒng)采用高頻率IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)開關(guān)控制，勢必在電機上感應(yīng)產(chǎn)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(nèi)、外圈)形成軸電壓。

圖1 感應(yīng)電機的耦合電容模型

當(dāng)軸電壓突破油膜閥值電壓時，軸承上將會放電。放電產(chǎn)生的短路電流會在短時間產(chǎn)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(nèi)外圈滑道產(chǎn)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(diào)整接地阻抗

文獻[3]指出，電機定子經(jīng)過接地線接地，其接地阻抗不可忽略；同時，轉(zhuǎn)軸經(jīng)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(zhuǎn)軸接地阻抗同時存在，電路拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。上述接地阻抗與軸電壓呈現(xiàn)出V型曲面關(guān)系，如圖2所示。

圖2 接地阻抗與軸電壓的V型曲面關(guān)系

當(dāng)電機機殼接地阻抗和轉(zhuǎn)軸接地阻抗同時存在時，PWM變頻系統(tǒng)共模等效電路構(gòu)成了惠斯通橋電路。此時軸電壓是電橋移動的結(jié)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(diào)整：①調(diào)整牽引電機機殼到接地碳刷的接地阻抗；②調(diào)整牽引電機轉(zhuǎn)軸經(jīng)聯(lián)軸節(jié)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(huán))

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

圖3 接地環(huán)

在實際工程應(yīng)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(nèi)外圈。本文將使用接地環(huán)將電機外殼與轉(zhuǎn)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(huán)后的感應(yīng)電機等效電路如圖4所示。

圖4中，當(dāng)共模電壓不變并引入接地環(huán)(增加阻抗Z接地環(huán))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(nèi)外圈電壓，業(yè)界將安裝座與軸直接的電壓Ub1也習(xí)慣稱為軸電壓，并將其作為衡量軸承內(nèi)外圈的電壓大小的參數(shù)。很顯然，Ub

圖4 增加接地環(huán)后的感應(yīng)電機等效電路

3 調(diào)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(xiàn)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(zhuǎn)向架→車體→軸端接地”(如圖5所示)，與性能參數(shù)相近的龐巴迪系列車型的“牽引電機→轉(zhuǎn)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(shù)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(jù)文獻[3]，通過調(diào)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(zhuǎn)向架→車體→軸端接地”改為“牽引電機→轉(zhuǎn)向架→軸端接地”，縮短了接地路徑。

措施二： 增加(并聯(lián))了30 mΩ的接地電阻。

措施三： 將接地電容從54.00 μF分別調(diào)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(xiàn)。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(jié)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(shù)據(jù)(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(huán)來抑制軸電壓

根據(jù)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(huán)，并開展試驗。

4.1 1TB2010-1GA02電機引入接地環(huán)前后的軸電壓

4.1.1 測試方案

如圖7所示，在電機驅(qū)動端，利用端蓋與聯(lián)軸節(jié)之間的間隙，加裝絕緣板固定接地環(huán)(接地環(huán)內(nèi)徑為φ80 mm與軸頭外徑要相適應(yīng))，并從接地環(huán)引線至電機外殼接地螺栓處，待連接(圖7中表示為開關(guān)K)。在電機非驅(qū)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(shù)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(tǒng)地研究引入接地環(huán)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(jié)果

經(jīng)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(huán)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(huán)前后的軸電壓

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

圖7 1TB2010-1GA02牽引電機引入接地環(huán)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(huán)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(huán)前后的軸電壓

由表4可見，引入接地環(huán)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(huán)后出現(xiàn)大幅下降。這表明引入接地環(huán)能更好地保護齒輪箱齒輪和軸承。

5 結(jié)語

深圳地鐵有關(guān)部門針對變頻驅(qū)動系統(tǒng)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(huán)、改變接地阻抗等措施來抑制軸電壓。一系列的試驗結(jié)果證明，通過調(diào)整接地阻抗和引入接地環(huán)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。