變頻電機軸電流產生的原理分析及應對措施

王 剛

（西門子（中國）有限公司上海分公司，上海200082）

0 引言

隨著變頻技術的廣泛運用，因軸電流而造成的電機軸承損壞或者軸承使用壽命縮短的現象已不容忽視。特別是對于大中型變頻電機，在電機設計和安裝時必須考慮如何減少軸電流的產生。

1 逆變供電產生的電機軸電壓、軸電流原理分析

電機運行時，轉軸兩端之間或軸承之間產生的電位差叫做軸電壓，若軸兩端通過電機機座等構成回路，則軸電壓形成了軸電流。軸電壓是伴隨著電機旋轉產生，一般工頻電機軸電壓產生的原因包括磁路不平衡、靜電感應、電容電流等。在正弦波工頻電網供電時，正常情況下轉軸兩端電位差很小，對電機的影響可以忽略。

目前廣泛應用的變頻電機大都采用PWM 逆變器供電，這時電機的軸電壓主要是由于電源三相輸出電壓的矢量和不為0的零序分量產生。變頻器PWM 脈寬調制導致調速驅動系統中高頻諧波成分增多，這些諧波分量在轉軸、定子繞組和電纜等部分產生電磁感應，電機內分布電容的電壓耦合作用構成系統共模回路，這種共?；芈冯妷阂愿哳l振蕩并與轉子容性耦合產生轉軸對地的脈沖電壓，該電壓將在系統中產生零序電流，電機軸承則是這個零序回路的一部分。軸電流是軸電壓通過電機軸、軸承、定子機座或輔助裝置構成閉合回路產生的。為了能夠清晰地描述軸電流產生的原因，可參考圖1所示電機內部電容分布示意框圖和等效電路圖。

圖1 電機內部電容分布示意框圖和等效電路圖

1.1 變頻電機軸電壓和軸電流的限值

1.1.1 軸電壓的限值

所有電機運轉時或多或少都會產生軸電壓，電機所容許的軸電壓或軸電流與很多因素有關。軸電壓的精確限值幾乎不能確定，因為軸承工況還有油膜對比度影響很大。西門子對軸電壓有以下限制值要求：

Ushaft（RMS）≤350mV

Ushaft（peak）≤700mV

電機軸電壓在電機驅動端與非驅動端兩端測量，如圖2所示。因為軸電壓是高頻脈沖電壓，所以普通的工頻表無法準確測量，需要采用響應頻率高的表。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措施來減小軸電流對電機軸承的危害。

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影響了電機軸承壽命，可對軸電流的限值按以下兩種方式確定。

（1）按照經驗粗略估算：

軸電流的大小對滑動軸承和滾動軸承的影響略有不同。對滑動軸承而言，若軸電流小于10A，基本無燒蝕；當軸電流值為10～40A 時，則只能維持運轉3 000～12 000h。對滾動軸承而言，由于滾珠（滾柱）與軸承內外圈滾道的接觸面積小，對軸電流的敏感性比滑動軸承更大，軸電流給滾動軸承造成的損傷更厲害。當軸電流大于2A 時，幾小時內即可損傷；若軸電流達1～1.4A，軸承只能持續運轉200～700h；只有在軸電流小于1A 時，滾動軸承才能持續運行。

（2）根據實際軸承尺寸及參數，按照軸承電流密度計算：

美國學者Busse在文獻中給出了軸承電氣壽命Le的估計公式：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，當軸承的電流密度Jb＜0.56A/mm2時，Le遠大于軸承的機械壽命，軸承電流不會對軸承的運行可靠性帶來顯著的影響；當Jb＝0.8A/mm2時，Le與軸承的機械壽命相當，此時軸電流的影響就不能忽略了。

1.2 軸電流分類

（1）環流（the Circular Current）；

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

（3）轉子軸電流（the Rotor Shaft Current）。

驅動系統中存在的以上3種軸電流如圖3所示。

圖3 驅動系統軸電流類型

1.2.1 環流（the Circular Current）

電機定子相對外殼電容Cwh的極性會因為逆變器IGBT 每次的通斷改變，同樣電機電纜對地電容和相間電容的極性也會不斷改變，這樣就會在定子和電機外殼之間以及定子和接地端之間產生高頻容性漏電流。由于電機磁路不平衡，該漏電流會感應出高頻軸電壓VShaft。如果電機軸承的油膜絕緣性不能克服感應出的軸電壓，那么就會沿著電機軸→非驅動端軸承→電機外殼→驅動端軸承→電機軸產生容性環流。因此環電流會經過一個軸承從轉子軸流向電機外殼，再經過另一個軸承從外殼流回到轉子軸。環流的大小很大程度上取決于定子繞組和電機外殼容性的大小，它會隨著電機軸高度的增加而增大，當電機軸高超過225mm 時，因環流而產生的軸電流會明顯增加。

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

電機在運轉過程中，三相繞組對地電壓在每次電壓突變時都會通過電機定子繞組相對轉子之間的電容Cwr給軸承相對外殼之間的電容Cb充電。軸和軸承之間的軸承電壓時間特性是繞組三相對地電壓相互疊加的結果。電壓的幅值隨軸承分壓比BVR（Bearing Voltage Ratio）的增大而減小，軸承分壓比根據以下公式計算：

從以上公式可以得出，軸承電壓VBearing等于三相繞組對地電壓疊加值乘以軸承分壓比。對于標準電機，這個電壓值一般是繞組相對地電壓平均值的5%。最壞的情況下，軸承電壓能達到一個相當高的值，其足以破壞軸承滾珠和軸瓦之間的油模，軸承相對電機外殼之間的電容Cb和電機轉子相對電機外殼之間的電容Crh會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 轉子軸電流（the Rotor Shaft Current）

為了形成環流，流經定子繞組和轉子之間電容Cwr的高頻容性漏電流必然要通過電機外殼流回到逆變器。如果電機外殼接地不好，由于高頻電流和高頻漏電流的存在，在電機外殼上就會形成較高的對地電壓VHousing。如果聯軸器、齒輪箱和驅動設備等又接地狀況良好，那么高頻電流就會向著阻值低的方向流動：電機外殼→電機軸承→電機軸→聯軸器→齒輪箱→驅動設備→接地系統→逆變器。如果電流沿著這一路線流過了上述設備，那么就不僅僅只有電機軸承有損壞的風險，齒輪箱和驅動設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）電機驅動端采用絕緣軸承；

（3）采用絕緣性聯軸器；

（4）驅動端安裝接地碳刷；

（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

等電位安裝傳動系統相關設備，保證變壓器、變頻器、電機、齒輪箱及傳動設備保護接地點電位相等。高頻電流始終存在于變頻驅動系統中，但正確的電氣安裝能減小變頻驅動系統中高頻電流產生的壓降，從而減小軸電流。圖4是一個典型完整的傳動系統等電位接地系統示意圖。

圖4 減小軸電流的接地和等電位安裝措施

驅動系統保護接地（圖4中［0］）：所有傳動系統相關電氣設備以及機械設備外殼必須接地。必須采用標準的PE 電纜接地，電纜不必具有高頻特性。

變頻器內部接地（圖4中［1］）：變頻器是產生高頻電流的源頭，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，變頻器內部的接地是否良好至關重要。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。

電機電纜（圖4中［2］）：對于功率較高的傳動系統，電機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電機產生的影響，推薦使用對稱電纜（Symmetrical Cable）。圖5所示的兩種電纜均為對稱電纜。對于變頻驅動系統，常用第一種對稱電纜。圖6所示為非對稱電纜，一般不推薦使用在較高功率的傳動系統中。

圖5 對稱電纜

圖6 非對稱電纜

另外，在安裝屏蔽電纜時，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

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

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

2.2 電機驅動端采用絕緣軸承

如果驅動系統滿足了EMC 電磁兼容性安裝要求，就能很大程度上抑制電機軸對地的電流。另外，如果電機非驅動端采用絕緣軸承，那么從電機軸→非驅動端軸承→電機外殼→驅動端軸承再到電機軸這一回路上的阻抗就會顯著增大，從而流過軸承的電流就會相應減小。

當電機非驅動端安裝有編碼器時，為了阻止軸電流從非驅動端軸上流向電機外殼或地，編碼器軸必須絕緣安裝。

2.3 采用絕緣性聯軸器

如圖8所示，當驅動端和非驅動端都采用絕緣軸承時，非驅動端可以安裝軸接地的編碼器或專門的軸接地裝置，驅動端必須采用絕緣聯軸器。

圖8 電機非驅動端軸接地

2.4 驅動端安裝接地碳刷

如圖9所示，當驅動端和非驅動端都采用絕緣軸承時，如果非驅動端沒有安裝軸接地裝置，可以在驅動端安裝軸接地碳刷，將驅動端軸接地。這種情況下，聯軸器可以是非絕緣的。

圖9 電機非驅動端軸絕緣

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動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增加平波電抗器、共模濾波器或dv/dt濾波器來減小電機電壓上升率，抑制高頻諧波，減小軸電流。

3 結語

通過以上處理，大多電機的軸電流已微乎其微，對電機構不成實質危害。現場實踐證明，經過上述方式處理后實際使用效果明顯，上述方式對于高壓電機軸電流的防范效果尤其好，對保障安全生產具有積極作用。

［1］陳世坤.電機設計［M］.2版.北京：機械工業出版社，2004.

［2］顧繩谷.電機及拖動基礎［M］.4 版.北京：機械工業出版社，2011.

［3］［美］查普曼.電機學［M］.劉新正，蘇少平，高琳，等譯.5版.北京：電子工業出版社，2012.