探析变频电机轴电流的产生机理及应对措施

[摘 要]随着交流变频调速技术日渐成熟，交流变频电机驱动性能显著提高，但是变频电机轴电流导致轴承故障的现象也不容忽视。本文分析变频电机轴电流产生机理及危害，在此基础上，针对性提出了防止变频电机轴电流危害的措施。

[关键词]变频电机；轴电流； 产生机理

中图分类号：TM921.51 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）26-0217-01

1.电机轴电流产生的原因及危害

西门子变频器的控制方式主有SPWM、WVP―WM、VC三种。SPWM即正弦脉宽调制，SVPWM即电压空间矢量、VC即矢量控制。短纤维装置西门子变频器采用的是带测速编码器的矢量控制方式。

从电动机工作原理分析，交流电源在电机线圈中产生的磁场是三相对称的，如果电机三相绕组相电流相同并且电流的相位角都差120°时，电机内部磁场平衡，不会产生轴电压，也就不存在产生轴电流的条件。导致电机内部磁场不平衡可以从两个方面进行分析：（1）电动机存在设计缺陷，导致结构不对称；（2）驱动电动机的电源输出电压不对称。由于电动机采用西门子变频器驱动，输出三相电压的频率、幅值、相位都在随时间变化，电机内部的磁场平衡状态被打破，三相电压矢量和不为零的零序分量将会使电机轴端产生轴电压。

西门子6SE70变频器输出PWM脉宽调制波形，其中包含高频谐波，高频谐波会在电机转子、定子线圈以及电机的动力电缆中发生电磁感应现象，定子绕组和电机基座之间的分布电容会在电压耦合下与电动机的外壳构成共模回路，高频率波动的共模电压与转子容性耦合使得电机转轴对地产生脉冲电压，脉冲电压在系统中产生零序电流。电机轴承的脉冲电压峰值最高可达到10～40V，轴承中的轴电流是该回路的主要组成部分。实践中发现，峰值电压的大小与6SE70变频器的载波频率有关，载波频率越低，脉冲电压越高，对点击传动轴承的损伤也更为严重。

轴电压通过电动机固定基座、传动轴承、电机转子、测速机、编码器等装置形成闭合回路，产生轴电流。电机在正常运转情况下，转轴的旋转在轴承与轴之间会挤压出一层厚度极薄的油膜，油膜可以起到、绝缘、支撑的作用。如果轴电压较低，则不会产生轴电流。如图1所示，当轴电压增加到一定数值，尤其是在电动机起动时，油膜还未稳定形成，瞬时产生的轴电压必将击穿油膜的薄弱部分，由于回路的阻抗特小，因此产生的轴电流峰值可到几百安培。由于牵伸线采用的是滚动轴承，滚珠与轴承外圈滚道接触面积很小，放电部位电流密度将会很大，瞬间产生高温，轴承内圈、外圈、滚珠上将会形成凹槽，严重时还会损伤电机的轴颈和轴瓦。

2 轴电流的限值及分析

一般通用变频器驱动300kW以下的异步电机时，可以不考虑电压的问题；如果驱动300kW以上的大功率电机时，必须对轴电压的大小引起足够的重视，因此研究轴电流的限值非常有必要。轴电压的大小与轴承类型和型号、安装和使用条件、脂型号、电机额定转速、共模回路阻抗等多种因素有关。由于多种因素的共同作用，如果对某台电动机轴电压的限值明确限定很难做到。轴电流达10～40A.，轴承能运转2500～13000h，如果轴电流达到100A以上，轴承会在极短时间内被烧毁。由于短纤维装置采用的异步电动机在选型时全部采用西门子电机，查阅西门子电机相关资料：电机空载轴电压必须在350mV以下，如果超过350mV，应该选用绝缘轴承。

牵伸线一台800kW西门子电机选用了NU224E轴承，但是在2012～2013年之间三次因轴电流导致轴承损坏事故，对故障监测中，我们对电机的轴电压进行了测量并记录。通过表1中数据可以看出，该电机轴电压在空载和负载测试下，均超过了西门子公司规定的350mV限值。

由于轴电压是高频的脉冲电压，必须用交流电压表（高内阻）测量电机轴两端的电压U1以及非负荷侧轴座对地电压U2。对电动机轴承定期进行振动检测和轴电流测试，可以及时掌握轴承前期损坏迹象。

3.措施与对策

电机轴电压的大小与电机的设计、加工工艺、安装调试等多方面的因素有关。对于用户而言，轴电压无法避免，只能通过一些预防的措施来降低轴电压。降低轴电压可以通过三个方面来考虑：（1）消除轴电流的根源即消除驱动轴承电流的电压源；（2）增加旁路来改变轴电流的流通路径；（3）增加阻抗，降低或阻断轴电流。在运行维护中，应将工作重点放在轴电流的防治上。

3.1 抑制电源谐波

当电动机采用变频器驱动时，可以通过优化配电系统接地方式、选用滤波器和平波电抗器、缩短变频器与电动机布线距离等方式，减小驻波效应。选用滤波器主要是为了消除输出电压中的高次谐波；缩短布线距离主要是为了减小变频器与电机之间波形的振荡周期，从而降低谐波、减小轴电流，延长电动机绕组和轴承寿命，确保编码器、测速器等辅助装置的安全。

3.2 加装碳刷

我们首先在电机负荷侧加装了碳刷B，运行中测量到引线中有接地电流，说明轴电流确实存在。加装B碳刷后，电机负荷侧轴承运转状况良好，但是电机非负荷侧轴承损坏周期明显缩短（由原来2个月缩短为1个月），此现象可以证明电机非负荷侧轴电压有增大趋势。经过分析认为：由于减速机油温度高，油质变差导致油膜被轴电压击穿，减速机轴承形成轴电流，如果将轴承与转轴之间的电阻忽略不计，电机非负荷侧的轴电压将会升高，更容易击穿非负荷侧轴承油膜，电机非负荷侧轴电流较之前更大。为了解决上述问题，我们在电机非负荷侧安装了碳刷支架，固定碳刷A。在电机两侧都加装碳刷，等效于将转轴感应电动势短路，轴电流将直接经过碳刷接地，不损伤电机轴承。这种情况下，应密切关注减速机轴承运转状况，如果油膜被击穿，轴电流将会损伤减速机轴承。

3.3 使用尖峰电压吸收器

尖峰电压吸收器是由我国航天科工集团研制，它是一种新型的电机轴承保护装置。SVA的主要功能是将超过一定幅值的尖峰电压消除掉，类似于TVS二极管。和相同功能的其他产品相比较，它具有体积小、安装方式简单、成本低等优点。在大功率电机的应用现场，其优势更为明显。高速尖峰电压缓存器（HSSB）和尖峰能量吸收器（HESA）是SVA的核心部件。SVA检测电路实时检测电机电源线的电压幅度，如果超过阀值（阀值可以设定），尖峰电压缓冲器将会自动吸收尖峰电压能量。当尖峰电压的能量超过能量缓冲器时，能量阀门EV自动打开，将HSSB中储存的尖峰电压能量泄放到HESA中，将电能转变成热能，释放到SVA外面。温度监控器TM实时监测SVA的工作温度，当温度过高时关闭尖峰能量吸收控制阀门，减小能量的吸收，避免SVA因工作温度过高而烧毁。

参考文献

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