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(mén)子（中國(guó)）有限公司上海分公司，上海200082） 　　 摘要：對(duì)變頻電機(jī)軸電流產(chǎn)生的原理進(jìn)行分析，為減少軸電流的危害，提出了多種應(yīng)對(duì)措施 　　 關(guān)鍵詞：變頻電機(jī)；軸電壓；軸電流；軸承；絕緣；電磁兼容 　　 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(guò)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?；芈?，這種共?；芈冯妷阂愿哳l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(guò)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 　　 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(mén)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(cè)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(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，需要采用響應(yīng)頻率高的表如果測(cè)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(lái)減小軸電流對(duì)電機(jī)軸承的危害 　　 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(wú)燒蝕；當(dāng)軸電流值為10～40A時(shí)，則只能維持運(yùn)轉(zhuǎn)3000～12000h。

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(guó)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=7867204×10-217Jb，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(lái)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（theCircularCurrent）； 　　 （2）靜電放電電流（theElectrostaticDischargeMachiningCurrent）； 　　 （3）轉(zhuǎn)子軸電流（theRotorShaftCurrent）。

　　 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中存在的以上3種軸電流如圖3所示 　　 1.2.1環(huán)流（theCircularCurrent） 　　 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(guò)一個(gè)軸承從轉(zhuǎn)子軸流向電機(jī)外殼，再經(jīng)過(guò)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(guò)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（theElectrostaticDischargeMachiningCurrent） 　　 電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(guò)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（BearingVoltageRatio）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(guò)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（theRotorShaftCurrent） 　　 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(guò)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(guò)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 　　 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(zhǎng)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（SymmetricalCable）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 　　 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 　　 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(méi)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(guò)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(mén)的軸接地裝置，驅(qū)動(dòng)端必須采用絕緣聯(lián)軸器 　　 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(méi)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 　　 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(guò)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(lái)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(yǔ) 　　 通過(guò)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)危害現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)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 　　 ［參考文獻(xiàn)］ 　　 ［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，xx. 　　 ［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，xx. 　　 ［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，xx. 　　 ：xx?08?21 　　 作者簡(jiǎn)介：王剛（1976—），男，湖北人，工程師，研究方向：電氣傳動(dòng)。

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