變頻電機軸電壓與軸電流的產生機理分析
1.當電動機在正弦波電源驅動下運行時,通過電機軸的交變磁鏈產生軸電壓。這些磁鏈是由轉子和定子槽、分離鐵心片之間的連接部分、磁性材料的定向屬性和供電電源不平衡等因素引起磁通不平衡而產
生的[1]。到90年代，以IGBT為功率器件的PWM變頻器作為電機驅動電源時，電機軸電流問題更加嚴重，且其產生機理與正弦波電源驅動時完全不同。文獻[1]指出，具有高載波頻率（例如10khz以上）的IGBT變頻器導致電動機的軸承比低載波頻率的變頻器驅動時損壞更快。busse較為詳細地分析了軸承電流的產生及軸承電流密度與軸承損壞之間的關係[2]，並建立了PWM驅動下的軸承電流電路模型，但該模型未能體現出軸承電流與變頻器開關頻率之間的關係。為討論高頻PWM脈衝電壓驅動時電機軸電壓與軸電流的產生機理，本文在建立軸電壓與軸電流電路模型的基礎上，分析軸電流產生的條件及形式，並針對變頻器輸出電壓的特性變化以及電機端有無過電壓等情況，通過倣真分析得到不同情況下的軸電壓與軸承電流波形。在抑制軸承電流方面，文獻[1]給出的辦法用正弦波濾波器將PWM電壓轉換成正弦波電壓，使電機工作在正弦波供電狀態下，但該方法所串電感大，系統動態響應慢，同時電感上的壓降和功耗增大。本文在變頻器輸出端串小電感並輔以RC吸收網路，可有效抑制PWM變頻器驅動下出現的軸電流。
2.共模電壓與軸電壓一般認為，磁路不均衡、單極效應和電容電流是電機中產生軸電壓的主要原因[3]。在電網供電的普通電機中，人們一般比較重視磁路不平衡的影響。但在變頻器供電的電機中軸電壓主要由電壓不平衡，即電源電壓的零序分量產生。由於電路、元器件、連接和回路阻抗的不平衡，電源電壓將不可避免地產生零點漂移，該
電壓將在系統中產生零序電流，軸承則是電機零序回路的一部分。正弦波電源驅動時，通過計算可知=0。在PWM變頻器驅動下，的值取決於變頻器開關狀態，且變化週期與變頻器載波頻率一致。事實上，只是共模電壓的一種表現形式，由於靜電耦合，電機各部分間存在著大小不等的分佈電容，因此構成電機的零序回路。根據傳輸線理論，一個分佈參數電路可用等效的具有相同輸入輸出關係的集總參數π網路模型代替。因此，電機分佈參數電路可用集總參數電路來等效，形成軸電壓的繞組--轉子耦合部分電路如圖2a)所示，其中vbrg為軸電壓，ibrg為軸承電流，va，vb和vc為電機輸入電壓。儘管iws不流過軸承，但它與軸承電流在定子繞組上有相同的路徑，勢必對軸承電流有所影響。為便於分析，繞組中心點到定子的耦合部分將不予考慮。為計算方便，將圖2a)簡化為圖2b)所示等效單相驅動電路模型。圖中z1為電源中點對地阻抗，z2為旁路阻抗，表徵驅動回路中的共模電抗線圈、線路電抗器和長電纜等；r0和l0為定子的零序電阻和電感；csf、csr和crf分別為電機定子對地、定子對轉子和轉子對地電容；rb為軸承回路電阻；cb和r1為軸承油膜的電容和非線性阻抗；usg和urg分別為定子繞組與轉子中性點對地電壓。對於採用變頻器供電的電機，當軸承油膜未被擊穿時，由於載波頻率高，電容的容抗大大減小，與xcb相比，rb很小而r1很大，由於PWM驅動電壓為非正弦電壓，計算時先將其分解，然後分別求取，軸電壓有效值為：
3.軸承模型與軸承電流的產生由於分佈電容的存在和高頻脈衝輸入電壓的激勵作用，電機軸上形成耦合共模電壓。事實上，軸電壓的出現不僅與上面兩個因素有關，且和軸承結構有著直接關係。轉子前後端均由一個軸承支撐，其結構如圖3所示。以其中一個軸承為例，軸承的滾道由內滾道與外滾道組成，當電機轉動時，軸承中的滾珠被潤滑油層包圍，由於潤滑油的絕緣作用，軸承滾道與滾珠之間形成電
容，如圖3b)所示。這兩個電容在轉子-定子回路中以串聯形式存在（為便於分析，不考慮滾珠的阻抗），可以等效成一個電容cbi，i代表軸承中的第i個滾珠。對於整個軸承而言，各個滾珠與滾道之間的電容以並聯形式存在。所以整個軸承內可以等效成一個電容cb。據對軸承的分析，軸承可用一個帶有內部電感和電阻的開關來等效。當滾珠未與滾道接觸時，開關斷開，轉子電壓建立；當轉子電壓超過油膜門檻電壓時，油膜擊穿開關導通，轉子電壓迅速內放電，在軸承內形成較大放電電流。va、vb和vc為電機三相輸入電壓，l’、r’和c’為輸入電壓耦合到轉子軸的等效集中參數，cg為crf和cb並聯後的等效電容。當軸承滾珠和滾道接觸或者軸承內油層被擊穿時，cb不存在，此時cg僅代表轉子軸對機殼的耦合電容。電容cb是一個多個變數的函數：cb（q,v,t,η,λ,λ,εr）[2]。其中q代表功率，v代表油膜運動速度，t代表溫度，η代表潤滑劑粘性，λ代表潤滑劑添加劑，λ代表油層厚度，εr代表潤滑劑介電常數。軸承電容cb與定子到轉子耦合電容csr，比定子到機殼耦合電容csf和轉子到機殼耦合電容crf小得多。這樣一來，耦合到電機軸承上的電壓便不至於過大，這是因為crf與cb並聯後的電容比耦合回路中與之串聯的csr大得多，而串聯電容回路中，電容越大承受的電壓反而越小。事實上，根據分佈電容的特點，很大一部分共模電流是通過定子繞組與鐵芯之間的耦合電容csf傳到大地去的，因此軸承電流只是共模電流的一部分。從圖4可看出，形成軸承電流有兩種基本途徑。一是由於分佈電容的存在，定子繞組和軸承形成一個電壓耦合回路，當繞組輸入電壓為高頻PWM脈衝電壓時，在這個耦合回路勢必產生dv/dt電流，這個電流一部分經crf傳到大地，另一部分經軸承電容cb傳到大地，即形成所謂的dv/dt軸承電流，其大小與輸入電壓以及電機內分佈參數有關。二是由於軸承電容的存在，電機軸上產生軸電壓，當軸電壓超過軸承油層的擊穿電
壓時，軸承內外滾道相當於短路，從而在軸承上形成很大放電電流，即所謂的電火花加工（electricdischargemachining-EDM）電流。另外，當電機在轉動時，如果滾珠和滾道之間有接觸，同樣會在軸承上形成大的EDM電流。為了定量EDM及dv/dt電流對軸承的影響，軸承內的電流密度十分關鍵。建立電流密度需估計滾珠與滾道內表面的點接觸區域。根據赫茲點接觸理論（hertzianpointcontacttheory），軸承電氣壽命可用如下公式求得[2]：eleclife（hrs）=（7）式中，代表軸承電流密度。一般而言，dv/dt電流對軸承壽命影響很小，而由EDM產生的軸承電流密度很大，使得軸承壽命大大降低。另外，空載時軸承損壞程度反而比重載時大得多，這是因為重載時軸承接觸面積增大，無形中減小了軸承電流密度。
4.軸電壓與軸承電流的倣真分析為進一步討論軸承電流與PWM變頻器輸出電壓特性以及電機端有無過電壓之間的關係，本文對dv/dt 電流與EDM電流兩種形式的軸承電流分別進行倣真分析，結果發現，軸承電流不僅與變頻器載波頻率有關，且與變頻器輸出脈衝電壓的上升時間有關，同時當電機端出現過電壓時軸承電流明顯增加。先假定電纜長度為零，根據軸承電流的存在形式可知，dv/dt電流主要是由輸入跳變電壓引起，因此dv/dt電流大小與變頻器載波頻率和電壓上升時間有關。變頻器載波頻率越高，一個正弦波週期內產生的dv/dt 電流數量也就越多，但此時電流幅值不變。脈衝電壓上升時間是影響dv/dt電流幅值的決定性因素，另外分佈電容的大小也影響dv/dt電流幅值。而EDM電流產生的直接原因是軸電壓的存在，因此軸電壓的大小決定了EDM電流幅值，軸電壓的大小決定於輸入電壓的大小及電機內分佈電容的大小。雖然變頻器載波頻率和脈衝電壓上升時間都會影響軸電壓的形狀，但軸電壓的峰值與二者都沒有關係，因此EDM 電流與二者也沒有本質的聯繫，這是EDM電流與dv/dt電流最大區
別之處。當然，EDM電流還與軸承油層的擊穿電壓有關，擊穿電壓越高，產生的EDM電流越大。為討論方便，假設軸承擊穿電壓大於或等於軸電壓。
4.1改變上升時間tr倣真得到不同上升時間的軸電壓與軸承電流波形如圖5所示，其中圖a)和b)為軸電壓波形，圖c)和d)為軸承電流波形，電流波形中第一次出現振蕩的為EDM電流，其他為dv/dt電流。由分析可知，1）tr增大軸承電流減少，包括dv/dt電流與EDM 電流。尤其是dv/dt電流幅值減小十分明顯，但tr對EDM電流的影響不大，這主要是因為EDM電流由軸電壓以及軸承阻抗決定；2）當tr小于一定值（約為200ns）後，dv/dt電流甚至高於EDM電流；3）改變上升時間對軸電壓的影響不大；4）特殊現象：軸電壓在電壓擊穿時出現兩次振蕩，tr不影響第一次振蕩，但影響第二次振蕩，且第二次振蕩隨著tr的上升而減少，其原因是軸承短路後定子繞組到轉子的耦合路徑依然存在，所以出現一個dv/dt電流振蕩。
4.2改變耦合參數及軸承參數定子繞組對轉子的耦合電容越大，軸電壓越高，dv/dt電流與EDM電流均增加；軸承電容減小，dv/dt電流減小；但EDM電流基本不變，此時軸電壓上升。其原因是：在共模電路中，軸電壓是由定子繞組對轉子鐵心的電壓耦合造成的，維持這一電壓的存在靠軸承電容以及轉子對機殼耦合電容。由於後兩者並聯，再與前者串聯，因此軸電壓按電容值進行分配，電容越大壓降越小。一般情況下，軸承電容與轉子對機殼耦合電容比定子繞組對轉子耦合電容大得多。在只改變軸承電容的情況下，軸承電容越小，整個並聯電容等效值下降，軸電壓反而上升，由於軸承上的dv/dt電流與容抗及dv/dt成正比，在dv/dt不變時，容抗減小，dv/dt電流下降。倣真結果如圖6所示。
5.抑制辦法從前面的理論研究和倣真分析可以看出，電機軸承電流產生的一個主要原因是變頻器輸出的高頻脈衝具有過高的dv/dt前後沿，由此可知，抑制軸承電流的有效辦法就是降低變頻器輸出電壓的dv/dt。但是，變頻器本身輸出的脈衝電壓上升時間是由功率器件的開關特性決定的，因此只能在變頻器輸出端附加裝置改變其輸出電壓的dv/dt。降低變頻器輸出電壓上升沿dv/dt的一個最直接的辦法是在變頻器輸出端串上大的電抗器，即可構成所謂的“正弦波濾波器”，變頻器輸出的脈衝電壓在經過大電抗器後成為完全的正弦波電壓，這樣便可以消除軸電壓與軸承電流。但是這種辦法的代價是電抗器的功率損耗大，體積大，造價高，在普通的變頻調速系統中應用不是很合適。本文采用折中辦法，在變頻器輸出端串接電感值不大的電感以抑制電流的快速變化，同時在輸出端線間設置RC電抗以吸收輸出電壓的高次諧波，這樣可以適當降低輸出脈衝電壓上升沿的dv/dt值，達到抑制軸承電流的目的。變頻輸出濾波器降低了電機輸入脈衝電壓的電壓上升率，這樣一來，電機內分佈電容的電壓耦合作用便會大大減弱，軸電壓以及由此引起的EDM電流都會下降，同時由於電壓變化率引起的dv/dt電流也會明顯減少，因此濾波器可以有效地抑制軸承電流的產生。圖8給出了加入濾波器（未接地）前後的電機軸承電流倣真波形，其中，變頻器載波頻率為5khz，脈衝電壓上升時間為200ns，電纜長100m。從圖中可以看出，無論EDM電流還是dv/dt電流都明顯減少。倣真中還發現，將濾波器接地，無論dv/dt電流還是EDM 電流相對不接地而言均顯著減少，其原因是RC吸收高次諧波的作用更強，能夠更好地改善電壓波形。
6.在高頻PWM脈衝輸入下，電機內分佈電容的電壓耦合作用構成系統共模回路，從而引起軸電壓與軸承電流問題。軸承電流主要以三種方式存在：dv/dt電流、EDM電流和環路電流。軸電壓的大小不僅
與電機內各部分耦合電容參數有關，且與脈衝電壓上升時間和幅值有關。本文著重討論前兩種方式的軸承電流。dv/dt電流主要與PWM 的上升時間tr有關，tr越小dv/dt電流的幅值越大。變頻器載波頻率越高，軸承電流中的dv/dt電流成分越多。EDM電流出現存在一定的偶然性，只有當軸承潤滑油層被擊穿或者軸承內部發生接觸才可能出現，其幅值主要取決於軸電壓的大小。以降低脈衝電壓上升率為原則，設計一種在變頻器輸出端串小電感並輔以RC吸收網路達到抑制軸電壓與軸承電流的目的，倣真結果驗證了該方法的有效性。
變頻電機軸電壓與軸電流產生機理分析（一）
頻道：軸承發佈時間：2008-03-13
1 引言
當電動機在正弦波電源驅動下運行時,通過電機軸的交變磁鏈產生軸電壓。這些磁鏈是由轉子和定子槽、分離鐵心片之間的連接部分、磁性材料的定向屬性和供電電源不平衡等因素引起磁通不平衡而產生的[1]。到90年代，以IGBT為功率器件的PWM變頻器作為電機驅動電源時，電機軸電流問題更加嚴重，且其產生機理與正弦波電源驅動時完全不同。文獻[1]指出，具有高載波頻率（例如10khz以上）的IGBT變頻器導致電動機的軸承比低載波頻率的變頻器驅動時損壞更快。busse較為詳細地分析了軸承電流的產生及軸承電流密度與軸承損壞之間的關係[2]，並建立了PWM驅動下的軸承電流電路模型，但該模型未能體現出軸承電流與變頻器開關頻率之間的關係。為討論
高頻PWM脈衝電壓驅動時電機軸電壓與軸電流的產生機理，本文在建立軸電壓與軸電流電路模型的基礎上，分析軸電流產生的條件及形式，並針對變頻器輸出電壓的特性變化以及電機端有無過電壓等情況，通過模擬分析得到不同情況下的軸電壓與軸承電流波形。
在抑制軸承電流方面，文獻[1]給出的辦法用正弦波濾波器將PWM 電壓轉換成正弦波電壓，使電機工作在正弦波供電狀態下，但該方法所串電感大，系統動態回應慢，同時電感上的壓降和功耗增大。本文在變頻器輸出端串小電感並輔以RC吸收網路，可有效抑制PWM變頻器驅動下出現的軸電流。
2 共模電壓與軸電壓
一般認為，磁路不均衡、單極效應和電容電流是電機中產生軸電
壓的主要原因[3]。在電網供電的普通電機中，人們一般比較重視磁路不平衡的影響。但在變頻器供電的電機中軸電壓主要由電壓不平衡，即電源電壓的零序分量產生。由於電路、元器件、連接和回路阻抗的不平衡，電源電壓將不可避免地產生零點漂移，該電壓將在系統中產生零序電流，軸承則是電機零序回路的一部分。
正弦波電源驅動時，通過計算可知=0。在PWM變頻器驅動下，的值取決於變頻器開關狀態，且變化週期與變頻器載波頻率一致。事實上，只是共模電壓的一種表現形式，由於靜電耦合，電機各部分間存在著大小不等的分佈電容，因此構成電機的零序回路。根據傳輸線理論，一個分佈參數電路可用等效的具有相同輸入輸出關係的集總參數π網路模型代替。
因此，電機分佈參數電路可用集總參數電路來等效，形成軸電壓
的繞組--轉子耦合部分電路如圖2a)所示，其中vbrg為軸電壓，ibrg
為軸承電流，va，vb和vc為電機輸入電壓。儘管iws不流過軸承，但它與軸承電流在定子繞組上有相同的路徑，勢必對軸承電流有所影響。為便於分析，繞組中心點到定子的耦合部分將不予考慮。為計算方便，將圖2 a)簡化為圖2 b)所示等效單相驅動電路模型。圖中z1為電源中點對地阻抗，z2為旁路阻抗，表徵驅動回路中的共模電抗線圈、線路電抗器和長電纜等；r0和l0為定子的零序電阻和電感；csf、csr和crf分別為電機定子對地、定子對轉子和轉子對地電容；rb為軸承回路電阻；cb和r1為軸承油膜的電容和非線性阻抗；usg 和urg分別為定子繞組與轉子中性點對地電壓。
對於採用變頻器供電的電機，當軸承油膜未被擊穿時，由於載波頻率高，電容的容抗大大減小，與xcb相比，rb很小而r1很大，由於PWM驅動電壓為非正弦電壓，計算時先將其分解，然後分別求取，軸電壓有效值為：
3 軸承模型與軸承電流的產生
由於分佈電容的存在和高頻脈衝輸入電壓的激勵作用，電機軸上形成耦合共模電壓。事實上，軸電壓的出現不僅與上面兩個因素有關，且和軸承結構有著直接關係。轉子前後端均由一個軸承支撐，其結構如圖3所示。
以其中一個軸承為例，軸承的滾道由內滾道與外滾道組成，當電機轉動時，軸承中的滾珠被潤滑油層包圍，由於潤滑油的絕緣作用，軸承滾道與滾珠之間形成電容，如圖3b) 所示。這兩個電容在轉子-定子回路中以串聯形式存在（為便於分析，不考慮滾珠的阻抗），可以等效成一個電容cbi，i代表軸承中的第i個滾珠。對於整個軸承而言，各個滾珠與滾道之間的電容以並聯形式存在。所以整個軸承內可
以等效成一個電容cb。據對軸承的分析，軸承可用一個帶有內部電感和電阻的開關來等效。當滾珠未與滾道接觸時，開關斷開，轉子電壓建立；當轉子電壓超過油膜門檻電壓時，油膜擊穿開關導通，轉子電壓迅速內放電，在軸承內形成較大放電電流。
va、vb和vc為電機三相輸入電壓，l’、r’和c’為輸入電壓耦合到轉子軸的等效集中參數，cg為crf和cb並聯後的等效電容。當軸承滾珠和滾道接觸或者軸承內油層被擊穿時，cb不存在，此時cg僅代表轉子軸對機殼的耦合電容。
電容cb是一個多個變數的函數：cb（q,v,t,η,λ,λ,εr）[2]。其中q 代表功率，v代表油膜運動速度，t代表溫度，η代表潤滑劑粘性，λ代表潤滑劑添加劑，λ代表油層厚度，εr代表潤滑劑介電常數。軸承電容cb與定子到轉子耦合電容csr，比定子到機殼耦合電容csf和轉子到機殼耦合電容crf小得多。
這樣一來，耦合到電機軸承上的電壓便不至於過大，這是因為crf 與cb並聯後的電容比耦合回路中與之串聯的csr大得多，而串聯電容回路中，電容越大承受的電壓反而越小。事實上，根據分佈電容的特點，很大一部分共模電流是通過定子繞組與鐵芯之間的耦合電容csf傳到大地去的，因此軸承電流只是共模電流的一部分。從圖4可看出，形成軸承電流有兩種基本途徑。
一是由於分佈電容的存在，定子繞組和軸承形成一個電壓耦合回路，當繞組輸入電壓為高頻PWM脈衝電壓時，在這個耦合回路勢必產生dv/dt電流，這個電流一部分經crf傳到大地，另一部分經軸承電容cb傳到大地，即形成所謂的dv/dt軸承電流，其大小與輸入電壓以及電機內分佈參數有關。二是由於軸承電容的存在，電機軸上產
生軸電壓，當軸電壓超過軸承油層的擊穿電壓時，軸承內外滾道相當於短路，從而在軸承上形成很大放電電流，即所謂的電火花加工（electric discharge machining - EDM）電流。另外，當電機在轉動時，如果滾珠和滾道之間有接觸，同樣會在軸承上形成大的EDM電流。
為了定量EDM及dv/dt電流對軸承的影響，軸承內的電流密度十分關鍵。建立電流密度需估計滾珠與滾道內表面的點接觸區域。根據赫茲點接觸理論（hertzian point contact theory），軸承電氣壽命可用如下公式求得[2]：
elec life（hrs）= （7）
式中，代表軸承電流密度。一般而言，dv/dt電流對軸承壽命影響很小，而由EDM產生的軸承電流密度很大，使得軸承壽命大大降低。另外，空載時軸承損壞程度反而比重載時大得多，這是因為重載時軸承接觸面積增大，無形中減小了軸承電流密度。
4 軸電壓與軸承電流的模擬分析
為進一步討論軸承電流與PWM變頻器輸出電壓特性以及電機端有無過電壓之間的關係，本文對dv/dt電流與EDM電流兩種形式的軸承電流分別進行模擬分析，結果發現，軸承電流不僅與變頻器載波頻率有關，且與變頻器輸出脈衝電壓的上升時間有關，同時當電機端出現過電壓時軸承電流明顯增加。
先假定電纜長度為零，根據軸承電流的存在形式可知，dv/dt電流主要是由輸入跳變電壓引起，因此dv/dt電流大小與變頻器載波頻
率和電壓上升時間有關。變頻器載波頻率越高，一個正弦波週期內產生的dv/dt電流數量也就越多，但此時電流幅值不變。脈衝電壓上升時間是影響dv/dt電流幅值的決定性因素，另外分佈電容的大小也影響dv/dt電流幅值。而EDM電流產生的直接原因是軸電壓的存在，
因此軸電壓的大小決定了EDM電流幅值，軸電壓的大小決定於輸入電壓的大小及電機內分佈電容的大小。雖然變頻器載波頻率和脈衝電壓上升時間都會影響軸電壓的形狀，但軸電壓的峰值與二者都沒有關係，因此EDM電流與二者也沒有本質的聯繫，這是EDM電流與dv/dt 電流最大區別之處。當然，EDM電流還與軸承油層的擊穿電壓有關，擊穿電壓越高，產生的EDM電流越大。為討論方便，假設軸承擊穿電壓大於或等於軸電壓。
4.1 改變上升時間tr
模擬得到不同上升時間的軸電壓與軸承電流波形如圖5所示，其中圖a)和b)為軸電壓波形，圖c)和d)為軸承電流波形，電流波形中第一次出現振盪的為EDM電流，其他為dv/dt 電流。由分析可知，1）tr增大軸承電流減少，包括dv/dt電流與EDM電流。尤其是dv/dt電流幅值減小十分明顯，但tr對EDM電流的影響不大，這主要是因為EDM電流由軸電壓以及軸承阻抗決定；2）當tr小於一定值（約為200ns）後，dv/dt電流甚至高於EDM電流；3）改變上升時間對軸
電壓的影響不大；4）特殊現象：軸電壓在電壓擊穿時出現兩次振盪，tr不影響第一次振盪，但影響第二次振盪，且第二次振盪隨著tr的上升而減少，其原因是軸承短路後定子繞組到轉子的耦合路徑依然存在，所以出現一個dv/dt電流振盪。
4.2 改變耦合參數及軸承參數
定子繞組對轉子的耦合電容越大，軸電壓越高，dv/dt電流與EDM 電流均增加；軸承電容減小，dv/dt電流減小；但EDM電流基本不變，
此時軸電壓上升。其原因是：在共模電路中，軸電壓是由定子繞組對轉子鐵心的電壓耦合造成的，維持這一電壓的存在靠軸承電容以及轉子對機殼耦合電容。由於後兩者並聯，再與前者串聯，因此軸電壓按電容值進行分配，電容越大壓降越小。一般情況下，軸承電容與轉子對機殼耦合電容比定子繞組對轉子耦合電容大得多。在只改變軸承電容的情況下，軸承電容越小，整個並聯電容等效值下降，軸電壓反而上升，由於軸承上的dv/dt電流與容抗及dv/dt成正比，在dv/dt不變時，容抗減小，dv/dt電流下降。模擬結果如圖6所示。
5 抑制辦法
從前面的理論研究和模擬分析可以看出，電機軸承電流產生的一個主要原因是變頻器輸出的高頻脈衝具有過高的dv/dt前後沿，由此可知，抑制軸承電流的有效辦法就是降低變頻器輸出電壓的dv/dt。但是，變頻器本身輸出的脈衝電壓上升時間是由功率器件的開關特性決定的，因此只能在變頻器輸出端附加裝置改變其輸出電壓的dv/dt。降低變頻器輸出電壓上升沿dv/dt的一個最直接的辦法是在變頻器輸出端串上大的電抗器，即可構成所謂的“正弦波濾波器”，變頻器輸出的脈衝電壓在經過大電抗器後成為完全的正弦波電壓，這樣便可以消除軸電壓與軸承電流。
但是這種辦法的代價是電抗器的功率損耗大，體積大，造價高，在普通的變頻調速系統中應用不是很合適。本文採用折中辦法，在變頻器輸出端串接電感值不大的電感以抑制電流的快速變化，同時在輸出端線間設置RC電抗以吸收輸出電壓的高次諧波，這樣可以適當降低輸出脈衝電壓上升沿的dv/dt值，達到抑制軸承電流的目的。
變頻輸出濾波器降低了電機輸入脈衝電壓的電壓上升率，這樣一來，電機內分佈電容的電壓耦合作用便會大大減弱，軸電壓以及由此引起的EDM電流都會下降，同時由於電壓變化率引起的dv/dt電流
也會明顯減少，因此濾波器可以有效地抑制軸承電流的產生。圖8給出了加入濾波器（未接地）前後的電機軸承電流模擬波形，其中，變頻器載波頻率為5KHZ，脈衝電壓上升時間為200ns，電纜長100m。從圖中可以看出，無論EDM電流還是dv/dt電流都明顯減少。模擬中還發現，將濾波器接地，無論dv/dt 電流還是EDM電流相對不接地而言均顯著減少，其原因是RC支路吸收高次諧波的作用更強，能夠更好地改善電壓波形。
6 結束語
高頻PWM脈衝輸入下，電機內分佈電容的電壓耦合作用構成系統共模回路，從而引起軸電壓與軸承電流問題。軸承電流主要以三種方式存在：dv/dt電流、 EDM電流和環路電流。軸電壓的大小不僅與電機內各部分耦合電容參數有關，且與脈衝電壓上升時間和幅值有關。本文著重討論前兩種方式的軸承電流。 dv/dt電流主要與PWM 的上升時間tr有關，tr越小dv/dt電流的幅值越大。
變頻器載波頻率越高，軸承電流中的 dv/dt電流成分越多。EDM 電流出現存在一定的偶然性，只有當軸承潤滑油層被擊穿或者軸承內部發生接觸才可能出現，其幅值主要取決於軸電壓的大小。以降低脈衝電壓上升率為原則，設計一種在變頻器輸出端串小電感並輔以RC 吸收網路達到抑制軸電壓與軸承電流的目的，模擬結果驗證了該方法的有效性。
关于我厂高压电机低电压保护的问题 一、高压电机低电压保护的重要性。 高压电机的低电压保护在电力系统中具有重要意义。当电动机的供电母线电压短时降低或者短时中断又恢复时，为了防止电动机自启动时使电源电压严重降低，通常在次要厂用电动机上装设低电压保护或者重要电机比次要电机在低电压延时上要长。当供电母线电压降低要一定值时，低电压保护动作将次要电动机切除，使供电母线电压迅速恢复到正常电压，以保证重要电动机的自启动。因此装设低电压保护可以提高我厂化工生产的稳定性。 二、我厂高压电机低电压保护现状。 我厂大部分高压电机（包括热电站）均采用ABB公司REF521综合保护装置，低电压保护作为其保护的一部分均投入运行。在一次的偶然故障中，我们发现一台设备PT一相断线后低电压保护动作，并没有按逻辑规定而进行低电压PT断线闭锁。经过我们的反复试验以及与ABB公司的技术沟通发现，现在我厂所有正在使用的电机REF521装置均存在以上无法PT断线闭锁低电压的缺陷。这个缺陷的存在具有及其大的隐患，一旦我高压母线有PT断线的情况，那么所有在此母线上工作的高压电机均会跳闸断电，进而中断我厂生产，造成巨大经济损失。经调查发现，此缺陷为最初安装程序设置缺陷，ABB公司在我建厂初期调试设备程序时并未将此逻辑勾选完善，因此留下此巨大隐患。因此，我厂所有的高压电机REF521保护装置的程序更新改造刻不容缓。 三、由PT断线所引申出来的备自投问题。 我厂高压母线均分段运行，均有备自投装置。所用保护装置均为ABB REF542综保，该备自投装置在检测备自投条件时只检测无压，并不检测无电流，同时没有PT断线闭锁程序，一旦发生PT断线，备自投将自动启动，切换电源。这无疑会造成一部分设备停电，生产中断，造成经济损失。因此备自投也必须有所改造，使其在PT断线时闭锁备自投。 三、改造建议及措施。 1、关于低电压的改。 经过我部门几天的不断试验以及与ABB公司的技术沟通，我们通过电脑程序，对REF521综保装置内部逻辑的修改，可以在PT断线时，启动PT断线闭锁低电压保护，使低电压保护不再误动作，因此提高了保护的可靠性。 2、关于备自投保护的改造。 我们在备自投装置闭锁回路里，加入PT断线闭锁节点，此节点引自备自投所管辖的两段母线上的电机柜，此节点为电机柜REF521装置里的PT断线闭锁所启动的常开节点。当母线PT断线时，电机柜REF521装置启动PT断线闭锁，利用其启动的出口串入REF542装置的闭锁回路之中，闭锁备自投。因此备自投不会因为PT断线而启动。 但此改造方式还存在一定缺陷，当PT断线闭锁备自投时，如果此时进线开关偷跳或者保护跳进线，那么备自投将无法自投，故障段将停电。
变频器检测电路例举 故障检测电路的主体电路还是由由运算放大器构成，通常，运算放大器被接成以下几种 类型的电路，完成着对信号模拟放大、比较输出和精密整流三种工作任务。 一、反相放大器电路： 图6.19 运算放大器反相放大电路 运算放大器，具有输入阻抗高（不取用信号源电流）、输出阻抗低（负载特性好）、放 大差模信号（两输入端信号之差）、抑制共模信号（两输入端极性与大小相同）和交、直流 信号都能提供线性放大的优良特性。 上图（ 1 ）、（2 ）、（3 ）、在电路形式上为反相放大器，输出信号与输入信号相位相反， 又称为倒相放大器。电路对输入电压信号有电压和电流的双重放大作用，但在小信号电路中，只注重对电压信号的放大和处理。电路的电压放大倍数取决于R2 （反馈电阻）与R1 （输入电阻）两者的比值。R3 为偏置电阻，其值为R1 、R2 的并联值。因R2 、R1 的选值（比值）不同，可完成三种信号传输作用，即构成反相放大器、反相器和衰减器三路信号处理电 路。（1 ）电路为反相放大器电路，电路放大倍数为 5 ；（ 2 ）电路为倒相器，对输入信号起到倒相输出作用，无放大倍数，不能称为放大器了。或输入0 ∽5V 信号，则输出0 ∽-5V 倒相信号；（ 3 ）电路为衰减器电路，若输入0 ∽10V 信号，输出0 ∽-3 。3V 倒相信号， 为一个比例衰减器。 图（1 ）、（2 ），（3 ）电路，有两个特征： 1 、输入、输出信号反相； 2 、无论是放大或 衰减或倒相电路，输出信号对输入信号维持一个比例输出关系，可以笼统地称为反相放大器， 因为倒相器的放大倍数为 1 ，而衰减器恰恰也是利用了电路的放大作用。 有趣的是，此三种反相放大器，在电流、电压检测电路中，都有应用。以电流检测电路为例： 这是因为，串于三相输出端的电流互感器内置放大器，输出信号已达伏特级的电压幅度，而CPU 的输入信号幅度又须在5V 以下的电压幅度内，故反续电流信号处理电路，有的采用 了有一定放大倍数的反相放大器；有的采用了倒相器电路，只是根据CPU 输入电压信号极 性的要求，只对信号进入了倒相处理，并不须再进行放大；部分电路为适配后级电路的信号 幅度范围，甚至采用了衰减器电路，对电流互感器来的电压信号衰减一下，再送入后级电路。检测电路中的模拟信号电路的供电，根据放大交流信号的要求，一般采用正、负15V 双电源供电。根据反相放大器的电路形式和运算放大器的电路特性，我们可找到相应的检测方法：
《大氮肥》——大型异步电动机轴电流的分析及防范 频道：电机发布时间：2009-11-10 在大型异步电动机或汽轮机组检修时，如2006年化肥装置空气、合成气、氮气、氨气、二氧化碳五大汽轮机组接地碳刷检修，1998年4月Ⅲ加氢装置原料油泵高压电机抽芯对轴瓦座上电气绝缘的损坏更换，2007年3月对20×104t／a聚丙烯装置ABB的6700 kw的挤压机主电机检修及轴瓦损伤情况检查等发现，检修过程中无论是机械技术人员还是电气专业技术人员，对机组的接地碳刷或滑动轴承瓦座上的电气绝缘情况都不太重视，对由此涉及的轴电流问题也不是很清楚。实际上，大型电机轴承轴电流故障危害极大，会导致轴承的使用寿命缩短，有的运行1～2个月，有的运行几天就会出现噪声和振动。大功率电机一旦出现轴电流，严重的甚至几分钟内轴承就会烧毁，大则导致转轴扫膛。考虑到轴电流对大型电机的影响，有必要对轴电流问题进行分析和探讨。 1轴电压、轴电流的产生 1．1磁路磁场不平衡，有与转轴相交链的旋转磁通存在，产生轴电势交流异步电动机在正弦交变电压下运行时，其转子处在正弦交变的磁场中。当电动机的定子铁芯圆周方向上的磁阻发生不平衡时，便产生与轴相交连的交变磁通，从而产生交变电势。当电动机转动即磁极旋转，通过各磁极的磁通发生了变化，在轴的两端感应出轴电压，产生了与轴相交连的磁通。随着磁极的旋转，与轴两侧的轴承形成闭合回路，就产生了轴电流。一般情况下这种轴电压小于5V，大约为1～2V。磁路磁场不平衡，有以下几种可能的原因： 1)由于某些槽内线圈或导体数或多或少的原因引起。 2)转子运转的不同心，造成定转子气隙分布不均，因此磁路磁阻不均匀。 3)设计及制作工艺方面的原因。如在设计时电动机选择扇形片数与极对数关系不正确；由于扇形冲片、硅钢片等叠装因素，再加上铁芯槽、通风孔等的存在，造成在磁路中存在不平衡的磁阻，并且在转轴的周围有交变磁通切割转轴，在轴的两端感应出轴电压。 4)铁芯材料的原因。如果铁芯材料均质性差而且各向异性，则磁路所在区域垂直于磁通密度曰的横截面上曰值分布不均，导致磁路磁阻不均匀。 1．2逆变供电产生轴电压 电动机采用逆变供电运行时，供电电压含有高次谐波分量，使定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生电磁感应从而产生轴电压。 异步电动机的定子绕组是嵌入定子铁芯槽内的，定子绕组的匝间以及定子绕组和电动机机座之间均存在分布电容，当通用变频器在高载频下运行时，逆变器的共模电压产生急剧变化，会通过电动机绕组的分布电容由电动机的外壳到接地端之间形成漏电流。该漏电流有可能形成放射性和传导性两类电磁干扰。而由于电动机磁路的不平衡，静电感应和共模电压产生又是产生轴电压和轴电流的起因。当定子绕组输入端突加陡峭变化的电压时，由于分布电容的影响，绕组各点电压分布不均，使输入端绕组接近端口部分电压高度集中而引起绝缘破坏或老化。这种现象一般破坏的部分是定子绕组，电压常集中于侵入的端点部位。
基于电机电流特征分析（MCSA）的断条异步电机诊断研究 SpectraQuest Inc. 8205 Hermitage Road Richmond, V A 23228 (804)261-3300 https://www.doczj.com/doc/cc10833826.html, 2006.1 摘要：使用机械故障仿真器（MFS），采用电机电流特征分析（MCSA）和振动分析方法，研究异步电动机常见类型故障的诊断。故障包括电故障和机械故障，如转子断条、定子绕组短路和电机轴损坏。本文是电机诊断系列文章的第一篇。 1.实验装置 本实验使用SpectraQuest公司的机械故障仿真器进行实验。 MFS如图1所示。 图 1.机械故障仿真器(MFS) 安装在MFS上的鼠笼式异步电动机有如下主要特性：3相，60赫兹，电机功率0.5马力，转速3450转/分。根据给出的数据，可推算出极对数为1。 本实验使用两个具有不同数量断条的转子。一个转子有3根断条，另一个转子有6根断条。 研究中使用的电流检测器如图2所示。
图 2 电流探针 对三个电机进行实验：一个完好的电机，一个有三根断条的电机，一个有六根断条的电机。本实验采用电机控制器将电源行频率固定在35Hz。用转速计检测转子的转速，每次实验记录下转速。电机控制器和转速计如图3所示。从电源行频率和转子转速数据中可得到每单位的转差率。 图 3 电机控制器和转速计 实验时，改变电机的负载，研究负载对电流特征的影响。如图4所示，转矩输入连接着齿轮箱输出轴，通过调节转矩输入装置，改变电机的负载。 图4 转矩输入调节 2.结果与讨论
使用VibraQuest 的软件/硬件系统对数据进行分析。 2.1基线数据 在频率范围的基线数据如图5所示。注意振幅以dB 为单位。通过图6(a)-(d)，可以观察出转子转速随负载减少。 (a)转子转速2045转/分 (b) 转子转速2041转/分 (c)转子转速2036转/分 (d) 转子转速2032转/分 图 5 电流频谱基线 图5的峰值为行频率35Hz 。断条转子的诊断需要检测两倍的转差率边带及行频率分量，等式l 给出如下。 112sb f f sf =± （1） 其中 1f ：行频率 s: 每单位转差率 不同负载状态下，由转子速度和行频率可得到一个单位转差率。然后两倍的转差率边带能通过等式(1)计算出来。如果电机转子有断条，预测峰值为图6箭头所指的频率。观察图形可知，尽管是完好的电机，仍然会在箭头所指的位置出现两倍的转差率边带。但是这些两倍转差率边带没有明显的谐波。 2.2 三断条数据 图6 显示三断条电机的电流频谱数据。
收稿日期:2002-11-20 于晓东 男 1974年生;毕业于佳木斯大学工学院电气工程系电气技术专业,现从事电气技术工作. 变频电机轴电流的防止 于晓东1 李振宇2 李积继 3 1 佳木斯合成实业有限责任公司,黑龙江佳木斯(154007) 2 东芝大连有限公司,辽宁大连(116600) 摘 要 阐述采用逆变器供电的变频电机,因电源存在许多高压脉冲,高频谐波增多,以及电动机铁心磁路不平衡等,在电机绕组和转轴上产生感应电压。为减少轴电流的危害,除电机制造需满足磁路平衡外,提出加装电源滤波器,前后轴承都要绝缘处理等防止变频电动机轴电流危害的措施。 关键词 变频电动机 轴电流 防止 Prevention of Bearing C urrent in Variable Frequency Motor Y u Xiaodong ,Li Zhenyu ,and Li Jiji Abstract The paper discusses that,for the variablei frequency motor fed from the inverter,inducted voltage appears at the winding and shaft because the power supply has many high voltage pulses,the high frequency harmonic increas es,and the magnetic circuit of motor core is not balance.To decrease the harm caused by bearing current,some measures,such as mounting the power filter and insulating the front and rear bearings are presented,in addition that the magnetic circuit is required to be balance in manufacturing the motor. Key words Variable frequency motor,bearing current,prevention. 1 引言 通常在大型电机中特别是采用扇形冲片迭制铁心的电机,如果磁场不对称等易产生轴电流。近年来采用变频调速驱动装置的小电机也出现不容忽视的轴电流,导致小电机的轴承过早损坏,直接影响和降低了电动机运行的可靠寿命,引起电机用户和电机制造厂商的关注。 2 轴电流的危害 变频电机轴端安装的辅助装置如测速计、编码器等,易与两轴承或两轴承之一构成轴电流回 路(见图1轴电流数学模型图)。该轴电流对电机 轴承造成破坏,对测速计、编码器等辅助装置的安全构成威胁 。 图1 轴电流数学模型 在电机正常运转情况下,轴承内形成一层润滑油膜,能起一定的绝缘作用,即使电机运转出现较低的轴电压,也不会产生轴电流。但是当轴电 18 防爆电机 (E XPLOSION-PROOF ELEC TRIC MAC HINE) 2003 年第2期(总第115期) 2003年6月30日出版
低电压保护分析 一.低电压保护的用途 1.保护重要电动机的自启动 当电压消失或降低时，电动机的转速下降，当电压恢复时，在电动机绕组内开始流过比额定电流大好几倍的自启动电流，这样大的自启动电流将使电网的电压降加大，使电压恢复的过程延长，增加了电动机达到正常转速的困难，严重时甚至不能自启动，必须切除一部分不重要的电动机，使电网的电压降减少。因此，在不重要的和次要的电动机上可装设低电压保护，当电压消失或降低时动作，将电动机从电网上断开。 发电厂中重要的电动机，是指那些短时将它们断开也不会引起发电厂出力降低甚至停电的厂用机械的电动机，如给水泵、凝结水泵、送风机、吸风机、排粉机等的电动机。 当电动机断开时，并不影响发电厂出力的，为不重要电动机，如具有中间煤仓的磨煤机及灰渣浆等的电机。 2.保证技术安全及工艺过程的特点 在某些情况下，当电压长期消失时（如10S左右）根据技术安全的条件及生产工艺过程的特点，需将某些电动机切除。因为在这段时间内锅炉已熄灭，自启动已经没有必要了。为了保证工艺联锁动作，应装设低电压保护动作于跳闸。另外，还有一些带恒定阻力矩机械的电动机，如磨煤机等，在电压降低时不可能自启动，这些电动机也应在电压降低时切除。 二.低电压保护的装设原则 见厂用电动机低电压保护装设原则表。
注：1.当吸风机与送风机不接在同一电压母线时，吸风机所接母线上的低电压保护装置以9～10S时限动作于送风机断路器跳闸。此外，尚应装设防止送风机继续运转造成炉膛正压的保护装置。 2.当排粉机与送风机不接在同一电压母线时，排粉机应装设低电压保护装置，以9～10S时限动作于跳闸。 三.低电压保护装置的接线要求 无论是在电压完全消失时，或处于电网内的短路故障引起电动机制动时，低电压保护的接线方式，应当能够保证将电动机断开。为此，低电压保护的接线应满足以下几点要求： 1.能反映对称的和不对称的电压下降。因为在不对称短路时的电动机也可能被制动，因而当电压恢复时也会出现自启动问题。 2.电压互感器一次侧一相或两相断线，二次侧各相断线时（例如熔断时），保护装置不应误动作，并且发出信号。但在二次回路断线故障期间，如果这时厂用母线真正失去电压（或电压降到规定值时），低电压保护仍应正确动作。 3.电压互感器一次侧的隔离开关或隔离触头因误操作而被断开时，保护装置不应该误动作，并应发出信号。 4.0.5与9s的低电压保护的动作电压应分别整定。在电压消失时，用接在线电压上的一只电压继电器构成的保护就能达到目的，并能可靠的反应三相短路。但当两相短路时，用一只电压继电器构成的保护，只有在接继电器的两相间发生短路时才能起作用，因而不能完全反应不对称的电压下降。为了保证在所有两相短路的情况下保护都能动作，可采用三相继电器接线方式。 在同一段厂用母线供电的若干台电动机，通常共同装一套低电压保护装置。电压继电器接在厂用母线的互感器上。
发电部关于#1发电机轴电压测量的说明 一、发电机轴电压测量目的： 发电机组由于某些原因引起发电机组轴上产生了电压，如果在安装或运行中，没有采取足够的措施，当轴电压足以击穿轴与轴承间的油膜时，便发生放电，会使润滑冷却的油质逐渐劣化，严重者会使轴瓦烧坏，被迫停机造成事故。所以在运行中，测量检查发电机组的轴及轴承间的电压是十分必要的，对于检修机组判定轴瓦绝缘是否良好具有重要意义。根据《电力设备预防性试验规程- DL/T 596—1996》，轴电压应小于10V。京海电厂#1发电机运行期间未进行轴电压测量，为了对近2年运行期发电机轴瓦绝缘情况准确判断，建议在B修前对#1发电机轴电压进行测量，发现问题，根据测量结果并在检修期内消除轴瓦隐患，有利于发电机长期稳定运行。 二、产生轴电压的原因 1.由于发电机的定子磁场不平衡，在发电机的转轴上产生了感应电势。磁场不平衡的原因一般是因为定子铁芯的局部磁阻较大（例如定子铁芯锈蚀），以及定、转子之间的气隙不均匀所致。 2.高速蒸汽产生的静电 由于汽轮发电机的轴封不好，沿轴有高速蒸汽泄漏或蒸气缸内的高速喷射等原因而使转轴本身带静电荷。这种轴电压有时很高，可以使人感到麻手，但它不易传导至励磁机侧，在汽机侧也有可能破坏油膜和轴瓦，通常在汽机轴上接引接地碳刷来消除。 为了消除轴电压经过轴承、机座与基础等处形成的电流回路，可以在励磁机侧轴承座下加垫绝缘板。使电路断开，但当绝缘垫因油污、损坏或老化等原因失去作用时，则轴电压足以击穿轴与轴承间的油膜而发生放电，久而久之，就会使润滑和冷却的油质逐渐劣化，严重者会使转轴和轴瓦烧坏，造成停机事故。 三、发电机结构特点 我厂330MW发电机由东方汽轮发电机厂生产。发电机冷却方式为水氢氢。在发电机进行轴瓦座绝缘测量，绝缘值要求最小不得低于0.5MΩ，否则要对轴瓦进行干燥处理，规范轴瓦安装工艺，直至轴瓦对地绝缘合格。
电机轴电流的分析 电 机 轴 电 流 的 分 析轴电流的存在对电动机轴承的使用寿命具有极大的破坏性， 根据现场实际运 行情况，分析其产生的原因，采取装设转轴接地碳刷、加强非轴伸端轴承座与支 架的绝缘等有效措施，从而从根本上解决轴电流危害的问题。 1 轴电流的危害 在电动机运行过程中，如果在两轴承端或电机转轴与轴承间有轴电流的存 在，那么对于电机轴承的使用寿命将会大大缩短。轻微的可运行上千小时，严重 的甚至只能运行几小时，给现场安全生产带来极大的影响。同时由于轴承损坏及 更换带来的直接和间接经济损失也不可小计。 2 轴电压和轴电流的产生 (1) 磁不平衡产生轴电压 电动机由于扇形冲片、 硅钢片等叠装因素， 再加上铁芯槽、 通风孔等的存在， 造成在磁路中存在不平衡的磁阻，并且在转轴的周围有交变磁通切割转轴，在轴 的两端感应出轴电压。 (2) 逆变供电产生轴电压 电动机采用逆变供电运行时，由于电源电压含有较高次的谐波分量，在电压 脉冲分量的作用下，定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生电磁感应，使转轴的电位发生变化，从而产生轴电压。 (3) 静电感应产生轴电压 在电动机运行的现场周围有较多的高压设备，在强电场的作用下，在转轴的 两端感应出轴电压。 (4) 外部电源的介入产生轴电压由于运行现场接线比较繁杂，尤其大电机保护、 测量元件接线较多，哪一根带电线头搭接在转轴上，便会产生轴电压。 (5) 其他原因 如静电荷的积累、测温元件绝缘破损等因素都有可能导致轴电压的产生。 轴电压建立起来后，一旦在转轴及机座、壳体间形成通路，就产生轴电流。 3 轴电流对轴承的破坏 正常情况下，转轴与轴承间有润滑油膜的存在，起到绝缘的作用。对于较低 的轴电压，这层润滑油膜仍能保护其绝缘性能，不会产生轴电流。但是当轴电压 增加到一定数值时，尤其在电动机启动时，轴承内的润滑油膜还未稳定形成，轴 电压将击穿油膜而放电，构成回路，轴电流将从轴承和转轴的金属接触点通过， 由于该金属接触点很小，所以这些点的电流密度大，在瞬间产生高温，使轴承局 部烧熔，被烧熔的轴承合金在碾压力的作用下飞溅，于是在轴承内表面上烧出小 凹坑。一般由于转轴硬度及机械强度比轴承烧熔合金的高，通常表现出来的症状 是轴承内表面被压出条状电弧伤痕。 4 轴电流的防范 针对轴电流形成的根本原因，一般在现场采用如下防范措施： (1) 在轴端安装接地碳刷，以降低轴电位，使接地碳刷可靠接地，并且与 转轴可靠接触，保证转轴电位为零电位，以此消除轴电
变频电机轴电压与轴电流产生机理分析（一） 1 引言 当电动机在正弦波电源驱动下运行时,通过电机轴的交变磁链产生轴电压。这些磁链是由转子和定子槽、分离铁心片之间的连接部分、磁性材料的定向属性和供电电源不平衡等因素引起磁通不平衡而产生的[1]。到90年代，以IGBT为功率器件的PWM逆变器作为电机驱动电源时，电机轴电流问题更加严重，且其产生机理与正弦波电源驱动时完全不同。文献[1]指出，具有高载波频率（例如10kHz以上）的IGBT逆变器导致电动机的轴承比低载波频率的逆变器驱动时损坏更快。Busse较为详细地分析了轴承电流的产生及轴承电流密度与轴承损坏之间的关系[2]，并建立了PWM驱动下的轴承电流电路模型，但该模型未能体现出轴承电流与逆变器开关频率之间的关系。为讨论高频PWM脉冲电压驱动时电机轴电压与轴电流的产生机理，本文在建立轴电压与轴电流电路模型的基础上，分析轴电流产生的条件及形式，并针对逆变器输出电压的特性变化以及电机端有无过电压等情况，通过仿真分析得到不同情况下的轴电压与轴承电流波形。 在抑制轴承电流方面，文献[1]给出的办法用正弦波滤波器将PWM电压转换成正弦波电压，使电机工作在正弦波供电状态下，但该方法所串电感大，系统动态响应慢，同时电感上的压降和功耗增大。本文在逆变器输出端串小电感并辅以RC吸收网络，可有效抑制PWM 逆变器驱动下出现的轴电流。 2 共模电压与轴电压 一般认为，磁路不均衡、单极效应和电容电流是电机中产生轴电压的主要原因[3]。在电网供电的普通电机中，人们一般比较重视磁路不平衡的影响。但在逆变器供电的电机中轴电压主要由电压不平衡，即电源电压的零序分量产生。由于电路、元器件、连接和回路阻抗的不平衡，电源电压将不可避免地产生零点漂移，该电压将在系统中产生零序电流，轴承则是电机零序回路的一部分。 正弦波电源驱动时，通过计算可知=0。在PWM逆变器驱动下，的值取决于逆变器开关状态，且变化周期与逆变器载波频率一致。事实上，只是共模电压的一种表现形式，由于静电耦合，电机各部分间存在着大小不等的分布电容，因此构成电机的零序回路。根据传输线理论，一个分布参数电路可用等效的具有相同输入输出关系的集总参数π网络模型代替。 因此，电机分布参数电路可用集总参数电路来等效，形成轴电压的绕组--转子耦合部分电路如图2a)所示，其中Vbrg为轴电压，Ibrg为轴承电流，Va，Vb和Vc为电机输入电压。尽管Iws不流过轴承，但它与轴承电流在定子绕组上有相同的路径，势必对轴承电流有所影响。为便于分析，绕组中心点到定子的耦合部分将不予考虑。为计算方便，将图2 a)简化为图2 b)所示等效单相驱动电路模型。图中Z1为电源中点对地阻抗，Z2为旁路阻抗，表征驱动回路中的共模电抗线圈、线路电抗器和长电缆等；R0和L0为定子的零序电阻和电感；Csf、Csr和Crf分别为电机定子对地、定子对转子和转子对地电容；Rb为轴承回路电阻；Cb 和R1为轴承油膜的电容和非线性阻抗；Usg和Urg分别为定子绕组与转子中性点对地电压。 对于采用逆变器供电的电机，当轴承油膜未被击穿时，由于载波频率高，电容的容抗大大减小，与Xcb相比，Rb很小而R1很大，由于PWM驱动电压为非正弦电压，计算时先将其分解，然后分别求取，轴电压有效值为： 3 轴承模型与轴承电流的产生 由于分布电容的存在和高频脉冲输入电压的激励作用，电机轴上形成耦合共模电压。事实上，轴电压的出现不仅与上面两个因素有关，且和轴承结构有着直接关系。转子前后端均
高压电动机的保护一般有以下几种：速断保护、过负荷保护、起动时间过长保护、堵转保护、两段式负序过流保护、反时限负序过流保护、低电压保护、过电压保护、接地保护等。 电流速断保护反映的是电动机的定子绕组或引线的相间短路而动作。动作时限可整定为速断（无延时）或带较短的延时（一般为零点几秒）。其整定值应躲过电动机的起动电流。在电动机运行时任一相电流大于整定值，电流速断保护动作即动作于跳闸。 电动机起动时间这个参数一般是由电机厂家提供，然后设计人员根据厂家提供的电动机的几个参数来计算电动机的各个保护定值（一般计算定值需要由厂家提供以下几个参数：电动机的额定电流、额定功率、起动电流倍数、起动时间和铭牌上的其它参数等）。 起动时间过长保护的定值由设计给出，为一个电流定值，和一个动作于跳闸的延时时间。综保装置这样判断电动机是否为起动过程阶段：起动前电流为零，合上断路器后，电流瞬间增大，随着电动机转速的升高，电动机的电流逐渐减小，当电动机到额定转速后，电动机的电流也稳定在额定电流的附件（一般低于额定电流）。综保装置根据电流特征来判断电动机的状态。电动机的电流小于0.1倍的额定电流时，认为电动机处于停止状态。当从一个时刻t1（合上断路器那一时刻）开始，电动机电流从无到有，装置即认为电动机进入了起动状态。当电流由大变小，并稳定在t2时刻（额定电流附近），则认为电动机已经进入稳定运行状态。起动时间过长保护是在电动机起动过程中对电动机进行保护。而在电动机运行过程中，装置自动将起动时间过长保护退出。当在电动机起动过程中，任一相电流大于整定值，起动时间过长保护即经过延时而动作于跳闸相电流速断保护 1）速断动作电流高值Isdg Isdg = Kk / Ist 式中，Ist：电动机启动电流（A） Kk：可靠系数，可取Kk = 1.3 2）速断电流低值Isdd Isdd可取0.7~0.8Isdg，一般取0.7Isdg 3）速断动作时间tsd 当电动机回路用真空开关或少油开关做出口时，取tsd =0.06s，当电动机回路用FC做出口时，应适当延时以保证熔丝熔断早于速断保护。 4、电动机启动时间tqd 按电动机的实际启动时间并留有一定裕度整定，可取tqd =1.2倍实际启动时间。 修正：Isdg = Kk* Ist Pe=710KW，COS=0.8，CT：150/1A，零序：100/1A，启动时间按18S (CT变比要按照实际变比，有的二次侧可能是5A的，自己换算一下） 速断 躲过电机启动电流： Ie=710/(0.8×√3×6.3)=81.3A Izd=Kk×I_qd=(1.5×6×81.3)/150=4.9A
变频器电路中的制动控制电路 一、为嘛要采用制动电路 因惯性或某种原因，导致负载电机的转速大于变频器的输出转速时，此时电机由“电动”状态进入“动电”状态，使电动机暂时变成了发电机。一些特殊机械，如矿用提升机、卷扬机、高速电梯等，风机等,当电动机减速、制动或者下放负载重物时，因机械系统的位能和势能作用，会使电动机的实际转速有可能超过变频器的给定转速，电机转子绕组中的感生电流的相位超前于感生电压，并由互感作用，使定子绕组中出现感生电流——容性电流，而变频器逆变回路IGBT两端并联的二极管和直流回路的储能电容器，恰恰提供了这一容性电流的通路。电动机因有了容性励磁电流，进而产生励磁磁动势，电动机自励发电，向供电电源回馈能量。这是一个电动机将机械势能转变为电能回馈回电网的过程。 此再生能量由变频器的逆变电路所并联的二极管整流，馈入变频器的直流回路，使直流回路的电压由530V左右上升到六、七百伏，甚至更高。尤其在大惯性负载需减速停车的过程中，更是频繁发生。这种急剧上升的电压，有可能对变频器主电路的储能电容和逆变模块，造成较大的电压和电流冲击甚至损坏。因而制动单元与制动电阻（又称刹车单元和刹车电阻）常成为变频器的必备件或首选辅助件。在小功率变频器中，制动单元往往集成于功率模块内，制动电阻也安装于机体内。但较大功率的变频器，直接从直流回路引出P、N端子，由用户则根据负载运行情况选配制动单元和制动电阻。 一例维修实例： 一台东元7300PA 75kW变频器，因IGBT模块炸裂送修。检查U、V相模块俱已损坏，驱动电路受强电冲击也有损坏元件。将模块和驱动电路修复后，带电机试机，运行正常。即交付用户安装使用了。 运行约一个月时间，用户又因模块炸裂。检查又为两相模块损坏。这下不敢大意了，询问用户又说不大清楚。到用户生产现场，算是弄明白了损坏的原因。原来变频器的负载为负机，因工艺要求，运行三分钟，又需在30秒内停机。采用自由停车方式，现场做了个试验，因风机为大惯性负荷，电机完全停住需接近20分钟。为快速停车，用户将控制参数设置为减速停车，将减速时间设置为30秒。在减速停车过程中，电机的再生电能回馈，使变频器直流回路电压异常升高，有时即跳出过电压故障而停机。用户往往实施故障复位后，又强制开机。正是这种回馈电能，使直流回路电压异常升高，超出了IGBT的安全工作范围，而炸裂了。 此次修复后，给用户说明情况，增上了制动单元和制动电阻器后，变频器投入运行，几年来再未发生模块炸裂故障。 此种制动方式，加快机械惯性能量的消耗，利于缩短停车进程，将电机的再生发电能
6kv电机低电压保护分析 一.低电压保护的用途 1.保护重要电动机的自启动 当电压消失或降低时，电动机的转速下降，当电压恢复时，在电动机绕组内开始流过比额定电流大好几倍的自启动电流，这样大的自启动电流将使电网的电压降加大，使电压恢复的过程延长，增加了电动机达到正常转速的困难，严重时甚至不能自启动，必须切除一部分不重要的电动机，使电网的电压降减少。因此，在不重要的和次要的电动机上可装设低电压保护，当电压消失或降低时动作，将电动机从电网上断开。 发电厂中重要的电动机，是指那些短时将它们断开也不会引起发电厂出力降低甚至停电的厂用机械的电动机，如给水泵、凝结水泵、送风机、吸风机、排粉机等的电动机。 当电动机断开时，并不影响发电厂出力的，为不重要电动机，如具有中间煤仓的磨煤机及灰渣浆等的电机。 2.保证技术安全及工艺过程的特点 在某些情况下，当电压长期消失时（如10S左右）根据技术安全的条件及生产工艺过程的特点，需将某些电动机切除。因为在这段时间内锅炉已熄灭，自启动已经没有必要了。为了保证工艺联锁动作，应装设低电压保护动作于跳闸。另外，还有一些带恒定阻力矩机械的电动机，如磨煤机等，在电压降低时不可能自启动，这些电动机也应在电压降低时切除。 二.低电压保护的装设原则 见厂用电动机低电压保护装设原则表。
注：1.当吸风机与送风机不接在同一电压母线时，吸风机所接母线上的低电压保护装置以9～10S时限动作于送风机断路器跳闸。此外，尚应装设防止送风机继续运转造成炉膛正压的保护装置。 2.当排粉机与送风机不接在同一电压母线时，排粉机应装设低电压保护装置，以9～10S时限动作于跳闸。 三.低电压保护装置的接线要求 无论是在电压完全消失时，或处于电网内的短路故障引起电动机制动时，低电压保护的接线方式，应当能够保证将电动机断开。为此，低电压保护的接线应满足以下几点要求： 1.能反映对称的和不对称的电压下降。因为在不对称短路时的电动机也可能被制动，因而当电压恢复时也会出现自启动问题。 2.电压互感器一次侧一相或两相断线，二次侧各相断线时（例如熔断时），保护装置不应误动作，并且发出信号。但在二次回路断线故障期间，如果这时厂用母线真正失去电压（或电压降到规定值时），低电压保护仍应正确动作。 3.电压互感器一次侧的隔离开关或隔离触头因误操作而被断开时，保护装置不应该误动作，并应发出信号。 4.0.5与9s的低电压保护的动作电压应分别整定。在电压消失时，用接在线电压上的一只电压继电器构成的保护就能达到目的，并能可靠的反应三相短路。但当两相短路时，用一只电压继电器构成的保护，只有在接继电器的两相间发生短路时才能起作用，因而不能完全反应不对称的电压下降。为了保证在所有两相短路的情况下保护都能动作，可采用三相继电器接线方式。 在同一段厂用母线供电的若干台电动机，通常共同装一套低电压保护装置。电压继电器接在厂用母线的互感器上。
变频器电路图-整流、滤波、电源及电压检测电路 以下仅仅对变频器电路图-整流、滤波、电源及电压检测电路的分析,好象论坛上发不了图纸. 1. 整流滤波部分电路 三相220V电压由端子J3的T、S、R引入，加至整流模块D55（SKD25-08）的交流输入端，在输出端得到直流电压，RV1是压敏电阻，当整流电压超过额定电压385V时，压敏电阻呈短路状态，短路的大电流会引起前级空开跳闸，从而保护后级电路不受高压损坏。整流后的电压通过负温度系数热敏电阻RT5、RT6给滤波电容C133、C163充电。负温度系数热敏电阻的特点是：自身温度超高，阻值赿低，因为这个特点，变频器刚上电瞬间，RT5、RT6处于冷态，阻值相对较大，限制了初始充电电流大小，从而避免了大电流对电路的冲击。 2. 直流电压检测部分电路 电阻R81、R65、R51、R77、R71、R52、R62、R39、R40组成串联分压电路，从电阻上分得的电压分别加到U15（TL084）的三个运放组成的射极跟随器的同向输入端，在各自的输出端得到跟输入端相同的电压（输出电压的驱动能力得到加强）。U13（LM339）是4个比较器芯片，因为是集电集开路输出形式，所以输出端都接有上接电阻，这几组比较器的比较参考电压由Q1（TL431）组成的高精度稳压电路提供，调整电位器R9可以调节参考电压的大小，此电路中参考电压是6.74V。如果直流母线上的电压变化，势必使比较器的输入电压变化，当其变化到超过6.74V的比较值时，则各比较器输出电平翻转，母线电压过低则驱动光耦U1（TLP181）输出低电平，CPU接收这个信号后报电压低故障。母线电压过高则U10（TL082）的第7脚输出高电平，通过模拟开关U73（DG418）从其第8脚输出高电平，从而驱动刹车电路，同时LED DS7点亮指示刹车电路动作。由整流二极管D5、D6、D7、D18、D19、D20组成的整流电路输出脉动直流电，其后级的检测电路可对交流电压过低的情况进行实时检测，检测报警信号也通过光耦U1输出。 3. 电源电路 U62（VIPER100SP）是内部带场效应管的开关电源控制芯片。母线电压+VPW通过保险F1加到开关变压器T1的第2脚，T1的第1脚和第2脚是初级线圈，U62内部集成了特别的启动电路，电路启动后，T1次级3、4、5脚输出的感应脉冲经整流滤波后得到电压检测电路所需的正负电压，正电压也同时提供给U62以维持其工作。T1其它次级输出的感应脉冲经整流滤波后分别供应U、V、W三相上桥光耦驱动所需电压（+VHU，0VHU）（+VHV，0VHV）（+VHW，0VHW），还有其它控制电路所需电压（+VSI，0VSI，-VSI）。芯片U56（LM2575S-ADJ）是一个PWM开关式输出稳压芯片，将+VSI电压降压并稳定为5V（+VSI5）供给CPU等芯片所需电路。 对于变频器修理，仅了解以上基本电路还远远不够的，还须深刻了解以下主要电路。主回路主要由整流电路、限流电路、滤波电路、制动电路、逆变电路和检测取样电路部分组成。图2.1是它的结构图。
对电动机轴电流的分析及防范 〔摘要〕轴电流的存在对电动机轴承的使用寿命具有极大的破坏性，根据现场实际运行情况，分析其产生的原因，采取装设转轴接地碳刷、加强非轴伸端轴承座与支架的绝缘等有效措施，从而从根本上解决轴电流危害的问题. 〔关键词〕电动机轴电流轴电压 1轴电流的危害 在电动机运行过程中，如果在两轴承端或电机转轴与轴承间有轴电流的存在，那么对于电机轴承的使用寿命将会大大缩短。轻微的可运行上千小时，严重的甚至只能运行几小时，给现场安全生产带来极大的影响。同时由于轴承损坏及更换带来的直接和间接经济损失也不可小计。 2轴电压和轴电流的产生 轴电压是电动机两轴承端或电机转轴与轴承间所产生的电压，其产生原因一般有以下几种： (1) 磁不平衡产生轴电压 电动机由于扇形冲片、硅钢片等叠装因素，再加上铁芯槽、通风孔等的存在，造成在磁路中存在不平衡的磁阻，并且在转轴的周围有交变磁通切割转轴，在轴的两端感应出轴电压。 (2) 逆变供电产生轴电压 电动机采用逆变供电运行时，由于电源电压含有较高次的谐波分量，在电压脉冲分量的作用下，定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生电磁感应，使转轴的电位发生变化，从而产生轴电压。 (3) 静电感应产生轴电压 在电动机运行的现场周围有较多的高压设备，在强电场的作用下，在转轴的两端感应出轴电压。 (4) 外部电源的介入产生轴电压由于运行现场接线比较繁杂，尤其大电机保
护、测量元件接线较多，哪一根带电线头搭接在转轴上，便会产生轴电压。 (5) 其他原因如静电荷的积累、测温元件绝缘破损等因素都有可能导致轴电压的产生。轴电压建立起来后，一旦在转轴及机座、壳体间形成通路，就产生轴电流。 3轴电流对轴承的破坏 正常情况下，转轴与轴承间有润滑油膜的存在，起到绝缘的作用。对于较低的轴电压，这层润滑油膜仍能保护其绝缘性能，不会产生轴电流。但是当轴电压增加到一定数值时，尤其在电动机启动时，轴承内的润滑油膜还未稳定形成，轴电压将击穿油膜而放电，构成回路，轴电流将从轴承和转轴的金属接触点通过，由于该金属接触点很小，所以这些点的电流密度大，在瞬间产生高温，使轴承局部烧熔，被烧熔的轴承合金在碾压力的作用下飞溅，于是在轴承内表面上烧出小凹坑。一般由于转轴硬度及机械强度比轴承烧熔合金的高，通常表现出来的症状是轴承内表面被压出条状电弧伤痕。 4轴电流的防范 针对轴电流形成的根本原因，一般在现场采用如下防范措施： (1) 在轴端安装接地碳刷，以降低轴电位，使接地碳刷可靠接地，并且与转轴可靠接触，保证转轴电位为零电位，以此消除轴电流。 (2) 为防止磁不平衡等原因产生轴电流，往往在非轴伸端的轴承座和轴承支架处加绝缘隔板，以切断轴电流的回路。 (3) 为了避免其他电动机附件导线绝缘破损造成的轴电流，往往要求检修运行人员细致检查并加强导线或垫片绝缘，以消除不必要的轴电流隐患。 一般通过以上处理，大多电动机的轴电流微乎其微，已对电动机构不成实质上危害。现场实践证明，经上述方式处理后实际使用寿命可由原几十个小时提高到上万小时，效果比较明显，尤其对高压电动机轴电流的防范效果好，对安全生产具有积极作用。
一、电动给水泵组保护 1．主要技术参数： 额定容量：5400KW CT配置：1000/5 LXZ1-0.5 额定电压：6KV 额定电流I s：649.5A 启动电流：6I n 2．开关类型：真空断路器 保护配置：HN2001 HN2041 3．HN2041定值整定： 3．1电动机二次额定电流I e计算： I e=I n/n r=649.5/(1000/5)=3.25(A) 启动时间：8S 3．2分相最小动作电流I seta、I setc: 1）最小动作电流整定，保证最大负荷下不误动。 按标准继电保护用的电流互感器在额定电流下10P级的比值误差为+3℅，即最大误差为6℅。 I dz= K k. 6℅I s/n lh =2×0.06×3.25=0.39 取I seta= I setc=0.39A 3．3制动系数K Z.的整定原则： 保护动作应避越外部最大短路电流的不平蘅电流，K k应等于其比率制动曲线的斜率I dzmax/I resmax即 K z = I dzmax/I resmax = （K k K fzq K st F j I kmax）/I kmax = 1.5╳2╳0.5╳0.1
=0.15 3．4差动保护时间：t dz=0 s 3．5拐点制动电流I res =3.25A(额定电流作为拐点) 4．HN2001定值整定： 配置：速断保护，定时限过电流I段保护，正序电流定时限保护，负序电流定时限保护，低电压保护，零序定时限过电流保护，过载反时限保护（投信号）. 4．1电动机二次额定电流I e计算： I e=I n/n r=649.5/(1000/5)=3.25(A) 4．2速断保护I>>计算： 启动时速断保护定值: 按躲过电动机启动电流整定，可靠系数取1.2。启动电流6 I e根据设计院图纸。 I qd=6 I e=6×3.25=19.5(A) I dz =K k×I qd=1.2×19.5=23.4A 灵敏度校验:取最小运行方式下电动机出口两相短路电流校核灵敏系数K lm: K lm=I(2)d.min/ I dz=16520/4680>2. 运行时速断保护定值： I dz= K k×3Ie=1.1×3×3.25=10.7 A 保护动作时间:t取0秒. 4．3定时限I段过电流保护：
变频器原理与维修 一、变频器原理介绍 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装臵。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。 整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM 波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 变频器选型： 变频器选型时要确定以下几点： 1) 采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。 2) 变频器的负载类型； 如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。 3) 变频器与负载的匹配问题； I.电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。 II. 电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。 对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。 III.转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装臵时有可能发生。 4) 在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加 二、变频器常见故障的分析与处理 1 变频器参数设臵类故障 在使用过程中变频器能否满足用户系统的要求，其参数设臵非常重要，如果参数设臵不
正确，变频器便不能正常工作。 1.1 变频器的参数设臵 生产厂在进行变频器出厂调试时，对变频器的每一个参数都设有一个默认值，这些默认参数值一般被称作工厂值。当用户使用的变频器是在这些参数值下工作时，则用户能以面板操作方式使变频器正常运行。但是，实际情况往往是面板操作并不能完全满足大多数用户传动系统的要求。所以，用户在正确使用变频器之前，必须要对变频器参数的默认值进行如下几个方面的辨识和重新设臵： 1）确认电机的功率、电流、电压、转速、最大频率等参数（这些参数可以从电机铭牌中查得）是否与默认值相符，如果不符时则要对默认值进行重新设臵； 2）确认变频器采取的控制方式（即速度控制、转矩控制、PID 控制或其他控制方式）后，一般还需要根据控制精度进行静态或动态辨识； 3）设定变频器的启动方式，一般变频器在出厂调试时设定为面板启动，用户可以根据实际情况选择自己的启动方式，可以用面板、外部端子、通讯等方式； 4）给定信号的选择，一般变频器的频率给定也可以有多种方式，面板给定、外部给定、外部电压或电流给定、通讯方式给定等，当然对于变频器的频率给定也可以是这几种方式的一种或几种方式的综和。 当正确设臵以上参数之后，变频器基本上能正常工作，如要获得更好的控制效果则只能根据实际情况修改相关参数。 1.2 变频器参数设臵类故障的处理 一旦发生了参数设臵类故障时，变频器都不能正常运行，这时可根据产品说明书对参数设臵进行修改。如果修改后仍不行，则最好是把所有参数恢复到出厂值，然后按上述步骤重新设臵，注意每一个公司的变频器其参数恢复方式也不尽相同。 2 过电压故障及处理