变频调速电机轴电压和轴电流问题及解决措施

变频调速电机轴电压和轴电流问题及解

决措施

2017年12月

目录

1变频调速电机轴电压和轴电流问题的种类和形成原因 (1)

2低压大功率变频调速电机轴电压和轴电流问题的重要性 (2)

3低压大功率变频调速电机轴电压和轴电流问题的难点 (3)

4.一般变频调速电机轴电压和轴电流问题的解决方案 (4)

5.低压大功率变频调速电机轴电压和轴电流问题的解决方案初探 (5)

4变频调速电机轴电压和轴承电流试验测试 (11)

1变频调速电机轴电压和轴电流问题的种类和形成原因

电机运行时，轴承两端之间产生的电位差称之为“轴电压”，该电压加在由

电机转轴、轴承、端盖、机座构成的回路中，从而引起了轴承电流（该电流也可

能通过联轴器传递至传动机械，见图1）。轴承电流一般存在3种不同的形式：

环路电流、 dV／dt电流和EDM(electrical discharge machining)电流。这3

种不同的形式可以单独出现，也可以同时出现。

图1

➢环路电流：正弦波驱动的电机系统中电机的

结构上的不对称、气隙不均匀等）。不对称的磁路会在

磁轭产生环形交流磁通（环状磁通），从而产生交流感

应电压。当感应电压破坏轴承润滑剂的绝缘能力时，就

会有电流流过此回路。流经途径为导电的电机轴、机壳、

轴承沟道、滚动体等。图2为环路电流可能流经的各部

分零部件所组成的通路。图2

➢dV／dt电流：PWM逆变器中，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的产生零点漂移，从而产生高频的共模电压。由于寄生

电容Cwr的存在，在电机轴上会形成轴电压Vshaft。由于电机端输入的是

PWM脉冲电压，这些脉冲序列电压耦合到电机轴上会得到交变轴电压，经过

轴承电容流到大地，从而产生形成dV／dt轴承电流。dV／dt电流一般只有

0.1～0.15A，主要为高频分量，对轴承影响很小，主要是持续不断地腐蚀着

轴承上的润滑剂，最后造成电介质击穿。

➢EDM电流：第3种形式的轴承电流是由内外圈的间隙（包括油膜）电容放电引起的轴承电流，又叫EDM电流。在正常情况下，由于润滑油膜的作用，电机轴承呈现较高的阻抗，这些能量找不到途径来释放，但是当滚柱接触轴承沟道时，或者当轴电压Vshaft高于润滑油膜的击穿电压，造成润滑油层击穿时，就会呈现较低的阻抗，积聚在间隙电容上的能量通过轴承进行放电，形成轴承电流。这个放电电流通常比dV／dt电流大得多，严重时会在轴承内形成电弧。这种形式的轴承电流对电机轴承造成危害最大的电流形式。

在一般文献中，还有一种转轴接地电流，即认为泄漏到定子机座中的电流需要回到它产生的源头——变频器中。任何回流的路线都包括阻抗，因此与地电平相比机座电位更高。如果电动机转轴经传动机械接地，那么电动机轴承将承受机座施加的电压。如果该电压的施加超过了油脂润滑膜的绝缘能力，那么就会有部分电流流经轴承、转轴和传动机械再返回至变频器。这种电流可以认为综合了dV／dt电流和EDM电流等多种轴承电流的类型。

2低压大功率变频调速电机轴电压和轴电流问题的重要性

根据资料显示，一般认为超过400kW（也有部分资料认为超过100kW）的电机应考虑轴电压和轴电流的保护措施。据测试，1200kW的高压电机负载时的轴电压可以超过2.6V，而美国NEMA MG1（2006）规定，轴电压峰值大于300mV需要采取绝缘措施。低压大功率电机目前的轴电压和轴电流的情况还需要通过试验进一步的探索。

对于中小功率电机，其轴电压与轴电流的危害较小，一般不做特别处理。而对于低压大功率变频调速电机，与小功率电机相比在轴承两端存在较显著的轴电压——由于低压大功率变频调速电机的磁路不对称程度大、大功率变频电源的高频共模电压以及大型的轴承内外圈的间隙（包括油膜）电容放电等不同原因，引起了不同形式的轴承电流。因此，研究轴承电压和轴承电流的存在机理和抑制技术，将不仅仅是对于低压大功率变频调速电机研制很重要，还将启发对其他类似

电机的研发和应用。

3低压大功率变频调速电机轴电压和轴电流问题的难点

目前在大型同步电机中有对轴电压的测试方法，也有一些资料显示对轴电压的试验结果；但到目前为止，还没有经过很好验证的轴电流试验方法。在国家标准《变频器供电三相笼型感应电动机实验方法》（注：已颁布）中，提供了相应的轴电流测试方法，但低压大功率变频调速电机轴电压和轴电流的数量等级、存在形式、对轴承绝缘的要求等还需要进一步的试验验证工作才能确定。

➢国家标准《变频器供电三相笼型感应电动机实验方法》中轴电压的测试方法：

图23

图23为国家标准《变频器供电三相笼型感应电动机试验方法》中推荐的轴电压的测试方法，根据该标准的规定，试验方法为：在电动机轴承与机壳之间加装绝缘环或者使用绝缘轴承，确保电动机轴承绝缘良好；被试电机在额定电压、额定频率下空载运行，用高内阻的毫伏表测量轴电压U1，然后将另一端接地，测量电压U2；取消接地线后，测量轴承电压U3。

➢国家标准《变频器供电三相笼型感应电动机实验方法》中轴电流的测试方法：

图24

图24为国家标准《变频器供电三相笼型感应电动机实验方法》中推荐的轴电流的测试方法，根据该标准的规定，试验方法为：在电动机轴承与机壳之间加装绝缘环或者使用绝缘轴承，确保电动机轴承绝缘良好；将电流表串联到轴承绝缘层两面接触的金属零部件上；分别在额定电压、额定频率和最高工作频率下空载运行，测量轴承电流值。

4.一般变频调速电机轴电压和轴电流问题的解决方案

目前已知的轴承绝缘方法有很多，如直接采用绝缘轴承、对转轴绝缘以及采用电刷装置短路等，下表是对目前已知的一些轴承绝缘处理措施及效果的对比：

表2一些轴承绝缘处理措施及效果的对比

对策

电流类型

附加说明环路电流

dv/dt电流

（轴对地电流）

EDM电流（电容

性放电电流）

1．非传动端轴承绝缘或陶瓷层滚子有效

无效；仅保护一

个轴承

无效；仅保护一

个轴承

非传动端已绝缘，

不需要绝缘的联轴

器

2．两端轴承均绝缘或陶瓷层滚子有效；对此类

电流一个轴承

绝缘已够

有效有效

小机座号大多有

效，大机座号很少

用

3．两端轴承均绝缘

或陶瓷层滚子，再用绝缘联轴器和转轴通过电刷接触有效有效有效

大多有效（特别是

对大电机），避免损

坏负载机械，需要

维修

4．非传动端轴承绝缘，传动端用刷接地有效；对此类

电流不需要电

刷，非传动端

装转速计需保

有效；不保护负

载机械轴承

有效；电刷接触

阻抗要小

需要维修，大机座

号常用。传动端用

电刷可不用绝缘的

联轴器