張 樂(lè)　方 亮　郭雪巖　胡志輝　李小滿(mǎn)

（中國(guó)中車(chē)株洲電機(jī)有限公司，412001，株洲∥第一作者，工程師）

地鐵車(chē)輛牽引電機(jī)軸承電壓形成機(jī)理分析

張 樂(lè)方 亮郭雪巖胡志輝李小滿(mǎn)

（中國(guó)中車(chē)株洲電機(jī)有限公司，412001，株洲∥第一作者，工程師）

摘 要以某類(lèi)型地鐵車(chē)輛牽引電機(jī)軸承電壓為研究目標(biāo)，通過(guò)分析地鐵車(chē)輛接地系統(tǒng)特別是接地電流路徑對(duì)電機(jī)的影響，確定了地鐵車(chē)輛牽引電機(jī)軸承電壓主要由通過(guò)軸承的兩部分電流（電網(wǎng)接地電流、變頻器充電電容電流）產(chǎn)生。對(duì)兩種電流產(chǎn)生的軸承電壓進(jìn)行分析，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)軸承電壓波形進(jìn)行了驗(yàn)證。依據(jù)分析的結(jié)果，提出了降低地鐵車(chē)輛牽引電機(jī)軸承電壓的措施。

關(guān)鍵詞地鐵車(chē)輛；牽引電機(jī)；軸承電壓

Author＇s address CRRC Zhuzhou Electric Motor Co.，Ltd.，412001，Zhuzhou，China

對(duì)于變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)，軸承電壓的產(chǎn)生是不可避免的現(xiàn)象。自2003年以來(lái)，國(guó)外采用放電總能量來(lái)對(duì)電機(jī)軸承腐蝕程度進(jìn)行判定［1］。此方法只需要軸承電壓作為實(shí)測(cè)值，從而回避了電流的測(cè)量，簡(jiǎn)化了軸承腐蝕判定的方法。因此，對(duì)于電機(jī)軸承電壓進(jìn)行分析具有重要意義。由于地鐵車(chē)輛復(fù)雜的電氣環(huán)境，使得無(wú)法簡(jiǎn)單地判斷地鐵車(chē)輛牽引電機(jī)軸承電壓的構(gòu)成及來(lái)源，因此需要在地鐵車(chē)輛牽引電機(jī)電氣線(xiàn)路環(huán)境分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)軸承電壓波形，針對(duì)分析的結(jié)果提出降低軸承電壓和軸電流的措施。

1　軸承電壓及分類(lèi)

在對(duì)軸承的研究中，常常通過(guò)觀(guān)察電機(jī)軸承電流來(lái)分析軸承受到的電腐蝕影響。對(duì)于變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)，其軸承電流分為軸承電容電流、EDM（電火花放電加工）電流、高頻環(huán)路電流、轉(zhuǎn)子地電流［2］等。產(chǎn)生這些軸承電流的軸承電壓及其一般來(lái)源如表1所示。

表1　軸承電壓來(lái)源

1.1軸承感應(yīng)電壓

在變頻器供電和電機(jī)定子接地情況下，高頻共模接地電流會(huì)在電機(jī)定子和鐵心表面流動(dòng)，其產(chǎn)生的交變磁通會(huì)在電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子間形成一個(gè)高頻感應(yīng)電壓。此電壓隨著電機(jī)尺寸、高頻共模接地電流和頻率的增大而增大。地鐵車(chē)輛電機(jī)尺寸普遍不大，使得軸承感應(yīng)電壓很小，故其在地鐵車(chē)輛電機(jī)軸承電壓中不占主要成分。

1.2電機(jī)共模電壓的分壓電壓

在變頻器供電的情況下，任何一個(gè)電機(jī)接入三相電壓時(shí)，都會(huì)在電機(jī)中性點(diǎn)與電機(jī)外殼間產(chǎn)生一個(gè)共模電壓UY，同時(shí)，由于電機(jī)定轉(zhuǎn)子間雜散分布電容Ce、軸承電容Cb1和Cb2以及定子繞組與轉(zhuǎn)子間分布電容Cwr的存在，就形成了一個(gè)共模電壓的電容分壓電路（見(jiàn)圖1），使得電機(jī)軸上產(chǎn)生電壓Ub加載在軸承兩端。軸電壓與共模電壓分壓比為：

由此可得軸電壓（轉(zhuǎn)子未接地時(shí)）的計(jì)算式為：

圖1　電機(jī)定轉(zhuǎn)子間共模電壓的電容分壓電路

可見(jiàn)，軸承上的電機(jī)共模電壓的分壓電壓完全由共模電壓及電機(jī)分布參數(shù)決定。由于實(shí)際工況下，電機(jī)參數(shù)為固定值（一般不輕易改變），故在一定共模電壓下（但通過(guò)改變變頻器的調(diào)制方式可在一定范圍內(nèi)改變共模電壓大?。?，軸承電壓最大值是有下限的。其下限值由式（2）決定。在實(shí)際地鐵車(chē)輛的電機(jī)中，可按式（2）在合適的時(shí)候計(jì)算軸承電壓。

1.3轉(zhuǎn)子接地電壓

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地時(shí)（定子懸空不接地），定子上的共模接地電流會(huì)通過(guò)轉(zhuǎn)子形成一個(gè)接地回路，使得軸承兩端形成一個(gè)接地電壓Ubd。其最大接地電壓值為：

式中：

Cwf——定子繞組和機(jī)殼間的電容。

在實(shí)際地鐵車(chē)輛中，由于接地網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，而無(wú)法按式（3）來(lái)計(jì)算軸承電壓，為此，需要根據(jù)實(shí)際的接地網(wǎng)絡(luò)建立不同的電路模型來(lái)進(jìn)行分析。

2　地鐵車(chē)輛牽引電機(jī)軸承電壓組成及變化分析

2.1接地系統(tǒng)分析

當(dāng)牽引電機(jī)裝入地鐵車(chē)輛上時(shí)，其定子與轉(zhuǎn)子均是地鐵車(chē)輛接地回路的一部分，因此，接地回路上的電壓會(huì)直接影響電機(jī)軸承電壓。研究地鐵車(chē)輛接地回路的分布及其上的電流路徑，對(duì)牽引電機(jī)軸承電壓的分析有重要的作用。通過(guò)對(duì)地鐵車(chē)輛接地回路的分析可知，轉(zhuǎn)子接地軸承電壓主要由通過(guò)軸承的兩部分地電流形成，分別為電網(wǎng)接地電流和變頻器充電電容電流。

2.2電網(wǎng)接地電流及其產(chǎn)生的軸承電壓

通常，由于變頻器的充電電容和濾波電抗器組成了一個(gè)低通濾波器，使得電網(wǎng)接地電流只存在低頻或直流分量。但是，當(dāng)?shù)罔F車(chē)輛牽引電機(jī)處于起動(dòng)或制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，此電流變得十分大（幾百安培），從而在接地回路（即使這些地方的阻抗十分?。┥袭a(chǎn)生很大的對(duì)地電壓Uc。在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸接地時(shí)，此電壓在合適的條件下會(huì)疊加到電機(jī)軸承兩端，從而推高軸承電壓幅值。Uc可由式（4）計(jì)算：

式中：

Id——接地共模電流，可測(cè)量；

Rg——地鐵車(chē)輛的接地回路電阻，包括了接地線(xiàn)電阻Rgc和接地碳刷電阻Rb；

Lg——地鐵車(chē)輛的接地回路電感，主要為接地線(xiàn)電感；

ω——接地共模電流的角頻率。

通過(guò)分析地鐵車(chē)輛的接地回路，可以得到與軸承連接的接地回路的集總參數(shù)模型，如圖2所示。其中，Rr為變頻器接地匯流排與電機(jī)外殼間的限流電阻，Lr為限流電阻的電感，Cr為限流電阻的分布電容，Lc為限流電阻到電機(jī)外殼上的長(zhǎng)連接線(xiàn)分布電感。由圖2可以看出，Uc通過(guò)接地回路在電機(jī)軸承上產(chǎn)生一個(gè)分壓Ub1。

圖2　電網(wǎng)接地電流產(chǎn)生的對(duì)地電壓所影響的電路集總參數(shù)模型（轉(zhuǎn)子軸直接接地時(shí)）

當(dāng)電機(jī)處于啟動(dòng)后期或制動(dòng)前期時(shí)，由于齒輪箱內(nèi)齒輪間的油膜處于不穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)子軸與車(chē)輪形成了短時(shí)的直接電連接，Uc對(duì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子間分布電容Crf進(jìn)行充電（由于軸承外圈絕緣層的影響，使得Crf在電機(jī)處于啟動(dòng)后期或制動(dòng)前期時(shí)總是存在和發(fā)生變化，而不會(huì)有定轉(zhuǎn)子直接短路的現(xiàn)象），使得軸承兩端電壓Ub1=Uc，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸與車(chē)輪間的電連接斷開(kāi)時(shí)，充電電容電流導(dǎo)致的軸承電壓Ub2便會(huì)疊加在Ub1上。

圖3為實(shí)測(cè)到的由電網(wǎng)共模電流所產(chǎn)生的軸承電壓Ub1疊加在充電電容電流導(dǎo)致的軸承電壓Ub2上的波形。

圖3　制動(dòng)前期轉(zhuǎn)子軸與車(chē)輪短時(shí)連接、斷開(kāi)時(shí)，電網(wǎng)共模電壓導(dǎo)致的軸承電壓波動(dòng)

2.3變頻器充電電容電流及其產(chǎn)生的軸承電壓

一般來(lái)說(shuō)，變頻器電容輸出的高頻電流絕大部分會(huì)通過(guò)其經(jīng)過(guò)路徑的分布電容回流至變頻器電容負(fù)極。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子軸接地，就為高頻電流提供了一條通過(guò)接地回路回流到變頻器充電電容負(fù)極的路徑。如果其他回流路徑的阻抗變大，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)外殼到充電電容負(fù)極間的電壓升高，從而提升軸承兩端的電壓。

實(shí)際中，充電電容電流導(dǎo)致的軸承電壓并非固定不變，而是會(huì)隨著地鐵車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化。

2.3.1電機(jī)處于額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)充電電容電流產(chǎn)生的軸承電壓

當(dāng)電機(jī)處于額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，在齒輪箱內(nèi)的齒輪間會(huì)形成一個(gè)油膜電容，阻斷了轉(zhuǎn)子軸與車(chē)輪的電連接。按圖3可得到充電電容電流在與軸承有關(guān)的電流路徑上的集總參數(shù)模型，如圖4所示。

由圖4可以看出，當(dāng)線(xiàn)路上的阻抗很小時(shí)（實(shí)際也是如此），充電電容電流導(dǎo)致的軸承電壓Ub2完全由定轉(zhuǎn)子間分布電容Crf（此時(shí)Crf為一個(gè)固定值，可在實(shí)驗(yàn)室測(cè)出）及繞組和轉(zhuǎn)子間分布電容Cwr來(lái)確定。在已知電機(jī)共模電壓UY的情況下（可直接在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中測(cè)出），Ub2由式（2）直接求得。圖5為實(shí)測(cè)的此時(shí)軸承電壓波形。

2.3.2電機(jī)處于啟動(dòng)前期或制動(dòng)后期時(shí)充電電容電流產(chǎn)生的軸承電壓

當(dāng)電機(jī)處于啟動(dòng)前期或制動(dòng)后期時(shí)，齒輪箱內(nèi)齒輪間的油膜消失，轉(zhuǎn)子軸與車(chē)輪形成了長(zhǎng)時(shí)間的直接電連接，此時(shí)集總參數(shù)模型如圖6所示。

圖4　電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)充電電容電流在與軸承有關(guān)的電流路徑上的集總參數(shù)模型

圖5　電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)由充電電容電流產(chǎn)生的軸承電壓波形

圖6　電機(jī)處于啟動(dòng)前期或制動(dòng)后期時(shí)充電電容電流在與軸承有關(guān)的電流路徑上的集總參數(shù)模型

由圖6可以看出，UY通過(guò)Cwf和Crf、Lg和Rg產(chǎn)生分壓至軸承兩端，但是由于變頻器接地線(xiàn)和車(chē)軸碳刷上阻抗影響，使得電機(jī)軸承上充電電容電流導(dǎo)致的軸承電壓不能由式（2）直接求得。將測(cè)量到的各個(gè)參數(shù)代入圖6的模型，可算出并繪制如圖7 的Ub2∕UY的傳遞函數(shù)頻譜分布圖。

圖7　電機(jī)定子繞組對(duì)電機(jī)軸承的電壓傳遞函數(shù)頻譜圖

從圖7中可以看出，有一個(gè)諧振頻率點(diǎn)。由于變頻器輸出的共模電壓均為方波或多階梯的方波，特別是當(dāng)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，變頻器會(huì)改變調(diào)制方式，使其輸出的共模電壓變?yōu)閳D8所示的高壓方波。當(dāng)這些方波的邊沿時(shí)間的倒數(shù)小于諧振頻率點(diǎn)時(shí)，就會(huì)在軸承兩端出現(xiàn)嚴(yán)重的振蕩電壓（見(jiàn)圖9）。

圖8　電機(jī)處于制動(dòng)后期時(shí)變頻器輸出的共模電壓波形

圖9　電機(jī)處于制動(dòng)后期時(shí)由充電電容電流導(dǎo)致的軸承電壓波形

3　降低地鐵車(chē)輛牽引電機(jī)軸承電壓的措施

通過(guò)以上分析，可以得到多個(gè)降低地鐵車(chē)輛牽引電機(jī)軸承電壓的措施。由于實(shí)施的成本所限，僅介紹通過(guò)改進(jìn)接地網(wǎng)絡(luò)來(lái)降低地鐵車(chē)輛牽引電機(jī)軸承電壓的方法。

3.1降低電網(wǎng)接地電流產(chǎn)生的接地電壓

電網(wǎng)接地電流產(chǎn)生的對(duì)地電壓會(huì)對(duì)牽引電機(jī)定轉(zhuǎn)子電容充電而疊加到軸承兩端。降低此對(duì)地電壓可采用以下兩種方法：

（1）分流電網(wǎng)接地電流。將電網(wǎng)接地電流通過(guò)多個(gè)接地點(diǎn)連接到鋼軌，由于電網(wǎng)接地電流總量是一定的，從而降低了單個(gè)接地點(diǎn)上的電流。

（2）降低對(duì)地電壓在電機(jī)軸承上的分壓。此方法需對(duì)地鐵車(chē)輛接地系統(tǒng)進(jìn)行一定的修改，通過(guò)減小與牽引電機(jī)定子相連的等電位點(diǎn)上的電壓來(lái)達(dá)到目的。

3.2降低充電電容電流產(chǎn)生的軸承電壓

根據(jù)圖6，降低充電電容電流產(chǎn)生的軸承電壓可從以下兩方面來(lái)解決：

（1）減小牽引電機(jī)定子到充電電容負(fù)極的阻抗。這樣將減小UY通過(guò)Cwf和Crf、Lg和Rg產(chǎn)生至軸承兩端的分壓。

（2）減小牽引電機(jī)定轉(zhuǎn)子間的電感，將諧振周期提高到大于變頻器輸出的共模電壓邊沿時(shí)間，以有效減小在軸承兩端的諧振電壓峰值。采用圖10所示的修改，可將定轉(zhuǎn)子間的電感由變頻器接地線(xiàn)電感Lg減小到電阻R1上的電感以下。

圖10　改進(jìn)后的充電電容電流在與軸承有關(guān)的電流路徑上的集總參數(shù)模型

將測(cè)量到的各個(gè)參數(shù)代入圖10的模型，可算出Ub2∕UY的傳遞函數(shù)頻譜分布（見(jiàn)圖11）。

圖11　按照?qǐng)D10修改后的電機(jī)定子繞組對(duì)電機(jī)軸承的電壓傳遞函數(shù)頻譜圖

由圖11可見(jiàn)，其阻抗峰值點(diǎn)已經(jīng)向高頻點(diǎn)移動(dòng)了很大的距離。需要注意的是，此方法必須配合變頻器的共模電壓濾波才能有效，否則需要不斷減小R1及其線(xiàn)路上的電感，直到阻抗諧振頻率超過(guò)變頻器輸出的共模電壓邊沿時(shí)間的倒數(shù)。

3.3其它改進(jìn)措施

（1）改善齒輪箱內(nèi)齒輪潤(rùn)滑油性能和牽引電機(jī)軸承內(nèi)潤(rùn)滑脂性能，使得在地鐵車(chē)輛起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)，齒輪和軸承油膜阻抗都能比較穩(wěn)定，從而減小Uc對(duì)Crf反復(fù)充電的次數(shù)，并在Crf反復(fù)充電過(guò)程中使得軸承上的油膜無(wú)法形成，導(dǎo)致疊加在Ub1上的Ub2很小。

（2）改進(jìn)變頻器的調(diào)制方式，降低共模電壓并減少共模電壓方波區(qū)的持續(xù)時(shí)間。

（3）變頻器輸出加入d v∕d t濾波器，延長(zhǎng)電壓的邊沿時(shí)間，降低變頻器輸出電壓的諧波帶寬。

（4）在電機(jī)軸上加入分流碳刷，直接降低軸承兩端電壓。

參考文獻(xiàn)

［1］ MUETZE A，TAMMINEN J，AHOLA J.Influence of motor operating parameters on discharge bearing current activity ［C］∥2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE 2010）.Piscataway：IEEE Press，2010：1617-1622.

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Analysis of the Formation Mechanism of Metro Traction Motor Bearing Voltage

Zhang Le，F(xiàn)ang Liang，Guo Xueyan，Hu Zhihui，Li Xiaoman

AbstractTargeting at a certain type of subway vehicle traction motor bearing voltage，the influence of metro vehicle grounding system，especially the ground current path on the motor，the composition and sources of the bearing voltage are comfirmed，they are the grid grounding current and the inverter charging capacitor current.Through analyzing the bearing voltage induced by the two currents，and verifying the bearing voltage waveform by field measurement，some suggestions for reducing the traction motor bearing voltage are put forward.

Key wordsmetro vehicle；traction motor；bearing voltage

中圖分類(lèi)號(hào)TM 303.5：TM 922.71

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.026

收稿日期：（2015-08-04）