变频电机轴电流现象分析及对策

严冠豪 牛建峰 王 建

（中石化洛阳分公司，河南 洛阳 471012）

变频电机轴电流现象分析及对策

严冠豪 牛建峰 王 建

（中石化洛阳分公司，河南 洛阳 471012）

分析了变频电机轴电流产生机理及危害，介绍了轴电流的检测分析方法，最后提出了防止变频电机轴电流危害的措施。

轴承；轴电流；变频器

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，但是因变频电机轴电流引发轴承故障的现象也不容忽视。中石化洛阳分公司涤纶短纤维装置牵伸线公用西门子6SE70系列12脉冲整流单元，整流单元输出直流960V电压。直流母线拖动10台西门子矢量控制大功率变频器。变频器拖动的三相异步电动机实现恒转矩控制，依次实现了短纤维成品丝的预拉伸、拉伸、叠丝、切断、打包等工序。10台电动机额定电压960V，功率范围300～800kW，采用交-直-交电源供应方式。由于轴电流的存在，电动机每更换轴承1～3个月后，就会出现振动加速度异常增大现象。对电机拆解后，发现轴承劣化严重（图1），造成巨大经济损失。

图1 电机轴承损伤图

一、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、SVPWM、VC 3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。导致电机内部磁场不平衡的原因为电动机设计存在缺陷，导致结构不对称及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。如图2所示，三相异步电动机的定子绕组在设计中是嵌入定子铁芯中的，定子绕组和电机基座、定子绕组匝间均存在着分布电容，由于变频器在高载频下运行，共模电压也会急剧变化，通过分布电容与电动机的外壳构成了共模回路。回路电压高频振荡并与转子容性耦合，由此产生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，对电机传动轴承的损伤也更为严重。

图2 电机系统零序电流示意图

轴电压通过电动机基座、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，由于转轴的旋转在轴承与轴之间挤压出一层厚度极薄的油膜，油膜可以起到润滑、绝缘、支撑的作用。如果轴电压较低，不会产生轴电流。如图3所示，当轴电压增加到一定数值，尤其是在电动机启动时，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达几百安培。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。

图3 轴电流产生示意图

二、轴电流的限值及分析方法

一般通用变频器驱动300kW以下的异步电机时，可以不考虑轴电压的问题；如果驱动300kW以上的大功率电机时，必须对轴电压加以重视，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、润滑脂型号、电机额定转速、共模回路阻抗等多种因素有关。轴电流达10～40A，轴承能运转2 500～1 3000h，如果轴电流达到100A以上，轴承会在极短时间内被烧毁。查阅电机资料：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。根据实践经验，可以参照表1来了解轴电压限值。

表1 电机轴电压对轴承的影响

牵伸线1台800kW西门子电机选用了NU224E轴承，2012～2013年3次因轴电流导致轴承损坏事故。在故障监测中，对电机的轴电压进行了测量并记录。通过表2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。

表2 800kW电机轴电压测试数据

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。

三、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消除轴电流的根源即消除驱动轴承电流的电压源；或增加旁路来改变轴电流的流通路径；或增加阻抗，降低或阻断轴电流3个方面来考虑。在运行维护中，应将工作重点放在轴电流的防治上。

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。

2.加装碳刷

如图4所示，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。加装碳刷B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：由于减速机润滑油温度高，油质变差导致油膜被轴电压击穿，使电机非负荷侧轴电流较之前更大。

图4 传动轴上加装接地碳刷示意图

为了解决上述问题，在电机非负荷侧安装了碳刷支架，固定碳刷A。在电机两侧加装碳刷，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.使用尖峰电压吸收器（SVA）

尖峰电压吸收器是由中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。和具有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。

如图5所示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。

从图5可以看出，SVA安装方式简单，只需并联在电机的接线端U、V、W上。由于采取并联方式安装，不会使电源端产生电压降。SVA通过轴承电流分流器BCD，将轴承电流吸收掉，有效保护电机轴承。

图5 SVA工作原理图

四、结语

通过采取上述3条措施后，牵伸线变频器驱动电机轴电流明显减小，滚动轴承运转寿命恢复正常，电动机运转可靠性显著提升，确保了生产线的安全平稳生产。

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1671-0711（2014）08-0030-03

2014-03-15）