地铁车辆牵引电机轴承电压形成机理分析

张 乐　方 亮　郭雪岩　胡志辉　李小满

（中国中车株洲电机有限公司，412001，株洲∥第一作者，工程师）

地铁车辆牵引电机轴承电压形成机理分析

张 乐方 亮郭雪岩胡志辉李小满

（中国中车株洲电机有限公司，412001，株洲∥第一作者，工程师）

摘 要以某类型地铁车辆牵引电机轴承电压为研究目标，通过分析地铁车辆接地系统特别是接地电流路径对电机的影响，确定了地铁车辆牵引电机轴承电压主要由通过轴承的两部分电流（电网接地电流、变频器充电电容电流）产生。对两种电流产生的轴承电压进行分析，并通过现场实测轴承电压波形进行了验证。依据分析的结果，提出了降低地铁车辆牵引电机轴承电压的措施。

关键词地铁车辆；牵引电机；轴承电压

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

对于变频器驱动的电机，轴承电压的产生是不可避免的现象。自2003年以来，国外采用放电总能量来对电机轴承腐蚀程度进行判定［1］。此方法只需要轴承电压作为实测值，从而回避了电流的测量，简化了轴承腐蚀判定的方法。因此，对于电机轴承电压进行分析具有重要意义。由于地铁车辆复杂的电气环境，使得无法简单地判断地铁车辆牵引电机轴承电压的构成及来源，因此需要在地铁车辆牵引电机电气线路环境分析的基础上，依据轴承电压波形，针对分析的结果提出降低轴承电压和轴电流的措施。

1　轴承电压及分类

在对轴承的研究中，常常通过观察电机轴承电流来分析轴承受到的电腐蚀影响。对于变频器驱动的电机，其轴承电流分为轴承电容电流、EDM（电火花放电加工）电流、高频环路电流、转子地电流［2］等。产生这些轴承电流的轴承电压及其一般来源如表1所示。

表1　轴承电压来源

1.1轴承感应电压

在变频器供电和电机定子接地情况下，高频共模接地电流会在电机定子和铁心表面流动，其产生的交变磁通会在电机定子与转子间形成一个高频感应电压。此电压随着电机尺寸、高频共模接地电流和频率的增大而增大。地铁车辆电机尺寸普遍不大，使得轴承感应电压很小，故其在地铁车辆电机轴承电压中不占主要成分。

1.2电机共模电压的分压电压

在变频器供电的情况下，任何一个电机接入三相电压时，都会在电机中性点与电机外壳间产生一个共模电压UY，同时，由于电机定转子间杂散分布电容Ce、轴承电容Cb1和Cb2以及定子绕组与转子间分布电容Cwr的存在，就形成了一个共模电压的电容分压电路（见图1），使得电机轴上产生电压Ub加载在轴承两端。轴电压与共模电压分压比为：

由此可得轴电压（转子未接地时）的计算式为：

图1　电机定转子间共模电压的电容分压电路

可见，轴承上的电机共模电压的分压电压完全由共模电压及电机分布参数决定。由于实际工况下，电机参数为固定值（一般不轻易改变），故在一定共模电压下（但通过改变变频器的调制方式可在一定范围内改变共模电压大小），轴承电压最大值是有下限的。其下限值由式（2）决定。在实际地铁车辆的电机中，可按式（2）在合适的时候计算轴承电压。

1.3转子接地电压

当电机转子接地时（定子悬空不接地），定子上的共模接地电流会通过转子形成一个接地回路，使得轴承两端形成一个接地电压Ubd。其最大接地电压值为：

式中：

Cwf——定子绕组和机壳间的电容。

在实际地铁车辆中，由于接地网络的复杂性，而无法按式（3）来计算轴承电压，为此，需要根据实际的接地网络建立不同的电路模型来进行分析。

2　地铁车辆牵引电机轴承电压组成及变化分析

2.1接地系统分析

当牵引电机装入地铁车辆上时，其定子与转子均是地铁车辆接地回路的一部分，因此，接地回路上的电压会直接影响电机轴承电压。研究地铁车辆接地回路的分布及其上的电流路径，对牵引电机轴承电压的分析有重要的作用。通过对地铁车辆接地回路的分析可知，转子接地轴承电压主要由通过轴承的两部分地电流形成，分别为电网接地电流和变频器充电电容电流。

2.2电网接地电流及其产生的轴承电压

通常，由于变频器的充电电容和滤波电抗器组成了一个低通滤波器，使得电网接地电流只存在低频或直流分量。但是，当地铁车辆牵引电机处于起动或制动状态时，此电流变得十分大（几百安培），从而在接地回路（即使这些地方的阻抗十分小）上产生很大的对地电压Uc。在电机转子轴接地时，此电压在合适的条件下会叠加到电机轴承两端，从而推高轴承电压幅值。Uc可由式（4）计算：

式中：

Id——接地共模电流，可测量；

Rg——地铁车辆的接地回路电阻，包括了接地线电阻Rgc和接地碳刷电阻Rb；

Lg——地铁车辆的接地回路电感，主要为接地线电感；

ω——接地共模电流的角频率。

通过分析地铁车辆的接地回路，可以得到与轴承连接的接地回路的集总参数模型，如图2所示。其中，Rr为变频器接地汇流排与电机外壳间的限流电阻，Lr为限流电阻的电感，Cr为限流电阻的分布电容，Lc为限流电阻到电机外壳上的长连接线分布电感。由图2可以看出，Uc通过接地回路在电机轴承上产生一个分压Ub1。

图2　电网接地电流产生的对地电压所影响的电路集总参数模型（转子轴直接接地时）

当电机处于启动后期或制动前期时，由于齿轮箱内齿轮间的油膜处于不稳定状态，转子轴与车轮形成了短时的直接电连接，Uc对电机定转子间分布电容Crf进行充电（由于轴承外圈绝缘层的影响，使得Crf在电机处于启动后期或制动前期时总是存在和发生变化，而不会有定转子直接短路的现象），使得轴承两端电压Ub1=Uc，当转子轴与车轮间的电连接断开时，充电电容电流导致的轴承电压Ub2便会叠加在Ub1上。

图3为实测到的由电网共模电流所产生的轴承电压Ub1叠加在充电电容电流导致的轴承电压Ub2上的波形。

图3　制动前期转子轴与车轮短时连接、断开时，电网共模电压导致的轴承电压波动

2.3变频器充电电容电流及其产生的轴承电压

一般来说，变频器电容输出的高频电流绝大部分会通过其经过路径的分布电容回流至变频器电容负极。由于电机转子轴接地，就为高频电流提供了一条通过接地回路回流到变频器充电电容负极的路径。如果其他回流路径的阻抗变大，会导致电机外壳到充电电容负极间的电压升高，从而提升轴承两端的电压。

实际中，充电电容电流导致的轴承电压并非固定不变，而是会随着地铁车辆运行状态发生变化。

2.3.1电机处于额定转速运行时充电电容电流产生的轴承电压

当电机处于额定转速运行时，在齿轮箱内的齿轮间会形成一个油膜电容，阻断了转子轴与车轮的电连接。按图3可得到充电电容电流在与轴承有关的电流路径上的集总参数模型，如图4所示。

由图4可以看出，当线路上的阻抗很小时（实际也是如此），充电电容电流导致的轴承电压Ub2完全由定转子间分布电容Crf（此时Crf为一个固定值，可在实验室测出）及绕组和转子间分布电容Cwr来确定。在已知电机共模电压UY的情况下（可直接在现场试验中测出），Ub2由式（2）直接求得。图5为实测的此时轴承电压波形。

2.3.2电机处于启动前期或制动后期时充电电容电流产生的轴承电压

当电机处于启动前期或制动后期时，齿轮箱内齿轮间的油膜消失，转子轴与车轮形成了长时间的直接电连接，此时集总参数模型如图6所示。

图4　电机以额定转速运行时充电电容电流在与轴承有关的电流路径上的集总参数模型

图5　电机以额定转速运行时由充电电容电流产生的轴承电压波形

图6　电机处于启动前期或制动后期时充电电容电流在与轴承有关的电流路径上的集总参数模型

由图6可以看出，UY通过Cwf和Crf、Lg和Rg产生分压至轴承两端，但是由于变频器接地线和车轴碳刷上阻抗影响，使得电机轴承上充电电容电流导致的轴承电压不能由式（2）直接求得。将测量到的各个参数代入图6的模型，可算出并绘制如图7 的Ub2∕UY的传递函数频谱分布图。

图7　电机定子绕组对电机轴承的电压传递函数频谱图

从图7中可以看出，有一个谐振频率点。由于变频器输出的共模电压均为方波或多阶梯的方波，特别是当电机处于制动状态时，变频器会改变调制方式，使其输出的共模电压变为图8所示的高压方波。当这些方波的边沿时间的倒数小于谐振频率点时，就会在轴承两端出现严重的振荡电压（见图9）。

图8　电机处于制动后期时变频器输出的共模电压波形

图9　电机处于制动后期时由充电电容电流导致的轴承电压波形

3　降低地铁车辆牵引电机轴承电压的措施

通过以上分析，可以得到多个降低地铁车辆牵引电机轴承电压的措施。由于实施的成本所限，仅介绍通过改进接地网络来降低地铁车辆牵引电机轴承电压的方法。

3.1降低电网接地电流产生的接地电压

电网接地电流产生的对地电压会对牵引电机定转子电容充电而叠加到轴承两端。降低此对地电压可采用以下两种方法：

（1）分流电网接地电流。将电网接地电流通过多个接地点连接到钢轨，由于电网接地电流总量是一定的，从而降低了单个接地点上的电流。

（2）降低对地电压在电机轴承上的分压。此方法需对地铁车辆接地系统进行一定的修改，通过减小与牵引电机定子相连的等电位点上的电压来达到目的。

3.2降低充电电容电流产生的轴承电压

根据图6，降低充电电容电流产生的轴承电压可从以下两方面来解决：

（1）减小牵引电机定子到充电电容负极的阻抗。这样将减小UY通过Cwf和Crf、Lg和Rg产生至轴承两端的分压。

（2）减小牵引电机定转子间的电感，将谐振周期提高到大于变频器输出的共模电压边沿时间，以有效减小在轴承两端的谐振电压峰值。采用图10所示的修改，可将定转子间的电感由变频器接地线电感Lg减小到电阻R1上的电感以下。

图10　改进后的充电电容电流在与轴承有关的电流路径上的集总参数模型

将测量到的各个参数代入图10的模型，可算出Ub2∕UY的传递函数频谱分布（见图11）。

图11　按照图10修改后的电机定子绕组对电机轴承的电压传递函数频谱图

由图11可见，其阻抗峰值点已经向高频点移动了很大的距离。需要注意的是，此方法必须配合变频器的共模电压滤波才能有效，否则需要不断减小R1及其线路上的电感，直到阻抗谐振频率超过变频器输出的共模电压边沿时间的倒数。

3.3其它改进措施

（1）改善齿轮箱内齿轮润滑油性能和牵引电机轴承内润滑脂性能，使得在地铁车辆起动和制动时，齿轮和轴承油膜阻抗都能比较稳定，从而减小Uc对Crf反复充电的次数，并在Crf反复充电过程中使得轴承上的油膜无法形成，导致叠加在Ub1上的Ub2很小。

（2）改进变频器的调制方式，降低共模电压并减少共模电压方波区的持续时间。

（3）变频器输出加入d v∕d t滤波器，延长电压的边沿时间，降低变频器输出电压的谐波带宽。

（4）在电机轴上加入分流碳刷，直接降低轴承两端电压。

参考文献

［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.

［2］ MUETZE A.Bearing Currents in Inverter-Fed ACMotors dissannette［D］.Hesse-Darmstadt：Technical University Darmstadt，2004.

Analysis of the Formation Mechanism of Metro Traction Motor Bearing Voltage

Zhang Le，Fang 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

中图分类号TM 303.5：TM 922.71

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.026

收稿日期：（2015-08-04）