变频驱动下电动机侧轴电流分析

由逆变器功率器件IGBT的快速通断形成的陡峭电压边沿通过电动机内的寄生电容产生干扰电流。该干扰电流将流过电动机轴承，当轴电流达到较高值，损坏轴承，减小轴承使用寿命。

如图4-34所示。电动机内部寄生电容框图及其等效电路图，描述了轴电流产生的原因。

图4-33 电缆并联示意图

图4-34 电动机内部寄生电容框图及其等效电路图

C_wh是定子绕组对机壳的寄生电容，C_wr是定子绕组对转子的寄生电容。C_rh是转子对机壳的寄生电容。Z_b定义为轴承阻抗，具有非线性特点。当润滑油膜具有绝缘作用时，轴承阻抗可表达为容性C_b。但随着轴承电压的升高导致润滑油膜击穿，轴承阻抗表现为类似于非线性的电压相关的阻性Z_n。电阻R_b为轴承滑环与滚动组件间的纯电阻性阻抗。

图4-35描述了电动机集成到驱动的方式以及轴电流类型。

图4-35 电动机集成到驱动系统的方式及其轴电流类型

1.环流

正如电动机电缆上的寄生电容极性随变频器输出开关电压边沿变化而变化一样，电动机绕组与机壳之间的电容C_wh的极性也随之变化。由此将在绕组与机壳以及对地都将产生高频容性漏电流。这类漏电流将导致电动机内的磁场不均匀分布，从而感应出高频轴电压V_shaft。当电动机轴承上的润滑油膜的绝缘性寄生电容不能承受轴电压而击穿形成容性环流形成，其路径：电动机轴→非驱动侧轴承（NDE轴承）→电动机机壳→驱动侧轴承（DE轴承）→电动机轴。这样，环流通过机壳在两轴承内形成。环流大小取决于绕组与机壳之间的寄生电容C_wh，所以随电动机轴心高增加而增加，对于轴心高在225以上（包括225）的电动机，此电流为轴电流主要类型。

2.EDM电流

电动机三相定子绕组对地的电压密度通过与转子间的寄生电容C_wr对轴承寄生电容C_b进行充电。电动机轴和轴承上的电压时变特性将是电动机定子绕组三相对地电压的叠加镜像。此电压可通过容性轴承电压比BVR来进行抑制，每相的BVR的计算如下：

电动机轴及轴承上的电压由加在电动机绕组上的三相对地电压与轴电压比BVR的乘积。一般在标准电动机中，轴及轴承上的电压为电动机绕组对地平均电压的5%。

最严重的情况下，当轴电压V_轴承高于润滑油膜的击穿电压时，C_b和C_rh将以很短的高电流脉冲形式放电。这个电流脉冲称为EDM电流（静电放电加工）。

3.转子轴电流

电动机绕组与机壳之间的寄生电容C_wh流过的高频容性“漏电流”所引起的环流必然回流至变频器。若电动机机壳对高频干扰电流不具备良好的接地，那么电动机绕组与接地系统之间，对于高频漏电流来讲呈现高阻抗，从而产生较高的电压降V_外壳。若连接的齿轮箱或驱动机械设备对于高频干扰电流来讲具有良好的接地，那么干扰电流将通过较低的阻抗路径回流，形成回路：电动机轴承上的防护罩→电动机轴→机械耦合装置→齿轮箱或驱动机械设备到接地系统，再到变频器。通过这样的路径，对电动机轴承、齿轮箱以及机械设备的轴电流的抑制非常有效。

4.抑制轴电流的措施

不同的物理现象产生了不同的轴电流类型，十分有必要采用相关措施抑制轴电流以防止设备损坏。下面将介绍相关措施。

对于电动机轴心高在225以上的SINAMICS S120驱动，必须采用的措施：符合EMC安装规范要求，且电动机非驱动侧采用绝缘轴承。这样，就提供了可能由轴电流对轴承造成损坏的保护。

所描述的其它措施尽管是非必要的，然而在极端驱动环境中非常值得采用。特别是在不能满足EMC安装要求的应用中。

如果在实际应用中（比如接地系统不满足要求，或没有采用屏蔽电缆）无法达到EMC安装的相关要求，在变频器输出侧需要加装输出滤波器或电动机两侧都采用绝缘轴承，一侧接地，一侧浮地。这些措施的有效性取决于各部分安装的薄弱点。

（1）驱动系统中满足EMC安装的优化等电位连接(www.xing528.com)

等电位连接的目的在于使所有驱动系统的组件（变压器、变频器、电动机、齿轮箱以及机械设备）处于同一电位，也就是说在同一个接地电位上（PE），可防止由电位差造成的不期望的平衡电流，比如转子轴电流。

良好的等电位体通过将所有的驱动组件连接至设计优良的接地系统中，尽可能地构建最大程度的连接到基础地上的接地网，以提供低频范围内的等电位连接。

对于高频干扰，包括齿轮箱和机械设备在内的整个驱动系统的等电位连接依然重要。

图4-36描述了驱动系统中的每个组件的接地及等电位连接。

请参考等电位连接以及EMC基本原理小节。

（2）电动机非驱动侧采用绝缘轴承

图4-36 抑制轴电流驱动系统中采用等电位连接示意图

除采取相关满足EMC规范要求的安装外，电动机非驱动侧采用绝缘轴承对于抑制轴电流非常有效。

绝缘的NDE通过增加环流路径：电动机轴→NDE轴承→电动机机壳→DE轴承→电动机轴的阻抗可大大减小容性环流。由于环流大小随电动机轴高增加而增加，对于大型电动机来讲，十分有必要在非驱动侧安装绝缘轴承。

在安装编码器时，必须确保编码器与电动机轴承之间的绝缘安装。

（3）变频器输出侧采用电抗器或滤波器

请参考输出电抗器/带VPL的dv/dt滤波器+/正弦波滤波器章节。

（4）电动机轴接地采用接地碳刷

轴接地碳刷由于缩短了轴承与地的距离，可大大减小轴电流。然而，采用轴接地碳刷会带来一些其它问题：比如较小型的电动机无法安装，易受污染，需要较大的维护等。由此，一般对于中低功率范围的低压电动机不推荐采用用轴接地碳刷。

（5）IT系统

在IT系统中，变压器中性点不直接连接到地。本质上，接地连接为纯容性质的，回路阻抗对于流过的高频共模电流形成高阻抗，从而大大减小功率电流和轴电流。对于减小轴电流影响，IT系统较之接地TN系统有优势。

（6）各类轴电流概述

图4-37根据轴高和定转子的接地条件描述了轴电流的类型。

若转子接地良好（通过与接地良好的机械设备直接连接），而定子接地不良，将导致转子轴电流变得很大，从而破坏电动机和机械设备的轴承。通过良好定子接地，以及满足EMC安装要求，并采用绝缘机械耦合连接来避免上述情况的发生。

满足EMC安装要求，同时采用绝缘耦合连接，并在定子良好接地的情况下基本可抑制转子轴电流的产生，而对于轴高不超过100的小型电动机，EDM电流将占主导作用，而环流为次要因素。一般来讲，轴电流较小，无需采取进一步措施。但随着轴高增加，EDM电流仅略微增加，而环流则连续增加。对于轴高超过225的电动机，环流成为主导因素，对轴承的影响很大。所以对于轴高在225以上的电动机推荐在非驱动侧采用绝缘轴承。

从工作原理上，在变频器输出侧采用dv/dt滤波器+VPL或正弦波滤波器，可不采用绝缘轴承。

图4-37 依据轴高与定转子接地条件下的轴电流类型描述