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地铁电机轴承电腐蚀

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本文引自中国中车株洲电力机车有限公司的铁电机轴承电蚀故障分析及对策文章

轴承中有电流存在是轴承发生电腐蚀的必要条件。根据GB20161-2008《变频器供电的笼型感应电动机应用导则》 (IDTIEC 60034-17-2006),轴承电流产生的原因主要有以下两种。

    1. 电机本身结构原因

    当电机由正弦波供电时,电机定子轭部环路磁通会在由轴、轴承、端盖和机座组成的闭合导电回路中产生轴电压。当轴电压超过500 mV(峰值),有可能在上述环路中产生环流,在相对短的时间内损害轴承。该环路磁通是由定子轭部的不对称引起的。针对这种原因产生的电腐蚀可以一端或者两端采用绝缘轴承来有效地阻断轴电流。

    2. 电压型变频器供电原因

    当电动机由电压型变频器供电运行时,会存在一个全新的轴承电流源,即所谓的高频共模电压。

    2.1 PWM变频器产生的高频共模电压

    两电平电压源型变频器在常规的PWM控制方式下,输出端 U、V、W 输出的电压尽管相位互差 120,但三者之和并不为零 ,即存在很高的共模电压(也叫零序电压)。高频共模电压会在电动机转轴上感应出高的轴电压,并形成轴承电流,使电动机的轴承在短期内造成电气原因的损坏,缩短电机使用寿命。

    2.2 PWM输出电压脉冲的dv/dt

    由于PWM技术所固有的脉冲性质,PWM变频器输出的电压脉冲在很短时问内快速上升或下降,即存在很高的电压变化率 dv/dt,如对于常用的绝缘栅双极晶体管IGBT,其 dv/d t最高可达20 000 V/ p ,当高频的dv/d t作用在电机内部的寄生电容

上时,不仅会产生充放电电流,而且还会由于电容的累积作用使得转子轴电压升高。

    2.3 共模电路模

    共模电压是因变频器的拓扑结构和控制方式而固有的,它特别包含了与输出电压的谐波分量有关的频率分量。三相共模电压是相同的,可以看做是电压的零序分量。轴承电压Ubrg是共模电压Ucm 的镜像,当轴承电压超过30 V 时,会产生短时的放电电流(EDM电流),造成轴承的蚀损。共模电压的幅值与共模电流的阻抗(尤其是电抗)有关,共模电流最终流到逆变器的中心点。共模电流流经轴承有以下3 种途径:①流经与相同回路的环流可由高频环路磁通引起,与定子轭部的不对称性无关 ,而与电流流经绕组和铁心之间的电容有关。②如果电机轴端的电位更接近于逆变器的接地地位而非电机机座电位,脉冲式的电容电流将流经电机轴承,尤其是驱动端轴承。③如果定子铁心和机座能很好接地,存在于轴承径向间隙的电容耦合产生能被测量的所谓轴承电压,轴承电压为共模电压的镜像。共模电压的大小与定子绕组与转子之间的电容、转子与机座之间的电容以及轴承本身的电容有关。如果轴承电压超出其击穿电压值,还会出现短时的放电电流(EDM)。放电电流的重复频率随轴承电压数值和脉冲频率的增加而增加。

    3. 抑制轴承电腐蚀建议措施

    3.1 选择合适的逆变器负极EMI电容

    3.2 改变接地方案

    3.3 逆变器侧增加滤波器

    3.4 采用绝缘性能更高的轴承,但需要评估齿轮箱电腐蚀的风险

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