1 引言

现代交流调速系统普遍采用pwm技术，以及具有快速切换频率的电力电子器件，如igbt，其开关频率是传统晶闸管的几十倍以上，在大幅提高系统性能的同时，也给系统带来了大量的谐波，谐波一方面对电网造成电力污染，另一方面对传动设备也带来不利的影响。 

2 谐波与谐波分析

2.1 谐波的产生机理

对于交-直-交变频器，由于采用开关切换技术，其输出不再是正弦波，而是阶梯波。此阶梯波可以分解为正弦基波与高次谐波。如果这些谐波三相平衡，在电机中将产生不同转速的圆形旋转磁动势，但是与基波电流产生的圆形磁动势相比，这些谐波电流在旋转方向、转速和幅值上都不同。输出到电机上的总磁动势可以看作是基波及各次谐波磁动势之和，它不再是圆形的，其速度与幅值随时间而变化，因此产生的电磁转矩含有谐波分量，电机的转速会产生脉动，影响传动精度和增加电机损耗。

在传统交直交变频器中，每个功率元件在输出一个周期中的导通时间θ在2π～3π电角度之间，输出波形如图1所示，为正、负半波对称的阶梯波。图1所示波形用傅立叶级数表示为:

式中，ω1为变频器输出基波角频率，k为变频器输出谐波次数，k=1，3，5，7，…

图1 传统交直交变压变频器电压输出波形

图1中电压波形呈1/4周期对称，在傅立叶级数展开后，系数bk=0，所以式(1)等价于:

根据图1，将式(2)积分展开，得:

由于输出波形对称，所以不存在偶数谐波，故可以令k=2m-1，得，

当2m-1=3，9，15，…时，式(4)等于0，所以除去偶次谐波外，3的倍数次谐波也等于0，只有5，7，11，13，…等6m±1次谐波存在。

对于常用的180°导通型的变压变频器，α=0，其傅立叶级数为:

由此可见，随着谐波次数k的增大，输出的各次谐波幅值以1/k的比例减小。其5次谐波幅值为基波的20%，7次为基波的14.3%，11次为基波的9%，其余依次类推。

现代交流传动广泛地应用了正弦波脉宽调制技术(spwm), spwm技术使输出电压、电流接近正弦波, 但是由于使用了载波对正弦波信号调制, 产生了与载波有关的谐波分量。典型双极型spwm变压变频器的输出波形见图2。

图2 典型双极型spwm变压变频器的输出波形

spwm输出电压的谐波a为: 

spwm变压变频器不存在偶次谐波和3倍数次谐波。spwm变频器在其载波频率及其倍数的频带附近谐波比较多，即当n=1,3,5,…时，谐波出现在k=0,±2,±4,…处;n=2,4,6，…时，谐波出现在k=±1,±3,±5,…处。spwm变频器输出谐波与pwm控制参数有关，如载波比n等(载波比n=载波频率/调制波频率)。提高载波比n可以使变频器的输出波形接近正弦波，但系统中高次谐波仍然存在。变频器谐波与pwm控制模式有关，pwm的模式也有多种，如准最优pwm模式、开关损耗最小pwm模式、sapwm模式。

3 轴电流分析

3.1 低频轴电流

轴电流产生的原因是由于采用了变频技术，或者电机制造中产生的不对称，从而在电机转轴两端产生轴电流。这些轴电流往往频率不高，属于低频轴电流。一般而言，交流传动系统都会产生轴电流，但是大多数系统的轴电流幅值较小，没有达到危害程度。如果系统的轴电流较大，可能会损坏电机轴承，甚至齿轮箱轴承。因为滚动轴承的油膜一般比较薄，对轴电压比较敏感，轴电流流过滚动体与内外圈的细微接触点时，如果电压比较高，内外圈表面的接触面就会出现击穿的痕迹。一般要求滚动轴承的轴电压小于300mv。

3.2 高频轴电流

现代电机设计和制造工艺几乎已经消除了低频轴电流，但是现代交流传动系统由于采用pwm变频供电方式和使用igbt等快速切换元件，所以在轴承上会产生高频电流脉冲。如果这些脉冲的能量足够高，就会损坏轴承，被损坏轴承的形状呈间断的烧伤条纹如图3所示。

图3 轴电流在轴承上产生的烧伤条纹 

电机传动系统的结构示意图如图4所示。

图4 传动系统结构示意图

典型三相正弦电源是平衡的，即三相的矢量和总是等于零。由于前述pwm电源存在谐波，所以pwm电源的三相输出电压的矢量和不为零，导致中性点的电压不等于零，这个电压可以定义为共模电压源。

任何时候，当两个导体通过绝缘体隔离开后就产生电容。例如，电缆的相线与pe线之间有pvc绝缘电容，所以电机绕组与外壳有镀层和片间绝缘有电容。电缆间电容，尤其是电机内部的电缆间电容非常小，小电容意味着对低频的高阻抗，可以阻止低频杂散电流。然而对于高频电流，即使电机内电容很小，也会产生一个低阻抗通道使电流可以通过。

每次三相逆变输出的一相由一种电压状态切换到另一种状态时，会产生一个正比于该电压的电流，通过输出电路所有元件的接地电容流向大地。电流通过接地导体和逆变器的杂散电容流回电源。由于系统不可避免地存在寄生电容，所以在较高的dv/dt下，高频电压会产生容性寄生电流。 

高频轴电流有几种形式，有高频循环电流、轴对地电流、容性放电电流等。

(1) 高频循环电流

定子对地电压vsng含有大量谐波, 其峰值可达±1/2vsourse，由于定子与机座之间存在寄生电容csf，所以存在容性电流，这些容性电流在定子上生成高频磁通，并在电机轴的两端感应出高频电压。如果电压足够高，能够克服轴承油膜的阻抗，就会产生轴电流。这个电流在由轴、轴承、定子机座之间形成回路，称做高频循环电流，见图4中i1。在这种情况下，电机可以看作是一个变压器，流经定子外壳的共模电流可以看作是一次侧，并在转子电路，即二次侧，感应出循环电流。该轴承电流被认为最具危害性。电流幅值取决于电机的额定功率、交流传动功率元件的du/dt和直流电压，典型峰值为3～20a。

由于齿轮箱对地也有寄生电容，所以还存在另一种循环电流，即图4中的i2，它是流经齿轮箱轴和轴承的电流，该电流会对机械设备构成威胁。

(2) 轴对地电流

泄露到定子机座的电流形成轴对地电流，而任何流回去的回路都含有阻抗，因此电机机座的电压相对于电源的地电压升高。如果电机轴是经过齿轮箱接地的，则电机轴承的电压升高。如果电压足够高，能够克服电机传动侧轴承油膜的阻抗，电流就会流过传动侧轴承。该电流就是高频轴对地电流。

(3) 容性放电电流

共模电压的内部电压分量在电机内部杂散电容上会产生轴电压，该电压可能高到会产生高频轴电流脉冲。如果电机的轴没有经过齿轮箱接地, 电机机座是标准接地的话，则容易形成容性放电电流。对于大型交流电机，由于电流较大, 所以感应的轴电流也比较大，据有关文献说明，在轴承处可达数安培/mm2，所以，极易使轴承损坏。

4 高频轴电流的预防措施

4.1 低频轴电流的预防措施

一般来说, 防止高频轴电流产生的常规措施有如下几种:

(1) 增加接地碳刷, 使转轴接地;

(2) 使用绝缘轴承;

(3) 使用对称电缆;

(4) 增加补偿变压器;

(5) 增加绝缘板。

4.2 高频轴电流的预防措施

以下是防止高频轴电流的几种有效措施:

(1) 选择正确的电缆

·必须选用对称的多芯电缆，电缆的接地线(pe，保护接地)必须对称排列;

·电缆的屏蔽层选用铜编制带，因为铜的导电性能优越，屏蔽效果比较好;

·屏蔽层的总截面积应不小于相线的1/2;

·电缆头两端做360°的接头，并分别与变频柜和电机内接地端连接。 

(2) 安装高频滤波器 

只要变频器处的高频谐波存在，就会产生共模电流，所以如果能够对高频电流进行衰减，则可以在源头上抑制轴电流。在变频器的输出线上安装共模滤波器，具体措施为:在三相对称电缆的外面套上滤波器磁环，使高频电流在磁环中被吸收。由于高频电流会产生高频磁场，所以滤波器可以做成非接触式。

一般滤波器有普通电源滤波器和开关电源滤波器。普通滤波器的原理是设计一组扼流圈，2个电感绕在同一磁环上，匝数相等，绕相相反，使两个线圈中流过的共模电流产生的磁通在磁环内相互抵消，从而达到滤波效果。但是普通滤波器的带宽不够，不能消除10khz以上的谐波，对于高频电流，一般采用开关电源滤波器。典型电路如图5所示。

图5 开关电源滤波器的典型电路

开关电源滤波器中的电容一般要求电感值比较小，这样谐振频率高，抑制高频电流的效果好。某线材厂主电机的变频柜内已经安装了共模滤波器，与安装前相比，在电机侧的高频电流值明显有所下降。

(3) 均衡接地电压

由于存在杂散电容，在同一根电缆的屏蔽层(都已接地)上两端(逆变器侧与电机侧)的地电压实际上并非完全一致，这样在电缆上存在压降，就会存在电流。所以，可以考虑均衡接地电压，降低电缆屏蔽层上的压降，从而降低轴电流。具体做法是在现场安装一个共用接地母排，然后将各电机接地端子与之相连接。由于变频柜内的接地线是引自系统总的接地装置，从而将电机与逆变器的接地电压均衡，降低电压降。另外，可以考虑降低电机电缆屏蔽线的接地电阻，使该电缆上部分电流在通过电机轴承之前直接接地，分流流经轴承的电流。

5 结束语

有关高频电流的预防措施研究在国内还不是很成熟，也没有明确的标准来定义高频轴电流的危害程度。而随着大功率、高切换频率功率元件的运用逐渐普及，高频轴电流的危害的加剧，也日益显示出预防高频轴电流措施的重要性。此外各种预防方法的有效性还需要在实践中接受检验。

参考文献 

[1] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统[m]. 北京:机械工业出版社,2001.

[2] 韩安荣. 通用变频器及其应用[m]. 北京:机械工业出版社,2000.

[3] 陈国呈. pwm变频调速及软开关电力变换技术[m]. 北京:机械工业出版社,2002. 

作者简介

张贞宝 工程师 上海交通大学自动化系在读硕士研究生。下载本文