黃初平 謝述武 鐘武凌

(1.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，518041，深圳； 2.深圳市億斯泰科技有限公司，518063，深圳//第一作者，工程師)

深圳地鐵部分車(chē)輛的3款電機(jī)集中出現(xiàn)了軸承滾珠嚴(yán)重磨損和剝離、保持架碎裂及內(nèi)外圈滑道磨損等故障。根據(jù)第三方檢測(cè)分析報(bào)告，其故障原因不同程度地與軸承電腐蝕有關(guān)，見(jiàn)表1。

文獻(xiàn)[1]指出，25%的電機(jī)軸承損壞是由脈寬調(diào)制逆變器供電引起的軸電流所導(dǎo)致的。軸電壓的存在是軸承電腐蝕的重要原因，為此，深圳地鐵有關(guān)部門(mén)重新認(rèn)識(shí)到軸電壓產(chǎn)生的危害，開(kāi)始測(cè)量軸電壓的大小，并探索抑制牽引電機(jī)軸電壓的措施。

表1 深圳地鐵車(chē)輛牽引電機(jī)軸承故障第三方檢測(cè)結(jié)果

1 軸電壓的產(chǎn)生和危害

變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用高頻率IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)開(kāi)關(guān)控制，勢(shì)必在電機(jī)上感應(yīng)產(chǎn)生共模電壓；而共模電壓作用于電機(jī)繞組，通過(guò)電機(jī)中的寄生電容[2](見(jiàn)圖1)形成共模電流通路，進(jìn)而在軸承油膜兩端(軸承內(nèi)、外圈)形成軸電壓。

圖1 感應(yīng)電機(jī)的耦合電容模型

當(dāng)軸電壓突破油膜閥值電壓時(shí)，軸承上將會(huì)放電。放電產(chǎn)生的短路電流會(huì)在短時(shí)間產(chǎn)生巨大的熱量，從而造成擊穿點(diǎn)附近金屬熔化，引起電火花加工 (EDM)凹坑、電腐蝕斑點(diǎn)和凹槽損傷[2]，使軸承內(nèi)外圈滑道產(chǎn)生早期損傷。長(zhǎng)期積累損傷會(huì)損壞軸承，最終造成軸承失效。

2 抑制軸電壓的措施

2.1 調(diào)整接地阻抗

文獻(xiàn)[3]指出，電機(jī)定子經(jīng)過(guò)接地線(xiàn)接地，其接地阻抗不可忽略；同時(shí)，轉(zhuǎn)軸經(jīng)負(fù)載(如齒輪箱等)接地，會(huì)形成一個(gè)新的入地通路。此時(shí)，電機(jī)機(jī)殼接地阻抗和轉(zhuǎn)軸接地阻抗同時(shí)存在，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化。上述接地阻抗與軸電壓呈現(xiàn)出V型曲面關(guān)系，如圖2所示。

圖2 接地阻抗與軸電壓的V型曲面關(guān)系

當(dāng)電機(jī)機(jī)殼接地阻抗和轉(zhuǎn)軸接地阻抗同時(shí)存在時(shí)，PWM變頻系統(tǒng)共模等效電路構(gòu)成了惠斯通橋電路。此時(shí)軸電壓是電橋移動(dòng)的結(jié)果，且存在一個(gè)軸電壓較小的范圍。

因此，為獲得更小軸電壓可作以下調(diào)整：①調(diào)整牽引電機(jī)機(jī)殼到接地碳刷的接地阻抗；②調(diào)整牽引電機(jī)轉(zhuǎn)軸經(jīng)聯(lián)軸節(jié)及齒輪箱到軸端接地碳刷的接地阻抗。

2.2 旁路軸承(引入接地環(huán))

接地環(huán)本質(zhì)上是短路環(huán)，核心材料是呈圓周布置的高性能導(dǎo)電纖維，其外圍是鋁合金框架(如圖3所示)。

圖3 接地環(huán)

在實(shí)際工程應(yīng)用中，越來(lái)越多的電機(jī)采用絕緣軸承(軸承外圈與安裝座絕緣)，因此無(wú)法直接短接軸承內(nèi)外圈。本文將使用接地環(huán)將電機(jī)外殼與轉(zhuǎn)軸短接，從而改變電容模型，嘗試降低軸電壓。

文獻(xiàn)[3]中建立的電容模型，將增加Cbf(絕緣軸承外圈與定子的電容)。增加接地環(huán)后的感應(yīng)電機(jī)等效電路如圖4所示。

圖4中，當(dāng)共模電壓不變并引入接地環(huán)(增加阻抗Z接地環(huán))后，軸電壓Ub也將隨之降低。

針對(duì)絕緣軸承，因無(wú)法直接測(cè)量?jī)?nèi)外圈電壓，業(yè)界將安裝座與軸直接的電壓Ub1也習(xí)慣稱(chēng)為軸電壓，并將其作為衡量軸承內(nèi)外圈的電壓大小的參數(shù)。很顯然，Ub

圖4 增加接地環(huán)后的感應(yīng)電機(jī)等效電路

3 調(diào)整接地阻抗來(lái)抑制軸電壓

本研究在深圳地鐵5號(hào)線(xiàn)某型列車(chē)上開(kāi)展試驗(yàn)，通過(guò)改變牽引電機(jī)外殼至軸端碳刷之間的接地阻抗來(lái)實(shí)現(xiàn)抑制軸電壓的目的。

3.1 YQ-190-5牽引電機(jī)概況

試驗(yàn)車(chē)輛采用YQ-190-5牽引電機(jī)，其接地路徑為“牽引電機(jī)→轉(zhuǎn)向架→車(chē)體→軸端接地”(如圖5所示)，與性能參數(shù)相近的龐巴迪系列車(chē)型的“牽引電機(jī)→轉(zhuǎn)向架→軸端接地”路徑不一致。

該型列車(chē)的接地電容為54.00 μF，與之性能參數(shù)相近的龐巴迪系列某型列車(chē)接地電容為3.90 μF。

3.2 測(cè)試方案

依據(jù)文獻(xiàn)[3]，通過(guò)調(diào)整接地阻抗來(lái)抑制軸電壓，主要可采取3方面措施。

措施一： 將接地路徑從原來(lái)的“牽引電機(jī)→轉(zhuǎn)向架→車(chē)體→軸端接地”改為“牽引電機(jī)→轉(zhuǎn)向架→軸端接地”，縮短了接地路徑。

措施二： 增加(并聯(lián))了30 mΩ的接地電阻。

措施三： 將接地電容從54.00 μF分別調(diào)整至0.50 μF、0.68 μF和1.00 μF。

電機(jī)軸承電壓測(cè)試點(diǎn)如圖6所示的。其中，測(cè)試點(diǎn)1的引出線(xiàn)由測(cè)試工裝(自制碳刷)實(shí)現(xiàn)。測(cè)試用示波器品牌是日本橫河，型號(hào)為YOKOGAWA DL850(精度0.5%)，測(cè)試用探頭為電壓探頭(精度1級(jí))，線(xiàn)纜為同軸線(xiàn)纜。

3.3 測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)試了列車(chē)在3個(gè)速度等級(jí)下，100%牽引和快速制動(dòng)工況下的最大軸電壓峰值。本文研究只選取列車(chē)運(yùn)行速度等級(jí)為40 km/h的數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2)。

圖5 深圳地鐵5號(hào)線(xiàn)某車(chē)型接地電路

圖6 軸電壓測(cè)試接線(xiàn)示意圖

由表2可見(jiàn)，在改變接地電阻后，軸電壓峰值從128 V降至95 V；在單獨(dú)改變接地電容大小后，軸電壓峰值降至85 V；在采取綜合措施后，軸電壓峰值降至82 V，降幅達(dá)35.9%，抑制效果明顯。

表2 40 km/h速度等級(jí)100%牽引和快速制動(dòng)工況下的最大軸電壓峰值

4 引入接地環(huán)來(lái)抑制軸電壓

根據(jù)上述分析，在牽引電機(jī)型號(hào)分別為1TB2010-1GA02和YQ-190-5的兩列列車(chē)上引入接地環(huán)，并開(kāi)展試驗(yàn)。

4.1 1TB2010-1GA02電機(jī)引入接地環(huán)前后的軸電壓

4.1.1 測(cè)試方案

如圖7所示，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)端，利用端蓋與聯(lián)軸節(jié)之間的間隙，加裝絕緣板固定接地環(huán)(接地環(huán)內(nèi)徑為φ80 mm與軸頭外徑要相適應(yīng))，并從接地環(huán)引線(xiàn)至電機(jī)外殼接地螺栓處，待連接(圖7中表示為開(kāi)關(guān)K)。在電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端，制作工藝端蓋并安裝碳刷緊貼電機(jī)軸頭，碳刷引線(xiàn)至數(shù)字示波器V1(品牌為AEGIS，型號(hào)為AEGIS-OSC-9100，采樣周期為50 μs)；V1另一端連接至電機(jī)外殼接地螺栓。為更系統(tǒng)地研究引入接地環(huán)后電壓對(duì)齒輪箱的影響，試驗(yàn)還會(huì)測(cè)量齒輪箱電壓U2。

4.1.2 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)測(cè)試，運(yùn)行速度等級(jí)為40 km/h的列車(chē)在100%牽引、勻速惰行和快速制動(dòng)工況下的最大U1峰值如表3所示。

由表3可見(jiàn)，引入接地環(huán)后，U1峰值從84.8～110.4 V，下降到22.0～38.8 V，平均下降幅度為70.4%，抑制效果明顯。U2也有下降。

4.2 YQ-190-5電機(jī)引入接地環(huán)前后的軸電壓

YQ-190-5電機(jī)的相關(guān)測(cè)試與TB2010-1GA02電機(jī)測(cè)試相似，在此不再贅述。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

圖7 1TB2010-1GA02牽引電機(jī)引入接地環(huán)的測(cè)試方案

表3 1TB2010-1GA02牽引電機(jī)40 km/h速度等級(jí)引入接地環(huán)前后的軸電壓

表4 YQ-190-5牽引電機(jī)40 km/h速度等級(jí)引入接地環(huán)前后的軸電壓

由表4可見(jiàn)，引入接地環(huán)后，U1峰值從77.6～85.6 V，進(jìn)一步下降到14.8～17.2 V，平均下降幅度為80.4%。U1得到有效抑制。而U2峰值在引入接地環(huán)后出現(xiàn)大幅下降。這表明引入接地環(huán)能更好地保護(hù)齒輪箱齒輪和軸承。

5 結(jié)語(yǔ)

深圳地鐵有關(guān)部門(mén)針對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中軸電壓對(duì)牽引電機(jī)造成的軸承電腐蝕問(wèn)題，已開(kāi)始采取引入接地環(huán)、改變接地阻抗等措施來(lái)抑制軸電壓。一系列的試驗(yàn)結(jié)果證明，通過(guò)調(diào)整接地阻抗和引入接地環(huán)兩種方式，都可有效降低牽引電機(jī)的軸電壓，避免電機(jī)軸承早期損傷，降低了電腐蝕的影響，從而達(dá)到延長(zhǎng)軸承使用壽命的目的。