作者簡介：陳嘉騰 德國卡爾斯魯厄理工學院 碩士生

本文按照KIT課堂筆記整理

電機軸電流

在電壓型變頻器驅動電機時會發生一些寄生高頻現象，其取決于電機系統本身的整體條件。由于逆變器du/dt變化，在導線末端會產生高頻電流，它會流經軸承和所涉及到的組件。

在電機中產生的軸電流可以分成三種：EDM火花引起的電流（EMD current），循環電流（Circulation current）和轉子對地電流（Rotor ground  current），參見圖1，圖11和圖12。

循環電流和轉子對地電流是高頻電流，電流主要流經繞組對定子/外殼的寄生電容Cws。EDM電流產生是由于逆變器的共模電壓在電機軸承上產生一個寄生電壓降，當軸承潤滑脂中的擊穿場強超過一定值時就會引起EDM電弧放電。這些現象都會導致軸承內壁產生搓板式的條紋，繼而在電機運行中產生巨大噪音，并可能導致軸承出現不可預測的故障。

在實際應用過程中我們可以通過使用降低逆變器開關器件IGBT的du/dt，采用絕緣軸承，加裝逆變器輸出共模扼流圈和對電機轉子通過碳刷接地來大大降低這些流經軸承高頻電流，但是經由共模電壓引起的軸承潤滑脂絕緣失效的放電很難得到控制。

電機軸電流對軸承的典型損壞

電機軸電流的危害是明顯的，甚至有可能燒毀軸承，所以在設計變流器和電機系統時需要特別考慮，老師詳細講解的共模電壓的問題，也提出了du/dt等參數的影響。

典型的損壞有以下三種

由逆變器共模電壓導致的EDM電弧電流

我們可以通過電機的寄生電容網絡CWR，Crs，Cb和逆變器共模電壓UCM算出電機軸承上的電壓Ub：

在實驗中發現一旦軸承上的電壓（紅色）不能跟隨逆變器的共模電壓（黑色）時，代表著絕緣失效，在軸承上產生了電火花放電，繼而進一步也會產生高頻循環漏電流。

兩電平和三電平共模電壓值

共模電壓和寄生電容是產生軸電壓的原因，老師詳細分析了兩電平和三電平共模電壓值。

三相共模電壓可以通過三相相電壓之和除以3得到。在空間矢量調制方式下，兩電平8種開關狀態中會出現2種共模電壓±1/2Uzk,±1/6Uzk；在三電平27種開關時理論上會有4種電壓0,±1/2Uzk,±1/3Uzk,±1/6Uzk，但實際使用很少出現±1/2Uzk的情況，參見圖8。

為了分析軸電流，我們定義了TCM和Ts

圖9表示了在不同調制比兩電平和三電平各種共模電壓所占的占空比對比。從中我們可以發現：

調制系數與共模分量

在較低調制比下兩電平的1/2Uzk的占比很高，并隨著調制比上升降低，在高調制比下取而代之的是1/6Uzk的共模分量占主導。

對比之下三電平在低調制比下有更少的共模電壓，0電平在低調制比下占主導，1/3Uzk已經1/6Uzk分量也出現的很少。隨著轉速的升高三電平和兩電平的特性會趨于相同。

在實際實驗中我們可以對比發現在三電平拓撲在低轉速下軸電流發生的次數明顯比兩電平少，對應的在低轉速下二電平主導有Uzk/2的共模電壓，三電平只有少量的六分之一Uzk和三分之Uzk共模電壓。隨著轉速升高兩電平和三電平都被六分之一Uzk共模電壓主導，軸電流發生的情況也趨于相同。

du/dt的控制

電壓型逆變器是軸電流產生的根源，表1很好歸納了母線電壓，IGBT的開關頻率和du/dt對各參數的影響。母線電壓Uzk的升高會抬高共模電壓進而增加三種軸電流的產生。增大du/dt對EDM電流沒有直接影響，它會增加循環電流（Zirkular）和轉子對地電流(Rotor-Erd)。

在電機驅動系統中，母線電壓，IGBT的開關頻率是設計參數，一般不會隨意改變，而du/dt與開關器件的動態特性有關，可以得以優化。

IGBT的du/dt與柵極驅動電阻，結溫和開通電流有關，低溫小電流時du/dt更高。要降低du/dt可以用大的驅動柵極電阻，但會犧牲動態損耗。對于電機驅動用IGBT，其動態特性可以在du/dt=5kV/us附近優化，使得這時的開通損耗Eon比較小。譬如英飛凌的IGBT7。

總結

電機產生軸電流的原因有三種，我們也有很多應對的方式。其中我們發現逆變器拓撲的選擇也會影響到電機的軸電流，使用三電平逆變器拓撲在低速下會一定程度上降低逆變器共模電壓在軸承中發生軸電流的次數。此外我們還可以通過優化逆變器中IGBT的du/dt來減小軸電流，從而達到延長電機使用壽命的目的。

參考文獻

Tischmacher, H.:Systemanalysen zur elektrischen Belastung von Wälzlagern bei umrichtergespeisten Elektromotoren.Hannover: Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Diss., 2017, X, 225 S.