WXRedian | CES电气 | 北京交通大学等单位陈立珂、刘瑞芳等：电缆参数对变频驱动电机轴电压和轴电流的影响

针对变频器-电缆-感应电机系统中共模电压引起电机轴承电腐蚀问题，本文给出了一种变频器-电缆-电机系统的轴电流模型及参数提取方法，研究了电缆类型及长度变化对系统阻抗曲线的影响规律。为了验证模型的准确性，搭建了电机电缆组合系统轴电流测试平台，测试结果与仿真结果的对比证明了仿真模型及参数提取的准确性。

研究背景

当逆变器输出共模电压经较长线缆传输时，可能带来电缆和电机谐振，会使得共模电压及共模电流幅值增大，高频成分更加丰富，进而诱导电机轴电压和轴电流增大，影响更严重。电缆参数发生变化时会导致与电缆相连的电机轴电压发生变化，进而轴承电蚀程度发生变化。

针对上述问题，北京交通大学轴电流课题组依托中央高校基本科研业务费专项项目（2022YJS158）、北京市自然科学基金（3222055）和2021年高功率高效电驱动总成系统开发及产业化项目（TC210H02Q）项目，对变频驱动电机电缆组合系统轴电压展开了建模、仿真和测试研究，进一步探讨了电缆参数变化对电机轴电压和轴电流的影响，为变频系统电缆设计对轴电流和轴电压的抑制方案提供理论依据。

论文所解决的问题及意义

本文针对变频驱动系统电缆参数对感应电机轴电流影响机理开展研究，建立电缆和电机轴电流等效电路，研究电缆-电机系统轴电流产生的机理，分析电缆寄生参数对系统模型阻抗的影响，确定关键电缆寄生参数，对提出有效的轴电流抑制方案有重要的意义，可以为变频系统电缆设计、选型，对轴电流轴电压的抑制方案提供依据。

论文方法及创新点

1）变频电机轴电流测试方案

图1 实验测试示意图

以一台5.5kW感应电机为研究对象，在地面上搭建测试平台，测试共模电压、定子接地电流、轴电压和轴电流。实验测试示意图如图1所示。实验前需要对电机进行改造：

①电机机壳接地螺栓位置使用一根铜导线，引出机壳测量点以便测试共模电压和轴电压；

②对电机进行改装，将普通轴承替换成陶瓷球轴承。改造完成后，测量电机绕组中性点与机壳之间的电压，即共模电压V_com；测量机壳和转轴之间的电压，作为轴电压V_b；；测量流过轴承座绝缘层短接线的电流，即轴电流I_b；测量流过电机接地线上的电流，即定子接地电流I_g。

实验测试主要涉及两种接地方式，如图2所示。

接地方式一：采用屏蔽电缆，屏蔽层分别接变频器机壳和电机机壳，变频器接地；

接地方式二：采用非屏蔽电缆，电机机壳与变频器分别接地。

图2 屏蔽电缆和非屏蔽电缆下的接地方式

以上仅介绍基本的测试原理及方法，在实际测试时需要根据电机的结构选择合适的测点。

2）系统建模

变频驱动系统中，电机经电缆与变频器相连接，变频电机驱动系统采用屏蔽电缆时的示意图如图3所示，电机电缆系统等效电路如图4所示。其中，电缆参数主要由高频下电缆串联电感L_s、导体缆芯和屏蔽层之间的寄生电容C_p和寄生电阻R_s组成，寄生电阻表现为电缆的交流损耗特性。

电机内部主要存在三种杂散电容，定子绕组与定子铁心之间的电容C_wf，定子绕组与转子之间的电容C_wr，定子铁心与机壳之间的电容C_rf。此外，L_CM和R_e分别为共模电感和涡流电阻；C_b,d和C_b,nd分别为轴承驱动端和非驱动端电容。

图3 变频电机驱动系统采用屏蔽电缆时的示意图

图4 电缆电机系统轴电流等效电路

3）系统共模回路参数提取

为了提取电缆和电机系统模型参数，采用阻抗分析仪对电缆进行开路短路测试，电缆阻抗特性测试接线图如图5所示。对电机进行共模阻抗测试和差模阻抗测试，电机阻抗特性测试接线图如图6所示。在电机静止时，将电机底部用绝缘隔离，测试定子绕组三相短接点与机壳之间的阻抗，即为共模阻抗。差模测试则是指电机定子绕组任意两相短接点与第三相之间的阻抗测试。

图5 电缆阻抗特性测试接线示意图

图6 电机阻抗特性测试接线示意图

采用绝缘端盖将转子与机壳分离，采用LCR表测量三相绕组短接点“W”、转子“R”和机壳“F”两两之间的端口电容C₁、C₂和C₃。利用图7电路，根据端口电容提取电机内三个杂散电容。

图7 端口电容等效电路

4）不同电缆对电缆-电机系统阻抗曲线的影响研究

电机电缆共模回路简化模型如图8所示。

图8 电机电缆共模回路简化模型

系统的共模回路谐振频率f₀为

将3m非屏蔽电缆、3m屏蔽电缆、10m屏蔽电缆分别与5.5kW感应电机相连，在1kHz～1MHz频段下进行了共模、差模阻抗测试，测试结果如图9所示。

(a)电缆-电机共模端口阻抗特性曲线

（b）电缆-电机差模端口阻抗特性曲线

图9 不同电缆与电机组成系统时的共模、差模测试

从电缆-电机系统共模、差模端口阻抗特性曲线中，可知屏蔽电缆或者长度增加会使得共模Z_CM、差模系统阻抗Z_DM减小，阻抗曲线下移，谐振点频率f_CM和f_DM向左移动。电缆长度、屏蔽与非屏蔽会影响电缆阻抗参数的变化，这种变化的根本原因是电缆模型寄生电容参数的变化。

5）模型验证

将提取的系统模型参数带入共模模型，进行仿真。从结果来看，共模电压、轴电压和定子接地电流的测试结果与仿真结果在数值上相差不大，仿真波形与测试波形能够较好的吻合，从而验证了模型的准确性。

图10 仿真和实测波形对比

6）电缆参数对轴电压和轴电流的影响研究

不同电缆模型参数对电机轴电压和轴电流的变化有一定的影响。电缆参数对电机轴电压、轴电流和定子接地电流的影响如图11和图12所示。屏蔽电缆使得定子接地峰峰值电流增大近25%，屏蔽电缆下的定子接地电流在高频段要低于非屏蔽电缆，说明采用屏蔽起到了抑制高频干扰的效果；10 m电缆长度比3 m电缆定子接地电流峰峰值增大近14%。

因此，通过更换电缆类型或者改变电缆长度、布局来适当增大线缆寄生电容参数，在合理范围内采用较长的屏蔽电缆在一定程度上可以抑制EDM轴电流，降低轴承电蚀带来的负面影响。

图11 电缆类型和长度对电机轴电压、轴电流和定子接地电流的影响

图12 屏蔽与非屏蔽电缆下定子接地电流频谱对比

结论

本文针对变频驱动系统电缆参数对感应电机轴电流影响机理开展研究，建立了电缆和电机轴电流模型及参数提取方法。通过进行精确参数测试，对不同类型和长度电缆下电机轴电压和轴电流进行建模仿真及测试，得出以下结论：

1）电缆寄生电容是影响电机轴电压和轴电流的关键参数。寄生电容参数增大可以降低电机轴电压和轴电流。

2）相比非屏蔽电缆，屏蔽电缆会增大电缆寄生电容参数，共模电路阻抗降低，使得电机定子接地电流增大，循环轴电压升高。

3）对于长度不会引起电压反射的电缆而言，电缆长度增加会使电机定子接地电流增大，轴电压和轴电流会降低，电缆模型阻抗参数能够承受一部分压降，进而抑制轴电流。

团队介绍

由北京交通大学刘瑞芳教授牵头的轴电流课题组长期围绕变频供电交流电机轴电流的产生机理、预测模型、抑制方法和测试技术进行研究。主持/参与国家/省部级项目 18 项，发表高水平论文 80 余篇，授权国家发明专利 7 项。研究成果应用于解决风力发电、轨道交通和新能源汽车领域的电机轴承电蚀问题。

刘瑞芳

北京交通大学电气工程学院教授、博导

研究方向：电力电子与电机系统集成分析

陈立珂

北京交通大学电气工程学院硕士

研究方向：电力电子与电机系统集成分析

本工作成果发表在2024年第15期《电工技术学报》，论文标题为“电缆参数对变频驱动电机轴电压和轴电流的影响“。本课题得到中央高校基本科研业务费专项项目、北京市自然科学基金和2021年高功率高效电驱动总成系统开发及产业化项目的支持。

引用本文

陈立珂, 刘瑞芳, 李知浩, 张亮亮, 李伟力. 电缆参数对变频驱动电机轴电压和轴电流的影响[J]. 电工技术学报, 2024, 39(15): 4755-4766. Chen Like, Liu Ruifang, Li Zhihao, Zhang Liangliang, Li Weili. The Influence of Cable Parameters on the Bearing Voltage and Bearing Current of the Variable Frequency Drive Motor. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(15): 4755-4766.

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北京交通大学等单位陈立珂、刘瑞芳 等：电缆参数对变频驱动电机轴电压和轴电流的影响

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