旋转电机轴电流测量技术的比较

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1、旋转 电机 轴 电流测 量技 术 的 比较 雷 蒙德 On g ( 安 大略 ，P e t e r b o r o u g h ， GE3 - - 业 系统 ， I EE E会 员) J H_ 戴 蒙德( 安 大略 ，P e t e r b o r o u g h ，GE_ Y - - ,_ lk系统 ，I EE E高级会 员) R D 芬德利( 安 大略， 汉米敦，Mc Ma s t e r 大学，I EEE会 员) 曹秀萍译 刘 东升校 摘要 电动机 电磁 上 的不对称 会感 应 出电压 ，并产生流经 电机转轴、轴承、轴承座及 电机基座 的轴 电流 。I EE E多相感 应 电动机及 发

2、电机标准 试验 方法详述 了轴 电流， 并提 出 了一种可 以记录轴 电压或轴 电流的测量方法。本文提 出了另一种 测量方法及 其对 大型感应 电机 中轴电流 的判别。 轴 电 流 的测 量 方 法 得 到 了改 进 。 这 些 方 法 包 括分 路 电 流 法 与 Ro g o ws k i 线 圈测 量 法。 只有 这种 Ro g o ws k i 线 圈测量 法才 为我们提供 了一种 精确 的测量 轴 电流 的方法 而 其 它 方 法 要 么 得 出 不精 确 的 测 量 结 果 ， 要 么 会 产 生 其 它 的有 关 电 机 完 整性 问题 。 文章 论 述 了Ro g o ws k

3、 i 线 圈法 的 机理 与 合 理 性 以及 配 套 试验 数 据 。 引 言 磁 不 对 称 会 在 大 型 感 应 电机 的轴 端 间 产 生 电压 。 这 些 不 对 称 会 由于 制 造 过 程 中 电机铁心 的扇形 片拼接， 扇形片 的迭压，转子 的偏心，定、转子表 面直线度， 以及 其它异常 情况 而产生 1 ，2 。有 证据表 明轴 电压 或大或小 地存在于所 有旋 转着的 电机 中 3 ，4 。也有诸 如静 电荷积累 的其它 因素在 一些用到P WM逆变器 的应用 中 会 引起 轴承 电流的可能性 5 。 I EEE标 准 1 1 2 1 9 91 6 叙 述 了 两 端 间

4、轴 电 压 的测 量 技 术 ， 指 出可 以通 过 在 回 路 中的接人 电流计 来测量 轴 电流。正如我们将要通过理论与测量 的方 法所 阐述 的， 此方法得 出的是 不正确 的轴 电流值。被试电机是一 台大型、八极感应 电动机。在最 初 的工厂常规试 验期 间，发 现有油 变色及 轴承损坏情况。对轴承 巴氏合金 的检查表 明带有 圆型亮底 弧 坑特 征 的放 电痕迹表 明与轴 电流有 关 。油在 试验 开始 时是 纯净 的，且 为防止 可能产 生的轴电流 已对轴承 采取 了绝缘措施。试验前后 的轴承绝缘 电 阻都在 1 0 0 0 0 Q以上 ，因此轴承 损坏没有 明显 的理 由。 然而

5、 ，在 轴 二 端 存 在 一 个低 电压 是 可 以想 象 的。 刚启 动 油 膜 建 立 前 ，这 个低 电 压会产 生一个较大 的轴电流。在油膜建立瞬 间，轴 电流 的突然中断将 产生一个很 高 一 68 的感 应 电压分量 ，引起油 膜击 穿，紧接着 是对轴 承 的破 坏 7 ，8 。接 下来 的问题 是设计 一个测量程序 来证实轴 电压确实 出现过，并测定该轴 电压及 它引起 的轴 电流 的 数值 。 I E E E 标 准 1 l 2 中给 出 的标准操作 法，包括 测量二端 间轴 电压 的高阻值 电压表与 测量轴 电流低 阻值 的电流计 的使 用。本文将 阐述上述方法 以及在 此

6、标准 中未提到 的 另 一种 方法 Ro g o ws 线 圈法 的可靠性 。本文 的结论将是 ：Ro g o w s k i 线圈法是 测量轴 电流唯 一可靠 的方法。 试 验 步 骤 第一种方法使 用了一个如图l 所示 的与该轴串联的低 阻移动线 圈式 电流计。 AW G 国 线 规 ) 2 号 电 缆 图l 电流表 法简 图 轴 电流 测量值 随 电缆 线径成正 比地 变化。 电缆线径越 大其 阻值越 低，轴 电流值 就越大。经过 一段 时间的试验后，确定AWG2 号 电缆。 该型号较有利于轴 电流测量 值 的稳定。 电缆是 通过 安装在 轴二端 的炭刷与轴相连 的。然而， 由于 电动机

7、两端安 装Ro g o ws k i 线 圈 以及轴非 驱动 端集 电环 所造 成 的空 间限制，将 l 英寸宽 的铜 辫子线 绕在矩形 木片端 部，再 与AWG2 号 电缆相连稳 固地连 接到轴 的两端。将低 阻值 电流 计接人 回路 以测量轴 电流。这种 由轴 的一端到 电流表再 到轴 的另一端 的接法， 由于 支路里 电阻较低将 产生轴 电流。原标准 中采用的方法是可靠 的! 如果 电机不 因测试 轴 电流而与外界相连，就没有 产生轴 电流的回路， 因为两轴承都是 绝缘 的。 在 Ro g o w s k i 线 圈法 中， 如图2 所示将 两Ro g o ws k i 线 圈套在 轴上

8、，尽量靠近转子 铁 芯二侧。将线 圈的 电压输 出端 与集 电环相 连，然后连到 一个记录仪 上，集 电环与 其它 的接触 均经 绝缘处 理。 从Ro g o ws k i 线 圈至记 录代 的连接 中也 要确保任 何一处 都 不 接 地 。 从 轴 的 一端 至 另 一 端 钻 一 个 直 径 两英 寸 的 轴 孔 。 Ro g o ws k i 线 圈 的 同轴 电缆 穿过 这 个孔至集 电环。 以这种方 式进 一步减小 了干扰 的影 响。如图3 所示将集 电环安装在轴非 传动端 的绝缘衬 套上。为 了降低干扰，所有 的连接 电缆都是 同轴式 的。 一 6 9 图2试验期 间感应 电机 中

9、的Ro g o ws k i 线 圈的位置 图 3试 验 期 间安 装 在 感 应 电 机轴 非 驱 动 端 的汇 流 环 Ro g o ws k i 线 圈 法 机理 Ro g o ws k i 线 圈 由均 匀地绕在无磁性软 管上 的一螺旋 线细 金属线绕成 ，无磁性软 管 的二 头套接在 一起，套在 轴 上时可 以认 为是 一次线 圈为轴 回路 ，二 次线圈 为Ro g o ws k i 线 圈 的空芯 变压器( 在 本例 中为轴) 。它 不 同于 用分 流器 电流计 测量 时的 情况，这里 没有导 电 回路 的干扰。该线 圈感应 电压 与轴 电流 的时间变化率成 正 比。 Ro g o

10、 ws k i 线 圈的简图在 图4 中表示 出。 线 圈横 断面 、 1 。 一一 、 ， 、 、 闭合 周线 ， 、 目 z 戈 ， ：、 J 一 、 ， 、 、 一 l l 、 一 图4 Ro g o ws k i 线 圈 简 图 一 7 0 线 圈的感 应 电压与轴 电流之 间的关系可用下式表示： 1 i = 。-一f e d t ( 1 ) n A 其中：A为线 圈截 面积 。为真 空导磁率 n 为单位长度 的线 圈匝数 对正弦波电流， 电流 峰值I ， 电势峰值E ，频率ca ) ，等式( 1 ) 变为 I = 兰 _ ( 2 ) c o #o nA 相对 闭合线 圈所 围成 的面

11、积，截 面积A是 较小 的。但就 测量 的 回路 而言，校验 Ro g o ws k i 线 圈法测量精度是 重要的。 Ro g o ws k i 线 圈 的应 用 I E E E1 1 2 阐述 了低 阻值 电流计在轴 电流测量 中的应用 ， 电流计 法改变 了轴 电流 的回路，如图5 所示，低阻值构成 了一条支路。 R ( h ,m, a r m me e r r e s i s mc ) 分 流器 电流 计 电阻 ( o r d e r。 f m 、 mQ级 ! L v e E d Oa e o s i t e D 0三n d 萼 蜒 塑 1 0r d e r o f l o o h 皿

12、 S 千 欧 级 一 mme ： I c |上e d 电流表 法 、 1 ： R c o s 心C o i i Me a s u r e me n t Ro g o ws k i 线 圈 测量 图 5试 验 中 电机 的简 化 表 示 法 根据 基 尔 霍 夫定 律 ， 由 图 5 实 线 回路 可 以 得 到 V =I ( R h + Rb + R。 ) ( 3 ) 一 71 电 动 机 线 电 压 轴 电 流 0 2 0 4 0 6 0 8 1 ( 安 培 ) 额 定 电压 额定 电压 额 定 电压 额 定 电压 额定 电压 状 态A 0 1 2 0 1 0 1 1 0 1 5 0 1 4

13、 状 态 B 0 7 2 1 6 0 1 0 5 8 l 6 9 l 2 8 状 态 C 0 7 6 1 3 5 1 0 5 1 9 4 l 1 9 表 格 1 ： 非传 动 端( oDE) Ro g o ws k i 线 圈 测 量 电 动 机线 电 压 轴 电 流 0 2 0 4 0 6 0 8 1 ( 安 培 ) 额 定 电压 额 定 电压 额 定 电压 额 定 电压 额 定 电压 状 态 A 0 1 5 0 1 6 0 1 8 0 1 9 0 1 3 状 态 B 0 7 6 1 6 8 l 1 1 1 9 7 1 5 、 6 状 态 C 0 8 1 1 6 9 1 1 0 2 0 1

14、1 6 8 【 表 格 2 ： 传 动 端 E ) Ro g o ws k i 线 圈 测 量 电 动机 线 电压 轴 电 流 0 2 0 4 0 6 0 8 l ( 安 培 ) 额 定 电压 额 定 电压 额定 电 压 额 定 电压 额 定 电压 状 态 B 0 8 4 1 8 4 1 2 3 2 0 6 1 5 6 状 态 C 0 8 8 1 8 8 1 2 3 2 1 8 1 6 8 表格3 ：电流计测量 电 动机 线 电压 轴 电压 0 2 O 4 0 6 0 8 1 ( 0 t 特) 额定 电压 额定电压 额定 电压 额定 电压 额定电压 状 态 A 0 0 5 0 1 1 0 6

15、3 0 8 6 0 5 1 表 格4 ： 轴 电 压 测 量 - 7 3 - - 20m V ： V ： O 二C= l K J 0 O 0 Y ： _ _ L L V 图6 b A态下DE Ro g o ws k i 线 圈测量 的谱图 l 1 I i I 1 l t 1 盯 1 l I 1 l ll l i l 4 I j j - ； 1 I i l i 一 ；【f I J t ： - j t ” f ； 圳 i f i l ： l ： I _ f ： ； 【 I 。 “ I ； ： ； ； 。 ； Il I I I t I J I l l l l ； f i i I I ；。 。 f l l f S e c o n d s 秒 8 0 0 m 图7 a B 态下 的DE Ro g o w s k i 线 圈测量 ： ：I SO iZz 362 m 图7 b B , , TDE Ro g