堿洗電機故障分析

周 煒，鄒遠華，彭子兵

（江西銅業(yè)集團公司 鉛鋅金屬有限公司，江西 九江 332500）

堿洗電機故障分析

周 煒，鄒遠華，彭子兵

（江西銅業(yè)集團公司 鉛鋅金屬有限公司，江西 九江 332500）

軸電壓、軸電流一直以來不被人們所重視，隨著國際、國內對軸電壓、軸電流的研究越來越熱，這一問題逐漸被人們所重視。事實證明軸電壓、軸電流對電機軸承的危害是極大的，如果處理不好，會造成嚴重的設備事故。江銅鉛鋅金屬有限公司的兩臺電機就是軸電壓、軸電流對電機軸承損害最好的實例。

軸電壓；軸電流；PWM逆變器；共模電壓；靜電耦合；電磁感應

1 引言

江銅鉛鋅金屬有限公司堿洗的兩臺風機的電機，功率都是560kW，電壓都是10kV，功率因數都是0.89，這兩臺電機在大修期間把運行方式改為變頻調速。并在大修后都出現故障。1#電機軸承異音，經查新?lián)Q的軸承滾珠及滾道上面有電擊傷痕，2#電機軸承直接燒毀。1#電機故障先于2#電機幾天發(fā)生。

1#電機故障發(fā)生時大家一致認為的故障原因是電焊機焊接回路流經軸承引起的。2#電機故障的原因到現在眾說紛紜，尚無定論。但是基這兩臺電機的故障都是單獨分析，沒有把這兩臺電機做為一個整體來考慮。也就是說沒有考慮到兩臺電機的故障是不是同樣的原因造成的。

為了弄清這個兩個電機損壞的真正原因，我們不妨先了解一下軸電壓、軸電流的相關知識。

對于電機軸電壓及軸承電流早在20世紀20年代就已經被人們認識和研究，當時的認識和研究主要是在工頻電壓下電機內部磁場的不對稱所產生的軸承電壓及電流，并因此而不斷改進電機的設計及制造。而隨著 PWM 逆變器供電的大量應用，交流電機的性能得到了大大的提高，但同時也對電機產生了負面影響。大量研究表明，PWM逆變器供電下電機軸承的“軸電壓”和“軸承電流”對軸承的損壞更加明顯。對電機的相關研究發(fā)現：每10臺損壞的電機中有4臺是因為電機軸承的損壞而引起的；同時每4臺軸承損壞的電機中有1臺是軸電流引起的軸承損壞［1］；不僅如此,隨著 IGBT等高性能器件的大力推廣和使用，這一數字正在迅速增長。所以，這一問題又被提了出來并且其因嚴重性更加凸現而成為國外研究的熱點［2］。

2 軸電壓的產生機理

研究表明：運行中的電機，軸電壓主要來自以下3個方面：

（1）電磁感應。

一般電機在工頻電壓下運行時，引起軸電壓的原因主要是磁路不平衡、單極效應、靜電感應、電容電流等，歸根結底，其本質本質就是磁通脈動［3］。如果電機結構及參數設計合理，且運行條件正常，當電機采用正弦波供電時，轉軸上的電位差很小，其危害也很小。當電機采用PWM變頻調速時，變頻器PWM脈寬調制使得調速系統(tǒng)中產生大量的高頻諧波，這些高頻諧波分量在轉軸、定子繞組和電纜等部分產生電磁感應，產生電壓。

（2）內部源的靜電耦合。

由于靜電耦合, 電機各部分間存在著大小不等的分布電容, 在正弦交流電的驅動下形成回路, 依照輸電線路等效的理論,一個參數分布電路可以用與之有相同輸入輸出關系及參數的F網絡等效。因此繞組轉子經耦合形成軸電壓電路。經簡化后的單相電路等效圖如圖1所示：

圖1 電機共模回路等效電路

Vsg為共模電壓耦合成的定子中點對地電壓；Z1為電源中點對地電抗；Z2為旁路阻抗, 表示驅動回路中的共模電抗線圈、線路電抗器和長電纜等；R0為定子的零序電阻；L0為定子的零序電感；Csf為電機定子對地電容；Csr為定子對轉子電容；Crf為轉子對地電容；Rb為軸承回路電阻；Cb為軸承油膜的電容；R1為軸承油膜的非線性阻抗；Vsng為定子繞組中性點對地電壓；Vrg為轉子中性點對地電壓。

（3）外部源的靜電耦合。

外部源的靜電耦合對電機軸承的影響最典型的是PWM逆變器，且PWM逆變器是主要影響因素之一。通常用正弦波電源驅動電機時，磁路不平衡對軸電壓的影響人們一般比較重視, 但是電機采用逆變器驅動時，產生軸電壓的主要原因就是電壓不平衡。由于線路阻抗、元器件阻抗和回路阻抗的不平衡，電源不可避免地產生零點漂移，即電源電壓的零序分量。該電壓的零序分量在驅動系統(tǒng)中產生電流，稱之為零序電流，軸承便是構成電機零序回路的一部分。如圖2所示,圖中；Vn為共模電壓。

圖2 逆變器驅動原理圖

va、vb、vc分別為逆變器輸出三相相電壓；ia、ib、ic分別為電機三相相電流；vn為共模電壓。

在電機采用PWM逆變器驅動時，既便是三相電壓完全對稱，共模電壓也不可能為零，這是由逆變器的本質特性所引起的，在這種情況下，逆變器開關狀態(tài)決定了vn的取值，而且逆變器載波頻率與vn的變化周期與一致。

3 軸電流及其危害

電動機運行時，若軸電壓能通過軸兩端與電機機座等構成回路，則軸電壓產生了軸電流［4］。這時電機軸、軸承、定子機座等裝置就在理論上形成了回路，有軸電壓的存在就會產生軸電流。研究表明，在軸電壓較低時，因為潤滑油的絕緣特性，使得軸與電機機座不能構成回路，所以不會產生軸電流。但由于電機啟動時，啟動的瞬間，軸承潤滑油的油膜尚未形成或者尚未穩(wěn)定形成，當軸電壓達到一定值時就可以擊穿潤滑油油膜放電，形成電流回路，從而產生軸電流。回路中的阻值非常小，導致回路的軸電流很大，大的電流流過上述回路就會產生高溫，這就使得滾珠或軸承內外圈等局部融化，從而產生凹槽、凹坑等現象，進一步引起電機的噪聲增大、振動增大，這就要及時發(fā)現、及時處理，否則就會導致軸承燒毀等故障，對生產造成影響。高壓大功率變頻調速電機中軸電流對軸承的危害更加顯著。

大量的研究數據表明，軸電流對滾動軸承的危害比滑動軸承大的多，這是因為滑動軸承滾珠（滾柱）與軸承內外圈滾道的接觸面積比滑動軸承大很多，所以滑動軸承對軸電流的敏感比滾動軸承更小，實驗表明如果想要保持滾動軸承的穩(wěn)定運行，其軸電流不得超過1A；如果軸電流超過1A，同時不大于1.4A時，軸承繼續(xù)運轉200～700h就會燒毀；如果軸電流大于2A，軸承在幾小時內便會燒毀［ 5］。電動機能容許的軸電壓限值、軸電流限值與很多因素有關，如軸承類型、工作狀態(tài)、潤滑油、電機轉速、安裝精度、電機運行環(huán)境和軸電流回路的阻抗等。目前，軸電壓的限值或軸電流限值在我國還沒有作出強制要求。但也有些廠家或研究機構為了保證產品的質量或使用壽命，對軸電壓及軸電流的限值等作了相應的規(guī)定，如西門子公司要求電機在出廠前必須進行空載測試，且空載軸電壓不得超過350mV，否則，軸承必須采取有效的絕緣措施［6］。美國 NEMAMGI 標準規(guī)定，電機必須按IEEE112標準進行軸電壓測試，測試的軸電壓峰值應不大于300mV，否則，必須采取有效的絕緣措施。

4 結論

在分析了以上有關軸電壓、軸電流的產生機理及影響因素后，我們可以知道，普通電機改成變頻控制后，軸電壓、軸電流都會明顯增大，會對電機造成很大危害，因此可以斷定兩臺電機的故障都是因為軸電壓、軸電流造成的，1#電機的軸承上只所以有灼傷的傷痕，是因為軸電壓擊穿潤滑油油膜，短時間放電，形成很大軸電流而燒傷造成的。2#電機同樣是因為軸電流過大，對軸承造成損傷而不被發(fā)現，所以造成運行幾個小時后直接燒毀軸承。因此我們對軸電流的危害不可小視。

［1］劉建強, 鄭瓊林. 各種PWM控制方式下的電機共模電壓比較研究[J].北京交通大學學報, 2005, 29(5):98-102.

［2］黃立培, 浦志勇. 大容量PWM逆變器對交流電機的軸電壓和軸承電流的影響[J]. 電工電能新技術, 2000, 4:39-42.

［3］高峰, 吳亞旗. 變頻電機軸電流分析及對策[J]. 電機技術, 2007, 4:25-27.

［4］王靜, 徐進. 變頻電機軸電流形成原因及防范措施[J]. 聚酯工業(yè), 2012-11, 25(6):59-60.

［5］郭程. 變頻技術對交流電動機軸電流的影響與預防[J]. 大電機技術, 2008, (3):23-25.

［6］劉世雄. 一次風機電機軸承損傷的原因分析及處理[J]. 大電機技術, 2011, (O1):34-36.

表3 某年度礦量增加及品位情況一覽表

7 結束語

本文主要通過對銅廠金分布規(guī)律的認識，劃分了參與礦體二次評價的高金低銅資源重點分布區(qū)，為生產提高伴生金的回收和利用提供可靠依據，在高金低銅資源區(qū)的礦體二次評價中有了較高的經濟價值。每年為礦山充分利用低品位的資源，為延緩礦山資源消耗和延長礦山服務年限起到一定作用。

參考文獻：

［1］江西省地礦實驗局. 江西省德興銅廠斑巖銅礦物質組分和金的賦存狀態(tài)(內部) [R]. 德興. 江銅集團德興銅礦, 1977.

［2］銅廠礦區(qū)補充勘探地質報告(內部)[R]. 德興. 江銅集團德興銅礦, 1978.

［3］朱訓,黃崇軻. 德興斑巖銅礦[M]. 北京: 地質出版社, 1983.1-32.

［4］中國有色金屬工業(yè)總公司礦產地質研究院. 江西德興銅礦伴生金賦存狀態(tài)及分布規(guī)律研究報告(內部)[R]. 德興. 江銅集團德興銅礦, 1990.

［5］胡保根, 席慕生. 當量品位的實踐應用[J]. 銅業(yè)工程, 2006(4):29-31.

［6］丁俊華, 許文淵, 吳厚澤. 中國伴生金礦床[M]. 北京: 地質出版社, 1996. 246-249.

Alkali Washing Motor Fault Analysis

ZHOU Wei, ZOU Yuan-hua, PENG Zi-bing
（JCC Lead and Zinc Metal Co., Ltd, Jiujiang, 332500, Jiangxi, China）

The shaft voltage and shaft current have been paid great attention by people, with the more study of shaft voltage and shaft current in international and domestic, this problem is paid great attention gradually. The facts prove that the harm of motor bearing shaft voltage and shaft current is great, if processes is not good, will cause serious equipment accidents. The damage of shaft voltage and shaft current of motor bearings in Jiangxi Copper Lead and Zinc Metal Co., Ltd is the typical example of damage.

shaft voltage；shaft current；PWM inverter；common mode voltage；electrostatic coupling； electromagnetic induction

TM34

B

1009-3842（2015）01-0086-03

2014-06-16

周煒（1985-），男，江西九江人，主要從事機電設備檢修。E-mail: Zhw003@163.com