變頻電機(jī)軸承電氣損傷的原因及措施

李紅軍，李瑞東

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

?

變頻電機(jī)軸承電氣損傷的原因及措施

李紅軍，李瑞東

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

摘要變頻電機(jī)在激勵(lì)工作電壓中會(huì)產(chǎn)生軸電壓現(xiàn)象，常用方法是采用絕緣軸承處理。但如果此方法不能及時(shí)處理時(shí)，由軸電壓引起的軸電流會(huì)危害電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。通過對變頻電機(jī)電氣性能的分析，提出全新的軸電流損傷的解決方案，通過建立放電旁路，安裝導(dǎo)電環(huán)將軸承接地，以降低軸電壓，避免發(fā)生軸承電氣損傷的故障。

關(guān)鍵詞變頻電機(jī)；軸電流；電氣損傷；導(dǎo)電環(huán)

0引言

隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能顯著提高，但與此同時(shí)，變頻電機(jī)軸電流導(dǎo)致軸承故障的現(xiàn)象也日益突現(xiàn)。由于軸電流的存在，電動(dòng)機(jī)每更換軸承1~3個(gè)月后，就會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)加速度異常增大現(xiàn)象。這些情況的發(fā)生，直接導(dǎo)致設(shè)備故障，造成巨大損失。從根本上消除軸電流是不切合實(shí)際的，因此電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，應(yīng)將重點(diǎn)放在軸電流的防治上。對電動(dòng)機(jī)軸承進(jìn)行定期振動(dòng)檢測，將故障消除在萌芽狀態(tài)。

1變頻驅(qū)動(dòng)引起的軸電流

隨著我國持續(xù)推進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程，近幾年使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)變頻驅(qū)動(dòng)來控制交流電機(jī)的應(yīng)用大幅增長。雖然變頻電機(jī)的運(yùn)行成本低且性能高，但如果直接使用變頻器驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)，可靠性將降低。由變頻驅(qū)動(dòng)引起的軸電流可導(dǎo)致電機(jī)故障，如果沒有切實(shí)有效的方案，產(chǎn)生的軸電流將通過軸承流向大地，造成軸承的電腐蝕，并產(chǎn)生凹坑或凹槽，引起電機(jī)運(yùn)行的噪聲和振動(dòng)異常，最終導(dǎo)致軸承故障，甚至電機(jī)故障。 大多數(shù)交流電機(jī)軸承設(shè)計(jì)壽命是10×104 h，沒有保護(hù)措施的變頻電機(jī)軸承最快可在1個(gè)月內(nèi)(720 h)失效。某大型電廠的漿液循環(huán)泵電機(jī)在運(yùn)行4個(gè)月內(nèi)即出現(xiàn)電機(jī)振動(dòng)和異響的問題，經(jīng)解析是軸承電腐蝕損傷。另一電廠的冷凝水泵在進(jìn)行變頻改造后的5個(gè)月出現(xiàn)了燒軸承的現(xiàn)象。這些軸承電氣損傷給用戶和電機(jī)生產(chǎn)商都造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，要及時(shí)控制電機(jī)故障的發(fā)生。

電機(jī)產(chǎn)生軸電壓的原因：

(1)磁路不對稱導(dǎo)致電壓過高;(2)定子繞組端部鏈接線分布不對稱;(3)定子和轉(zhuǎn)子不同心;(4)定子扇形硅鋼片導(dǎo)電率不同;(5)裝配不當(dāng)。

電動(dòng)機(jī)軸電壓控制標(biāo)準(zhǔn)：

(1)國標(biāo)和IEC無明確規(guī)定；

(2)西門子標(biāo)準(zhǔn)：峰峰值小于350mV;

(3)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)：有效值小于500mV。

2軸承的電氣損傷

電機(jī)軸承故障的不良率取決于很多因素，從電機(jī)制造廠反饋的信息表明，較多電機(jī)在運(yùn)行3～12個(gè)月內(nèi)因?yàn)檩S承故障而停機(jī)。目前，為防灰塵和其他污染物，習(xí)慣將交流電機(jī)軸承封閉。因?yàn)檩S承潤滑不良而導(dǎo)致的軸承物理損傷越來越少，電氣損傷成為軸承故障最主要的原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，交流電機(jī)的故障有一半是軸承故障，而這些軸承故障中，80%的是由電氣損傷造成的。

在電子顯微鏡下觀察新軸承軌道可以發(fā)現(xiàn)，新軸承的內(nèi)表面是光滑的(如圖1所示)，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，滾珠不斷與軌道摩擦，在沒有放電的情況下，這種機(jī)械摩擦是軸承老化的惟一原因。

圖1　全新軸承軌道放大圖

當(dāng)電機(jī)是變頻驅(qū)動(dòng)時(shí)，快速開關(guān)的晶閘管會(huì)導(dǎo)致交流電機(jī)軸上產(chǎn)生了感應(yīng)電壓(高達(dá)70 V或更大峰-峰值)，如圖2所示。

圖2　軸承內(nèi)部軸電壓放電波形

一旦電壓積累足夠克服軸承內(nèi)部潤滑油的介電性能，將通過電阻最小的放電回路進(jìn)行放電，通常是軸承到電機(jī)外殼這個(gè)回路。正常情況下，軸電壓很低，軸承內(nèi)的油膜起到絕緣作用不會(huì)產(chǎn)生軸電流，當(dāng)軸電壓較高時(shí)或者靜電荷積累到一定程度擊穿絕緣油膜，產(chǎn)生電火花腐蝕電機(jī)軸承彈道，在彈道或滾珠子上形成一些微小的凹槽，從而使軸承產(chǎn)生異響，早期的電腐蝕通常是腐蝕斑，這些腐蝕斑數(shù)量和規(guī)模慢慢變大，變成凹坑，并且隨著電機(jī)的運(yùn)行，凹坑很快覆蓋整個(gè)軸承內(nèi)側(cè)滾道，形成肉眼可輕易觀察到的數(shù)以百萬計(jì)的凹坑，如圖3所示。導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行噪聲和振動(dòng)異常，這種情況如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，軸承電氣損傷將持續(xù)惡化，最終造成軸承燒毀。

圖3　運(yùn)行5400h后的變頻電機(jī)軸承軌道

持續(xù)不斷的電腐蝕將整個(gè)軸承內(nèi)部變得凹凸不平，軸承的凹槽有時(shí)被稱作“搓衣板”槽,如圖4所示。即變頻驅(qū)動(dòng)器的工作頻率會(huì)導(dǎo)致軸承內(nèi)側(cè)軌道沿固定間隔電腐蝕，形成了“搓衣板”般的凹槽，這種凹槽將導(dǎo)致的電機(jī)運(yùn)行異常振動(dòng)和噪聲。

圖4　軸承凹槽

3軸電流損傷的解決措施

雖然有許多技術(shù)可以用來保護(hù)交流電機(jī)的軸承，但很少有方案可以同時(shí)滿足高效力、低成本、應(yīng)用范圍廣等要求。例如：法拉第屏蔽、絕緣結(jié)構(gòu)、陶瓷軸承、導(dǎo)電潤滑脂、接地碳刷等。這些技術(shù)都或多或少存在著成本高、易磨損、易污染等情況，因此很少被行業(yè)采用。本文根據(jù)上述對軸承電流對軸承電氣損傷的分析，提出了全新的解決方法。

3.1　絕緣軸承

軸承絕緣可以阻斷放電回路，軸電流無法通過軸承流向電機(jī)外殼和接地，從而保護(hù)軸承。但有時(shí)，由于陶瓷絕緣材料的電容效應(yīng)，高頻感應(yīng)電流會(huì)穿過絕緣層，并導(dǎo)致軸承失效。同時(shí)，如果電機(jī)連接了負(fù)載，軸電流可能通過負(fù)載的軸承放電，造成負(fù)載的軸承故障。除此以外，軸承絕緣或其他軸承隔離的方案實(shí)施起來成本也較高。

3.2　建立放電旁路

建立有效的放電旁路電路有時(shí)比軸承絕緣效果更好，因?yàn)楸绕鹱钄噍S電流回路，這個(gè)方案可以有效地將軸電流導(dǎo)走。這種理想的解決方案提供一個(gè)從電機(jī)軸到外殼/設(shè)備接地之間非常低阻抗的回路，這種方案實(shí)施起來成本較低，可為變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)和交流電機(jī)提供最大程度的軸承保護(hù)，是性價(jià)比較高的方案。

3.3　安裝導(dǎo)電環(huán)

導(dǎo)電環(huán)的材質(zhì)要求機(jī)械強(qiáng)度大，360°全方位接觸軸承，并是電的良導(dǎo)體，還要具有耐腐蝕性，抗油污和粉塵，在與電刷滑動(dòng)接觸時(shí)，必須具備耐磨性和穩(wěn)定的滑動(dòng)接觸特性。一般來說，鋼質(zhì)集電環(huán)的耐磨性好，機(jī)械強(qiáng)度大。軸承導(dǎo)電環(huán)方案通過在一個(gè)金屬環(huán)上增加一圈超細(xì)耐磨的導(dǎo)電纖維，在電機(jī)軸和電機(jī)外殼/設(shè)備接地間建立一個(gè)阻抗低、可靠性高的放電旁路，可有效導(dǎo)走軸電流，保護(hù)電機(jī)軸承。這種方案通過使用電子傳輸技術(shù)，加快電子傳輸速率，極大地提高了高頻軸電流釋放的效率。通過無數(shù)個(gè)電流釋放回路，導(dǎo)電環(huán)將軸電流成功繞過軸承導(dǎo)向設(shè)備接地。導(dǎo)電環(huán)是一個(gè)低成本、免維護(hù)，免清洗、效率和可靠性高的解決方案，適用于所有變頻驅(qū)動(dòng)的電機(jī)和交流電機(jī)。

圖5　新型導(dǎo)電纖維大軸接地旁路技術(shù)

圖6　安裝導(dǎo)電環(huán)的變頻電機(jī)

通過在驅(qū)動(dòng)端增加AEGIS導(dǎo)電環(huán)，非驅(qū)動(dòng)端增加絕緣端蓋，可切實(shí)有效地隔離軸電壓，同時(shí)建立放電旁路，有效保護(hù)軸承.如圖7所示。

圖7　中高壓/變頻電機(jī)軸電壓解決方案

安裝導(dǎo)電環(huán)后，軸電壓可以有效得到控制，如圖8和圖9所示，軸電壓的峰峰值由最初的5.60V下降到1.36V，并且沒有檢測到軸電壓放電波形。

圖8　未安裝導(dǎo)電環(huán)的軸電壓波形

圖9　安裝導(dǎo)電環(huán)后的軸電壓波形

該電機(jī)在安裝導(dǎo)電環(huán)后持續(xù)運(yùn)行了13個(gè)月，沒有再出現(xiàn)異常振動(dòng)和噪聲的問題，軸電壓導(dǎo)致的軸承電腐蝕得到有效控制，提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。 AEGIS 導(dǎo)電環(huán)軸承保護(hù)方案的技術(shù)優(yōu)勢如下

(1)適用范圍廣。AEGIS導(dǎo)電環(huán)適用于所有尺寸和大部分應(yīng)用場合的電機(jī)，包括發(fā)電機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、交流牽引機(jī)、潔凈室和中央空調(diào)系統(tǒng)，以及其他的工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中。

(2)安裝和維護(hù)。導(dǎo)電環(huán)可通過螺絲固定在電機(jī)軸 的任何一端，通常情況下幾分鐘內(nèi)即可完成安裝，且安裝后，AEGIS 導(dǎo)電環(huán)無需維護(hù)，耐磨導(dǎo)電纖 維的磨損非常低。對于正在使用的電機(jī)，可使用分裂式設(shè)計(jì)的導(dǎo)電環(huán)，無需拆卸負(fù)載即可完成安裝。

4結(jié)語

電機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)因在高性能運(yùn)行的同時(shí)節(jié)約了能源，也是電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能中不可缺少的應(yīng)用類型，是技術(shù)發(fā)展的趨勢。但要推廣變頻技術(shù)，如何避免軸承的電氣損傷是關(guān)鍵，AEGIS導(dǎo)電環(huán)通過提供一個(gè)阻抗低，接觸可靠的回路，將感應(yīng)的軸電流導(dǎo)入設(shè)備接地，有效防止軸承的電氣損傷，降低電機(jī)意外停機(jī)造成的損失。AEGIS導(dǎo)電環(huán)是迄今為止解決變頻電機(jī)和交流電機(jī)軸承電氣損傷最有效的和性價(jià)比最高的方案之一。

參考文獻(xiàn)

[1]何良，劉皓，劉揚(yáng)禮，等.PWM變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸電壓與軸電流的測試方法[J]．環(huán)境技術(shù)，2015.2.

[2]嚴(yán)冠豪，劉園，楊俊飛.變頻電機(jī)軸電流的分析[J].防爆電機(jī)，2014.5．

[3]高峰，吳亞旗.變頻電機(jī)軸電流分析及對策 現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)與控制，2008.7.

[4]王慶林，解玉紅，賈強(qiáng).轉(zhuǎn)子變頻應(yīng)用中存在的問題與防治[J].煤礦機(jī)電，2010.1.

[5]候江繼.高壓同步電機(jī)軸電流分析及改裝措[J]．價(jià)值工程，2014.30.

[6]稅航偉，劉紅蕾，張茂振，等.靜止勵(lì)磁汽輪發(fā)電機(jī)軸電壓的形成和預(yù)防[J] .工藝與測試，2014.4.

[7]裴海濤.淺析軸電流對電機(jī)的危害[J].科技論壇，2014.31.

[8]《Design Aspects of Conductive Microfiber Rings For Shift Gronuging Purpose》Annette Muetze and H．William OH．

[9]于濤，范吉松，韓榮娜.大型水輪發(fā)電機(jī)空氣流場數(shù)值計(jì)算分析.防爆電機(jī)，2012.4.

Reasons and Solutions on Electric Damage of

Variable-Frequency Motor Bearing

LiHongjunandLiRuidong

(Jiamusi Electric Machine Co.,Ltd.,Jiamusi 154002, China)

AbstractThe shaft voltage phenomenon will occur in motivate working voltage of variable-frequency motor, and the common solution is insulation treatment of bearing. If the method cannot be used timely, shaft current caused by shaft voltage will be harm to stability of running motor. Based on analysis of electric performance of variable-frequency motor, this paper puts forward a new solution to eliminate damage of shaft current, i.e. through establishing discharge bypass and installing conductive ring to achieve bearing grounding. Shaft voltage can be reduced, and then electric damage of bearing can be avoided.

Key wordsVariable-frequency motor；shaft current；electric damage；conductive ring

收稿日期：2015-09-29

作者簡介：李紅軍1974年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電機(jī)專業(yè)，現(xiàn)從事電機(jī)設(shè)計(jì)工作.

中圖分類號：TM301.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-7281(2015)06-0020-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.06.07