軸承抱軸模式下變頻器保護(hù)失效的分析及處理

龐 忠 王志剛 張偉偉 張 琪 顏銘志

軸承抱軸模式下變頻器保護(hù)失效的分析及處理

龐 忠 王志剛 張偉偉 張 琪 顏銘志

（聯(lián)泓新材料科技股份有限公司，山東 滕州 277527）

本文針對電動機(jī)軸承故障引發(fā)的半載負(fù)荷狀態(tài)下變頻器過電流保護(hù)缺失的問題進(jìn)行原因分析并提出整改措施，通過技術(shù)改造可以避免電動機(jī)及拖動設(shè)備故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，在電動機(jī)拖動設(shè)備管理行業(yè)具有推廣意義。

半載負(fù)荷；軸承抱軸；變頻器保護(hù)

0 引言

某公司EVA裝置設(shè)計(jì)13個料倉，安裝14臺脫氣風(fēng)機(jī)，一臺脫氣風(fēng)機(jī)對應(yīng)一個料倉，另外一臺脫氣風(fēng)機(jī)為備用風(fēng)機(jī)。當(dāng)某個料倉脫氣風(fēng)機(jī)故障停車后，自動起動備用脫氣風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)短時間停車對生產(chǎn)沒有影響。設(shè)備選用德國愛珍GM801型風(fēng)機(jī)；電動機(jī)選用西門子1LE0002—3AA2 3—3AB4—Z 315M型，額定功率132kW，額定電流235A，額定轉(zhuǎn)速2 980r/min；風(fēng)機(jī)與電動機(jī)采用皮帶傳輸動力；控制方式采用變頻器起動，選用ABB ACS800—01—0205—3型變頻器；電動機(jī)安裝在懸臂式彈性基礎(chǔ)上。目前設(shè)備運(yùn)行中發(fā)生多臺電動機(jī)軸承抱軸事故，現(xiàn)場檢查電動機(jī)無法盤車，軸承溫度較高，電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸磨細(xì)，需要外委修復(fù)。

1 故障現(xiàn)象

1.1 電動機(jī)軸承損壞情況

從2013年設(shè)備運(yùn)行以來EVA風(fēng)送系統(tǒng)多臺電動機(jī)出現(xiàn)驅(qū)動端軸承抱軸現(xiàn)象，如圖1所示，電動機(jī)軸承故障，現(xiàn)場測量軸承溫度200℃左右。

圖1 軸承抱軸

拆檢發(fā)現(xiàn)電動機(jī)驅(qū)動端軸承內(nèi)圈有跑套現(xiàn)象，電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸磨細(xì)，內(nèi)外油蓋有不同程度的磨損。需要外委修復(fù)軸尺寸，導(dǎo)致維修費(fèi)用增加。

1.2 保護(hù)動作情況

SIS顯示“流量低低”或“壓力低低”工藝聯(lián)鎖跳車；變頻器無故障跳車記錄，顯示為正常停車。

2 原因分析

2.1 電動機(jī)軸承抱軸的原因分析

電動機(jī)采用懸臂式安裝方式，如圖2所示。

圖2 電動機(jī)采用懸臂式安裝方式

依據(jù)ISO 10816《旋轉(zhuǎn)機(jī)器振動判斷國際標(biāo)準(zhǔn)》132kW電動機(jī)振動不應(yīng)大于4.5mm/s，愛珍風(fēng)機(jī)振動報(bào)警值是11mm/s、振動跳車值是18mm/s。實(shí)際運(yùn)行中電動機(jī)經(jīng)常超過允許振動標(biāo)準(zhǔn)值運(yùn)行，導(dǎo)致電動機(jī)軸承損壞加快。

電動機(jī)有加油孔，沒有排油孔，無法在線排出廢油，加油到一定周期后，軸承室內(nèi)廢油脂過多，軸承室空間有限，再加上電動機(jī)以2 985r/min的速度旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電動機(jī)軸承運(yùn)行溫度升高。

羅茨風(fēng)機(jī)噪聲較大，軸承異常運(yùn)行聲音被羅茨風(fēng)機(jī)噪聲掩蓋，巡檢人員有時不能及時發(fā)現(xiàn)電動機(jī)軸承的異常運(yùn)行狀態(tài)。綜合以上3個因素是導(dǎo)致電動機(jī)發(fā)生軸承抱軸的主要原因。

2.2 變頻器沒有故障跳閘的原因分析

電動機(jī)軸承從正常運(yùn)行到軸承抱死有一個過程，需要幾分鐘或者十幾分鐘的時間。如果變頻器能根據(jù)電動機(jī)軸承故障導(dǎo)致運(yùn)行電流增加的情況及時進(jìn)行保護(hù)跳閘停車，不至于把電動機(jī)軸承故障擴(kuò)大到電動機(jī)軸承抱軸的現(xiàn)象，或者擴(kuò)大到電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸磨損較為嚴(yán)重的事故。檢查變頻器熱保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)參數(shù)設(shè)置情況，見表1。

表1 變頻器熱保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)參數(shù)設(shè)置

通過檢查變頻器保護(hù)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)電動機(jī)熱過載保護(hù)沒有起作用，所以電動機(jī)軸承損壞后雖然運(yùn)行電流增加達(dá)到熱過載動作值，但是變頻器沒有投入熱過載保護(hù)，所以變頻器不會因熱過載保護(hù)動作而跳閘。

變頻器堵轉(zhuǎn)保護(hù)時間20s，堵轉(zhuǎn)保護(hù)整定堵轉(zhuǎn)頻率20Hz，是在設(shè)備發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象后變頻器輸出頻率下降至20Hz，堵轉(zhuǎn)時間達(dá)到20s時變頻器才會故障跳閘?！傲髁康偷汀焙汀皦毫Φ偷汀惫に嚶?lián)鎖達(dá)到保護(hù)動作值，0.5s跳車。由于電動機(jī)軸承故障導(dǎo)致風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，風(fēng)量減少，所以工藝聯(lián)鎖跳車優(yōu)先于變頻器堵轉(zhuǎn)保護(hù)跳車，變頻器堵轉(zhuǎn)保護(hù)沒有起作用[1-4]。

3 整改措施

3.1 防止電動機(jī)軸承抱軸的整改措施

加強(qiáng)對羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行維護(hù)，電動機(jī)振動超標(biāo)及時進(jìn)行找正，把電動機(jī)振動值控制在正常范圍內(nèi)，嚴(yán)禁電動機(jī)超振動標(biāo)準(zhǔn)值運(yùn)行。查閱《電機(jī)制造工藝學(xué)》國產(chǎn)電動機(jī)軸承室深度公差代號為h11與西門子電動機(jī)軸承室深度公差代號h11相同，國產(chǎn)電機(jī)Y2—315—4外軸承蓋固定尺寸與西門子電動機(jī)1LE0002—3AA2 3—3AB4—Z 315M外軸承蓋固定尺寸一致，國產(chǎn)電動機(jī)Y2—315—4外軸承蓋有排油孔，可以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)在線排油功能，如圖3所示。

圖3 Y2—315—4帶排油孔軸承蓋

用國產(chǎn)電動機(jī)外軸承蓋代替西門子電動機(jī)外軸承蓋，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)在線排油換油功能，避免電動機(jī)軸承室廢油脂過多，電動機(jī)軸承溫度過高，發(fā)生軸承抱軸事故。

3.2 變頻器保護(hù)參數(shù)設(shè)置整改措施

經(jīng)過現(xiàn)場多次觀察，EVA料倉脫氣風(fēng)機(jī)變頻器起動時，變頻器電流不超過120A；正常運(yùn)行電流最大在120～140A范圍內(nèi)，最大運(yùn)行不超過150A，電動機(jī)額定電流235A，電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流比電動機(jī)額定電流小85A，稱為半載負(fù)荷。如果變頻器熱過載保護(hù)按電動機(jī)額定電流設(shè)定，即使投入變頻器熱過載保護(hù)，當(dāng)電動機(jī)軸承故障時，變頻器也不能發(fā)生熱過載跳閘保護(hù)?？紤]電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，變頻器熱過載保護(hù)預(yù)留一定安全系數(shù)，變頻器熱過載保護(hù)修改見表1。30.04MOTOR THERM PROT電動機(jī)溫度保護(hù)選擇FAULT故障跳閘；30.05MOT THERM P MODE電動機(jī)熱保護(hù)模式選擇USER MOODE用戶模式；30.06MOTOR THERM TIME熱時間常數(shù)設(shè)定為256s；30.07MOTOR LOAD CURVE允許電動機(jī)過載持續(xù)電流按170A考慮，設(shè)定為72.3%；30.08ZERO SPEED LOAD零速下允許的電動機(jī)持續(xù)電流設(shè)定為51%；30.09BREAK POINT 100%負(fù)載下的傳動輸出頻率設(shè)定為50Hz。變頻器堵轉(zhuǎn)保護(hù)，30.11STALL FREQ HI由原來的堵轉(zhuǎn)頻率20Hz改為47Hz；30.12STALL TIME堵轉(zhuǎn)時間由原來的20s修改為10s。

查閱ACS800變頻器說明書，32 SUPERVISION是監(jiān)控極限值，具有電動機(jī)電流監(jiān)控報(bào)警輸出功能。把32.05CURRENT FUNCTION電動機(jī)電流監(jiān)控功能并選擇極限值監(jiān)控的類型設(shè)定為HIGH LIMIT上限；32.06CURRENT LIMIT電動機(jī)電流監(jiān)控極限值設(shè)定為170A；14.01 RELAY RO1 OUTPUT選擇繼電器輸出RO1顯示的傳動狀態(tài)設(shè)定為達(dá)到電動機(jī)電流監(jiān)控極限值；14.04 RO1 TON DELAY延時吸合時間設(shè)定為3s；14.05 RO1 TOFF DELAY延時釋放時間設(shè)定為1s，見表2。

表2 電動機(jī)電流監(jiān)控功能設(shè)置

極限電流監(jiān)視繼電器RO1常開觸點(diǎn)控制中間繼電器KA6，KA6常閉觸點(diǎn)串入變頻器起動回路中，當(dāng)電動機(jī)運(yùn)行電流達(dá)到170A時，繼電器RO1延時3s起動中間繼電器KA6，KA6常閉觸點(diǎn)斷開變頻器起動回路，變頻器停止輸出，電動機(jī)停車。同時，KA6常開觸點(diǎn)自保持，KA6中間繼電器自帶得電指示燈，方便電氣運(yùn)行人員查出變頻器跳車原因，如圖4所示。

4 結(jié)論

1）較大功率的電動機(jī)設(shè)計(jì)在線排油功能

國內(nèi)臥龍電氣南陽防爆集團(tuán)股份有限公司、哈電集團(tuán)佳木斯電機(jī)股份有限公司以及國外ABB公司，11kW及以上功率電動機(jī)都可以設(shè)計(jì)安裝在線注油、排油孔，如圖5所示。

建議甲方采購11kW及以上功率的電動機(jī)時，要求電動機(jī)具備在線注油、排油孔功能。通過電動機(jī)在線更換潤滑脂，可以延長電動機(jī)軸承的使用壽命，降低電氣檢修人員的勞動強(qiáng)度，延長電動機(jī)維修周期，降低設(shè)備維修費(fèi)用，減少企業(yè)運(yùn)行成本。

2）根據(jù)實(shí)際最大運(yùn)行電流整定熱保護(hù)電流

生產(chǎn)現(xiàn)場有少數(shù)電動機(jī)存在半載負(fù)荷的現(xiàn)象。半載負(fù)荷的電動機(jī)正常運(yùn)行電流遠(yuǎn)低于電動機(jī)額定電流，當(dāng)電動機(jī)軸承或者拖動設(shè)備軸承發(fā)生故障時，電動機(jī)運(yùn)行電流上升。變頻器熱過載保護(hù)如果按電動機(jī)額定電流整定，變頻器熱過載保護(hù)一般不會動作跳閘，電動機(jī)在軸承故障的情況下繼續(xù)長時間運(yùn)行，造成設(shè)備機(jī)械故障進(jìn)一步擴(kuò)大。為實(shí)現(xiàn)半載負(fù)荷的電動機(jī)變頻器對設(shè)備軸承故障的可靠保護(hù)，建議變頻器熱過載保護(hù)按電動機(jī)正常運(yùn)行最大電流乘1.05～1.2倍的可靠系數(shù)整定變頻器熱過載保護(hù)，提高變頻器熱過載保護(hù)的可靠性。

圖4 控制原理

圖5 具有在線排油孔功能的電動機(jī)

3）變頻器增加定時限過電流保護(hù)功能

如果電動機(jī)拖動設(shè)備跳車后對生產(chǎn)影響較小，為使變頻器對電動機(jī)或電動機(jī)拖動設(shè)備的軸承故障進(jìn)行可靠保護(hù)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，ACS800變頻器通過32組極限監(jiān)控值，增加定時限過電流保護(hù)功能。半載負(fù)荷的變頻器定時限過電流保護(hù)，建議按電動機(jī)日常運(yùn)行最大電流值乘1.1～1.3倍的可靠系數(shù)整定過電流保護(hù)定值，增加3～5s延時跳閘功能，提高變頻器對設(shè)備軸承故障的保護(hù)范圍。

實(shí)際運(yùn)行中電動機(jī)出現(xiàn)軸承故障導(dǎo)致電動機(jī)軸彎曲、轉(zhuǎn)子掃膛或者斷軸事故，多數(shù)是半載負(fù)荷的電動機(jī)熱過載保護(hù)、定時過電流保護(hù)起動門檻值按電動機(jī)額定電流設(shè)定，忽略了半載負(fù)荷電動機(jī)日常運(yùn)行最大電流較電動機(jī)額定電流偏小的現(xiàn)實(shí)。當(dāng)半載負(fù)荷電動機(jī)軸承故障時，雖然電動機(jī)運(yùn)行電流較電動機(jī)正常運(yùn)行最大電流增加，但是沒有達(dá)到或者沒有及時達(dá)到保護(hù)裝置熱過載保護(hù)、定時過電流保護(hù)起動門檻值，電動機(jī)保護(hù)裝置沒能及時保護(hù)跳閘，電動機(jī)在軸承故障的情況下長時間運(yùn)行，進(jìn)一步擴(kuò)大為電動機(jī)軸彎曲、電動機(jī)轉(zhuǎn)子掃膛事故。通過改造后的設(shè)備運(yùn)行效果良好。

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[2] 劉澤九. 滾動軸承應(yīng)用手冊[M]. 3版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2014.

[3] 黃志堅(jiān). 機(jī)械設(shè)備振動故障檢測與診斷[M]. 2版. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2017.

[4] 胡志強(qiáng). 電機(jī)制造工藝學(xué)[M]. 2版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版設(shè), 2019.

The cause analysis and rectification measures of no fault tripping in motor bearing-axle frequency converter

PANG Zhong WANG Zhigang ZHANG Weiwei ZHANG Qi YAN Mingzhi

(Levima Advanced Materials Corporation, Tengzhong, Shandong 277527)

This paper aims at the cause analysis and rectification measures for the lack of over-current protection of the frequency converter under the half load state caused by the motor bearing fault. Through the technical transformation, it can avoid the further expansion of the motor and the driving equipment fault, which has a wide promotion significance in the motor driving equipment management industry.

half load; bearing axle; inverter protection

2020-05-30

2020-07-20

龐 忠（1974—），男，山東省滕州市人，本科，工程師，主要從事化工廠高低壓供配電運(yùn)行、檢修技術(shù)管理工作。