變頻電機(jī)軸承損壞原因及預(yù)防措施分析

張丹 劉宏

（上海開放大學(xué)，上海 200240）

1 概述

福建某紙業(yè)公司從國內(nèi)某高壓電機(jī)有限公司購置了多臺變頻電機(jī)，運(yùn)行不到6 個月，有數(shù)臺電機(jī)驅(qū)動端的軸承出現(xiàn)異常噪音，測量傳感器顯示軸承溫度明顯異常，電機(jī)震動增大。測量結(jié)果顯示電機(jī)軸電流嚴(yán)重超標(biāo)，軸承對地絕緣電阻不合格，軸承絕緣層有裂紋，接地碳刷磨損嚴(yán)重。

2 軸承損壞原因分析

在排除了軸承安裝配合的問題后，我們發(fā)現(xiàn)軸承滾動面有大量的凹坑，內(nèi)外圈上有像搓板樣的條形痕跡，這是軸電流對軸承破壞的典型特征，可以判斷為軸電流造成的電機(jī)軸承損壞。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常軸電流引起的軸承損壞，發(fā)生放電現(xiàn)象通常在電流通過軸承的時候，同時軸承有凹坑。

3 軸電流的來源

考慮到是變頻電機(jī)，所以這里軸電流有兩個可能來源，一是變頻器傳遞過來的軸電流，二是電機(jī)自身問題產(chǎn)生的軸電流。其中包括：變頻器引起的軸電流、軸承絕緣電阻低引起的軸電流、軸電壓等。

4 預(yù)防軸電流的措施

針對上述原因分析認(rèn)為軸電壓造成損害必須具備兩個條件:一是存在高頻的共模電壓，二是軸承的潤滑油膜破壞，給軸電流提供了內(nèi)部寄生的容性耦合回路，二者缺一不可。

4.1 改造軸承絕緣端蓋

對現(xiàn)場所有電機(jī)的絕緣端蓋進(jìn)行改造，現(xiàn)有的端蓋絕緣材料容易吸收水分，導(dǎo)致絕緣電阻降低，將絕緣材料更換為改良型的環(huán)氧樹脂，改良型的環(huán)氧樹脂有很好的韌性和很高的絕緣性能，不容易吸收水分，而且有很好的韌性，不容易斷裂。干燥情況下絕緣電阻通常大于1000GΩ，潮濕的環(huán)境下也能保證絕緣電阻大于1GΩ。同時更改軸承傳感器的安裝位置，把絕緣支撐塊固定在絕緣外環(huán)的機(jī)座上，這樣支撐塊就和絕緣端蓋不在電流的同一個回路上，不會影響到軸承的絕緣電阻，見圖1。

圖1 改造后的絕緣端蓋

4.2 加裝正弦波濾波器

我們已經(jīng)知道，軸電流的三個回路中，電壓源都是由逆變器產(chǎn)生的共模電壓Vcom。無論輸出頻率是多少，傳動單元的輸出電壓由上升時間很短的幅值為1.35 倍電網(wǎng)電壓的脈沖組成，這是所有傳動單元都采用IGBT 變流技術(shù)所具有的同一現(xiàn)象。由于電機(jī)電纜的性能，脈沖電壓峰值幾乎是發(fā)電機(jī)端子電壓的二倍，因而會對電機(jī)絕緣層產(chǎn)生附加的電壓沖擊，與電機(jī)繞組特性有關(guān)，這對電機(jī)的絕緣提出了更高的要求。這種以快速上升的電壓脈沖和高開關(guān)頻率為特征的現(xiàn)代變頻調(diào)速單元，會產(chǎn)生脈沖電流流過發(fā)電機(jī)軸承，對軸承造成電腐蝕。

當(dāng)電源端使用一個適當(dāng)?shù)臑V波器，使系統(tǒng)阻抗匹配的同時減小電壓脈沖的反射，目的是抑制變頻器輸出諧波的干擾抑制過電壓，從而進(jìn)一步抑制了共模參數(shù)對系統(tǒng)的危害。

載波頻率對電機(jī)dv/dt 軸電流的幅頻特性影響很大，雖然對電機(jī)共模電壓和軸電壓的幅頻特性影響不明顯。形成dv/dt 軸電流是需要共模電壓和軸電壓通過電機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的電容參數(shù)耦合形成的。因此在軸電流的分析研究中，只單純的對軸電壓和共模電壓的特性進(jìn)行分析是不夠完善的。

濾波器主要由安裝在傳動單元內(nèi)部的環(huán)形鐵心組成。正弦波濾波器是抑制傳動輸出高頻部分的低通濾波器，用于變頻器的正弦波濾波器，由單相或三相電抗器和三角或星形連接電容器組成，能夠有效降低IGBT 輸出的高dv/dt，延長電機(jī)壽命抑制變頻器輸出的電磁干擾補(bǔ)償長線分布電容的影響，延長傳輸距離減小變頻器噪聲，修正變頻器輸出波形為準(zhǔn)，正弦波只能降低共模電壓，圖2 顯示了有正弦波濾波器的傳動系統(tǒng)。

圖2 正弦波濾波器

我們需要明確的是在電機(jī)與變頻器之間安裝正弦波濾波器，其實(shí)不能完全抑制軸電流的發(fā)生，而且安裝變頻器的缺點(diǎn)在于其復(fù)雜的安裝和昂貴的成本。

4.3 合適的電纜和電纜連接

控制高頻軸承電流最基本的方法就是正確的接地系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備接地就是要設(shè)計出足夠低的阻抗連接保護(hù)人和設(shè)備免于系統(tǒng)性的故障危害。如采用圖3 兩種安裝方法的話，變頻器可在高頻共模電流下有效地接地。

圖3 改造前電機(jī)電纜安裝方式

4.3.1 對稱多芯電機(jī)電纜

不同型號轉(zhuǎn)子電纜連接如圖4 所示。為了減小發(fā)電機(jī)側(cè)的射頻干擾(RFI) ，對電纜屏蔽層360 度接地或?qū)⑵帘螌訑Q成一束( 寬度＞1/5 × 長度) 之后接地。

圖4 360 度接地電纜

為了有效抑制輻射和傳導(dǎo)性干擾，屏蔽層的電導(dǎo)率必須大于相導(dǎo)體電導(dǎo)率的1/10。對于銅或鋁屏蔽層，這條要求非常容易滿足。電纜包括一層同軸的銅線和螺旋狀銅帶，屏蔽層越緊越好，電纜發(fā)出的電磁干擾和軸承電流就越小。

銅帶電纜芯內(nèi)部絕緣層U2、V2、W2、PE 電機(jī)電纜的對地連接（保護(hù)地，PE）必須是對稱的，以避免基頻軸承電流。要獲得PE 導(dǎo)體的對稱，可通過使用一個導(dǎo)體將三相相導(dǎo)線包起來，或使用在三相相導(dǎo)線周圍對稱分布三根接地導(dǎo)線的電纜。

4.3.2 降低接地阻抗

降低接地阻抗，形成一個低阻抗的回路，使共模電流返回變頻器。最好最方便的方法就是使用屏蔽電機(jī)電纜。屏蔽層必須是連續(xù)的且要是良導(dǎo)體材料，也就是銅或鋁材料，并且需要360度接地。圖4 所示屏蔽電纜以盡可能短的小尾巴的形式連接到PE 端子，為使EMC 網(wǎng)電纜屏蔽層之間360 度高頻連接，電纜的外部絕緣層要被撥開。

4.4 更換接地碳刷

原先的接地碳刷由于流過了大的軸電流導(dǎo)致碳刷燒損嚴(yán)重，已經(jīng)無法接觸到轉(zhuǎn)軸，現(xiàn)在需要重新更換接地碳刷，為了保證轉(zhuǎn)軸電位為零電位，要讓接地碳刷可靠接地的同時并能與轉(zhuǎn)軸可靠接觸，可以及時將電機(jī)軸上的靜電荷引向大地消除軸電流。

4.5 高頻接地屏蔽電纜

在系統(tǒng)和地參考點(diǎn)之間使用50－100mm 寬的銅絞帶進(jìn)行高頻連接，以使各部分的電位相等，見圖5 所示。扁平電纜將提供一個比圓電纜小的電抗回路。這需要變頻器的接地和電機(jī)的接地斷開的地方進(jìn)行連接。另外要使電機(jī)外殼和驅(qū)動機(jī)械的電位相等，以縮短電機(jī)和驅(qū)動負(fù)載軸承間的電流回路。

圖5 對稱屏蔽電纜

5 結(jié)論與展望

按照以上幾種方法改進(jìn)后，效果明顯。電機(jī)一直安全運(yùn)行，無異常噪音及報警出現(xiàn)，這充分說明上述幾種發(fā)法的可行性及合理性。對于電機(jī)自身而言，通過使用絕緣軸承就可以有效的保護(hù)軸承以免軸電流損害，但是對于整個驅(qū)動系統(tǒng)而言，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。要使整個驅(qū)動系統(tǒng)處于一個安全，不受軸電流損害的情況，還需要做很大的研究。