本文针对同一台高压交流电动机反复出现轴承故障的现象,分析阐述了交流电动机内外部轴电压产生的原因,由于轴电压构成的回路电阻很小,以致很小的轴电压便会产生很大的轴电流。根据轴电流对轴承破坏的共同特征,对轴电流造成轴承损伤的机理进行分析,结合电动机检修管理的实践经验,提出了轴电流的防治措施和设防建议措施。

由于高压交流电动机的磁路磁场不对称、漏磁、剩磁、轴向磁阻变化和外部静电感应、外部电源介入等原因,运行中的交流高压电动机会产生轴电流。而轴电流对电动机的轴承和轴瓦造成严重损伤,出现轴承状态监测数据恶化,严重时会使轴承烧损,而轴承或轴瓦损坏及更换带来的直接和间接经济损失也不可低估。因此必须高度重视和防范交流高压电动机的轴电流问题。

某企业E-GA120B急冷油循环泵电动机由日本富士公司于1997年4月制造,为560kW,4极6kV的增安型电动机,其轴伸端轴承为6226C3和NU226MC3,非轴伸端轴承为NU226MC3。

该电动机投用以来一直运转平稳,但在2011年1月5日因电机非负荷端的冷却进风口(下进风口)被保温塑料薄膜吸堵,引起轴伸端轴承超温运行,造成轴伸端轴承抱轴故障,同时出现电动机负荷侧定转子的部分扫膛,经抢修后投入正常运行。运行3个月左右,该电动机轴承状态冲击脉冲(SPM)监测数据明显恶化,当时怀疑轴承质量有问题,不得已安排更换轴承并再次投入运行。但2011年10月该电动机轴承状态SPM监测数据再次恶化,经对检修拆解轴承的观察分析,发现NU226MC3轴承内圈有明显的搓板样条形烧伤痕迹,判断为轴电流引起的轴承烧损故障。

为此采取防止产生轴电流的措施,在非负荷端改用九星绝缘轴承,之后该电动机正常运行至2015年12月,才因负荷端轴承保持架突然疲劳故障安排了检修。期间SPM轴承状态监测数据仍保持良好状态,电动机轴承的正常运行寿命得到了保证和延长。

1 电动机轴承损伤原因分析

交流电动机是在正弦交变的电压下运行的,电动机的转子是在正弦交变的磁场中运行。由于存在扇形冲片与极对数关系不正确,硅钢片铁芯材料的方向性等叠加因素,铁芯槽、通风孔等存在剩余磁通等问题,使电动机内部的磁路中产生不平衡的磁阻,电动机中便产生与轴相交链的交变磁通,在轴的两端感应出轴电压。该电压是沿轴向产生的,如果与轴两侧的轴承直接接触形成闭合回路,将有轴电流产生。

几乎所有的电动机运转时或多或少都会产生某种水平的轴电压,除了电动机内部因磁路中磁阻不平衡产生的轴电压外,还有外部原因诸如逆变电源供电运行产生的、静电感应产生的、外部测控元件电源的介入产生的以及负载方面的流体与旋转体相互间的摩擦而在旋转体形成静电荷积累产生的轴电压。

只要轴电压高于某一特定水平,就是一种故障隐患[1]。电动机所容许的轴电压、轴电流的大小与轴承类型、运行状态、润滑油质、转速、安装质量、现场运行环境和轴电流流经路径的阻抗等许多因素有关。

相对于滑动轴承,滚动轴承由于滚珠(滚柱)与轴承内外圈滚道的接触面积更小,电流密度更大,对轴电流的敏感度比滑动轴承更大,凡有轴电流的电动机,由于转轴硬度及机械强度比轴承烧熔合金的高,通常表现出来的症状是轴承内表面被压出条状电弧伤痕,于是在轴承内表面形成凹坑或凹槽。

拆下滚动轴承检查,发现轴承内外圈滚道上有像洗衣搓板样的条形损伤痕迹,这是轴电流对滚动轴承破坏的共同特征[2]。此现象产生的原因是在滚珠或滚柱在碾压接触的地方接触电阻很小,并将润滑油脂挤向两侧,当滚动体将要离开原位置时,产生小间隙,此时就有放电现象产生,将跑道烧成条状痕迹;线条的个数与轴电流频率、电动机转速和轴承内状况有关。

轴电流对滚动轴承造成的危害主要体现在以下几方面:

(1)由于电弧放电和电离,电动机轴承内的润滑剂劣化加速,导致润滑性能和介电强度降低;

(2)轴电流在转轴和轴承内表面将产生许多电蚀点,破坏了轴承与转轴的良好配合,破坏油膜形成条件;

(3)轴承运行温度升高,噪声和振动加剧,甚至伴有润滑油脂流出;

(4)过大的轴电流密度甚至会造成严重的灼伤,在轴承滚道表面形成不可逆的麻点(凹坑)和凹槽;

(5)在爆炸性危险环境运行的电动机,过大的轴电流产生的过热或火花,将可能引发爆炸等恶性事故。

一般通过滚动轴承的最大电流密度不得超过1.5A/mm^2,否则轴承性能将严重恶化,损害轻微的可运行上千小时,严重的甚至只能运行几小时,给现场安全生产带来极大的影响。美国电气制造商协会编写的NEMA MG1标准规定,按IEEE112《多相感应电动机试验标准》进行试验,给出了不同轴电压、轴电流水平对电动机轴承造成的影响,

根据表1和表2的参考限值:对于滑动轴承,轴电压小于0.5V,轴电流小于10A,基本无烧蚀,可满足正常稳定运行;而对于滚动轴承,轴电压小于0.3V,轴电流小于1A,一般滚动轴承才能满足正常稳定运行。

E-GA120B电动机第一次故障运行前后,其运行环境和运行条件均没有任何变化,可以判明不存在外部原因引起轴电流的可能,因此只能从电动机本身寻找原因。该电动机故障前运行状态平稳正常,说明设计制造时,磁路磁场对称性控制很好,轴电压和轴电流满足正常运行要求。而当该电动机出现抱轴和负荷侧部分扫膛故障后,电动机磁路磁场的对称性遭到破坏,导致磁阻不平衡(检修后仍存在硅钢片粘连,使得磁性材料定向属性发生变化以及气隙不均匀等现象),产生超出正常运行要求的轴电压。又由于该电动机在阻断轴电流方面没有采取任何设防措施,使得电动机前后轴承内外圈、轴承室、机座形成了闭合回路,于是产生了超出正常运行要求的轴电流,加剧了轴承的损伤,缩短了轴承使用寿命。

对有害的轴电压和轴电流可通过两种方法来判别[1]:一是通过电动机试验平台检测轴电压的方式;二是通过观察拆解下来的故障滚动轴承来判别,凡是轴电流引起的烧伤,在拆除轴承检查时会发现轴承内外圈跑道上有像搓板样的条形烧伤痕迹,这是轴电流对滚动轴承破坏的共同特征。根据以上分析,该电动机轴承频繁故障的真正原因是轴承抱轴故障引起定转子部分扫膛,造成电动机磁路磁阻不平衡而产生的有害轴电流所致。

2 防止电动机产生轴电流的措施

轴电压对电动机是没有损害的,只有形成轴电流才会对轴承和转轴造成破坏,轴电流的形成需要同时具备两个条件:一是轴承内圈和轴承外圈、轴承室、机座形成一个闭合回路;二是轴承的内圈和外圈之间存在电位差,即轴电压。上述两个条件只要有一个不具备,就不会产生轴电流。

实际制造、使用、检修过程中,通常采取的防治措施:一是阻断形成轴电流的闭合回路;二是在电动机转轴上安装旁路电刷。在阻断形成轴电流的闭合回路方面,可采取的途径和方法是

在电动机非负荷端直接采用绝缘轴承,此方法简单、有效、可靠,缺点是订货周期长,轴承更换费用高,可通过有效的管理来克服(如加强与轴承供应商的联系,落实库存备件和保管措施等)。

在本案中,电动机轴电流的产生是由电动机内部引起的,根据上述防止轴电流的措施,结合实际使用、检修的可行性,决定对该交流高压电动机非负荷端的轴承直接改用九星绝缘轴承,以阻断轴电流的闭合回路,从而消除轴电流对轴承的损伤。

通过采取以上阻断轴电流的解决措施,该电动机轴承可正常运行4年有余,减少了因频繁更换轴承带来的直接和间接经济损失。

变频器使用中应注意的问题

变频器的使用中,由于对变频器的选型及使用不当,往往会引起变频器不能正常运行、甚至引发设备故障,导致生产中断,带来不必要的经济损失。本文以富士frnp7/g7变频器为例,讲述变频器使用应注意的几个问题。
1、选型
一台喂料油隔泵采用变频控制,电机型号为jr127_10、115kw,ue=380v,ie=231a,使用frnll0p7-4ex变频器。运行中发现有时虽然给定频率高,但实际频率调不上去、变频器跳闸频繁,故障指示为“oll”,即变频器过载。经检查,变频器的额定电流为210a,而油隔泵电机在高下料量时运行电流在220a左右波动,驱动转矩达到极限设定,使频率不能上调,运行电流大于变频器额定电流,变频器过流跳停。分析认为其原因是变频器容量选择偏小。
变频器的选型应满足以下条件:
(1)电压等级与控制电机相符。
(2)额定电流为控制电机额定电流的1.1~1.5倍。
(3)根据被控设备的负载特性选择变频器的类型。
油隔泵为恒转矩负载,最好选用驱动转矩极限范围宽的g7变频器。选择frnl60g7_4ex,变频器额定电压为400v,额定输出电流为304a,驱动转矩极限为150%,改用frnl60g7。4ex后,上述问题再也没有发生。
2、安装环境
由于变频器集成度高,整体结构紧凑,自身散热量较大,因此对安装环境的温度、湿度和粉尘含量要求高。山西铝厂的变频器安装于操作室内,因安装车间属于干法车间,变频器运行环境差,操作室粉尘多,夏季室内温度高,曾多次发生变频器故障。在对操作室进行密封和加冷却设施后,情况大为改善。后来因操作室集中空调冷凝水较多,距离柜子太近,发生了一起变频器控制板元件损坏的故障。可见在安装变频器的同时,必须为变频器提供一个好的运行环境。
3、参数设定
变频器的设定参数多,每个参数均有一定的选择范围,使用中常常遇到因个别参数设置不当,导致变频器不能正常工作的现象。
(1)外加起停按钮及电位器调频无效。变频器出厂时设定为通过键盘面板操作,外部控制无效,端子fwd_cm用短接片短接。选择外部起停及调频控制时,必须将该短接片去掉。出现上面问题,可能是fwd,cm短接片未取掉,操作方式和调频方式参数选择错误所致,应重点对该部分进行检查。
(2)变频器在电机空载时工作正常,但不能带载起动。这种问题常常出现在恒转矩负载。山西铝厂一台frnl60p7。4ex变频器在试车时电机空试正常、但一带负荷即跳闸,提高了加减速时间后仍无法带载。继续检查转矩提升值,将转矩提升值由“2”改为“7”后,提高了低频时的电压输出。改善了低频时的带载特性,电机带载正常。遇到上述问题时应重点检查加、减速时间设定及转矩提升设定值。
(3)变频器投入运行、电机还未起动就过载跳停。山西铝厂一台7.5kw_6极电机采用变频控制,变频器在投入运行起动时、频繁跳停。经查原设定时将偏置频率设定为2h2、变频器在接到运行指令但未给出调频信号之前、受控电机将一直接收2h2的低频运行指令而无法起动。经测定该电机的堵转电流达到47a,约为电机额定电流3倍,变频器过载保护动作属正常。改偏置频率为0hz,电机起动正常。
(4)频率已经达到较大值,但电机转速仍不高。一台新投用的变频器频率设置显示已经很大,但电机转速明显较同频率下其它电机低。检查频率增益设定值为150%。由频率设定信号增益定义可知:设定增益为设定模拟频率信号对输出频率的比率,假设设定频率为30hz,实际输出频率仅为20h2。将设定增益改为100%后,问题得到解决。
(5)频率上升到一定数值,继续向上调节时,频率保持在一定值不断跳跃,转速不能提高。变频器工作时,将自动计算输出转矩,并将输出转矩限制在设定值内。如果驱动转矩设定值偏小,将可能因输出转矩受到限制,使变频器输出频率达不到给定频率。遇到上面的问题,应检查驱动转矩设定值是否偏小,变频器的容量是否偏小,再设法解决。
4、故障诊断
变频器拥有较强的故障诊断功能,对变频器内部整流、逆变部分,cpu及外围通讯与电动机等故障进行保护。变频器在保护跳闸后故障复位前,将一直显示故障代码。根据故障指示代码确定故障原因,可缩小故障查找范围,大大减少故障查找时间。
(1)一台变频器在清扫后启动时,显示“oh2”故障指示跳停,oh2指变频器外部故障。出厂时连接外部故障信号的端子“thr”与“cm”之间用短接片短接,因这台变频器没有加装外保护,thr_cm仍应短接。经检查,由于66thr”与“cm’之间的短接片松动,在清扫时掉下。恢复短接片后变频器运行正常。
(2)变频器一启动就跳停,故障指示为“ocl”、ocl为加速时过电流,怀疑为电机故障,将变频器与电机连接线断开,检查电机绕组匝间短路。更换电机后变频器运行正常。
(3)夏季如果变频器操作室的制冷、通风效果不良,环境温度升高,则经常发生“ohl”、“oh3”过热保护跳停。这时应检查变频器内部的风扇是否损坏,操作室温度是否偏高,应采取措施进行强制冷却,保证变频器安全过夏。
(4)变频器在频率调到15hz以上时,“lu”欠电压保护动作。“lu”保护信号指整流电压不足。我们从整流部分向变频器电源输入端检查,发现电源输入侧缺相,由于电压表从另外两相取信号,电压表指示正常,没有及时发现变频器输入侧电源缺相。输入端缺相后,由于变频器整流输出电压下降,在低频区、因充电电容的作用还可调频,但在频率调至一定值后,整流电压下降较快、造成变频器“lu”跳闸。
5、维护
变频器运行过程中,可以从设备外部目视检查运行状况有无异常,专职点检员可以通过键盘面板转换键查阅变频器的运行参数,如输出电压、输出电流、输出转矩、电机转速等,掌握变频器日常运行值的范围,以便及时发现变频器及电机问题。此外,还要注意以下几点:
(1)设专人定期对变频器进行清扫、吹灰,保持变频器内部的清洁及风道的畅通。
(2)保持变频器周围环境清洁、干燥。严禁在变频器附近放置杂物.
(3)每次维护变频器后,要认真检查有无遗漏的螺丝及导线等,防止小金属物品造成变频器短路事故。
(4)测量变频器(含电机)绝缘时,应当使用500v兆欧表。如仅对变频器进行检测,要拆去所有与变频器端子连接的外部接线。清洁器件后,将主回路端子全部用导线短接起来,将其与地用兆欧表试验,如果兆欧表指示在5m欧以上,说明是正常的,这样做的目的是减少摇测次数。
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