周 東
作者通聯(lián):萊蕪鋼鐵集團有限公司板帶廠 山東萊蕪市 271104
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萊鋼板帶廠1500mm寬帶生產(chǎn)線POMINI自動化軋輥磨床為意大利POMINI公司制造,于2005年3月投入運行,用于軋機軋輥外形初加工和精加工。磨床伺服控制系統(tǒng)由西門子公司SINUMERIK 840D數(shù)控及驅(qū)動單元組成,砂輪旋轉(zhuǎn)電機采用SIMOVERT 6SE7系列變頻器驅(qū)動,電機功率129kW,額定轉(zhuǎn)速1150r/min,額定電流238A。
POMINI自動化軋輥磨床投入運行三個月后,砂輪電機軸向竄動量逐漸增大,電機軸承噪聲大,最后導致電機軸承燒損,測速編碼器損壞。更換安裝砂輪電機及測速編碼器運行三個月后又出現(xiàn)上述故障,將電機控制方式由速度控制模式改為V/f控制后,砂輪電機運行電流不穩(wěn)定,控制精度低,磨削輥形曲線較差,故障未得到根本解決。
造成砂輪電機軸承燒損的因素較多,為確定造成軸承燒損的根本原因,故解體損壞的軸承,在軸承外圈與滾珠接觸面上發(fā)現(xiàn)比較規(guī)則的灼痕,存在電化學腐蝕的表象,初步確認為電機軸電流造成軸承損壞。
砂輪電機為三相交流變頻電機,采用SIMOVERT 6SE7系列變頻器驅(qū)動。當電機在正弦波電源驅(qū)動運行時,通過電機軸的交變磁鏈產(chǎn)生軸電壓。這些磁鏈是由轉(zhuǎn)子和定子槽、分離鐵芯片之間的連接部分、磁性材料的定向?qū)傩院凸╇婋娫床黄胶獾纫蛩匾鸫磐ú黄胶舛a(chǎn)生的。而以IGBT為功率器件的PWM逆變器作為砂輪電機驅(qū)動電源時,電機軸電流問題更加嚴重,其產(chǎn)生機理與正弦波電源驅(qū)動時完全不同,由于大量采用高載波頻率(例如10kHz以上)的IGBT逆變器導致電機的軸承比低載波頻率的逆變器驅(qū)動時損壞更快(如圖1)。
圖1 IGBT整流單元高變化率的dv/dt導致高頻諧波
由于快速關斷IGBT功率器件導致的高頻諧波和電機各部分間存在著大小不等的分布電容,電機軸上形成耦合共模電壓,形成軸電壓的繞組—轉(zhuǎn)子耦合部分電路,泄漏電流流經(jīng)電機軸承,引起電火花擊穿軸承油膜,導致電機軸承損壞(如圖 2)。
西門子資料指出軸電流在0.35A/mm2以下是安全的,而高于0.7A/mm2則容易導致設備損壞。由于重力作用,軸承最下方油膜最薄,油膜向兩邊逐漸變厚,電火花引起軸承損壞現(xiàn)象比較規(guī)則,灼痕兩邊淺,中間深(如圖3)。
依據(jù)上述分析并結(jié)合軸承解體燒損實際情況,確定砂輪電機軸承燒損原因為軸電流造成。
在電機軸上加裝接地碳刷可消除軸電流,但是由于西門子電機結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場空間限制,不易安裝接地碳刷,經(jīng)檢查分析結(jié)合實際情況,采用以下幾種方法抑制軸電流:
圖2 電機軸承泄漏電流示意圖
(1)檢查發(fā)現(xiàn)砂輪電機未采用變頻電纜,而是采用了一般三相四線制的電纜,對諧波消除不利,將電纜更換為變頻電纜,從而減少諧波對系統(tǒng)的影響(圖4)。
圖3 軸承損壞情況
圖4 電纜
(2)改造接地系統(tǒng)。原系統(tǒng)僅變頻柜與廠房接地體連接,重新制作一個接地電阻<0.1Ω的接地極與磨床床身、變頻柜內(nèi)接地母排等各點相連,改善了接地效果。
(3)原砂輪電機使用NSK2216型普通軸承,重新選擇使用德國FAG6216.C4.J20AA軸承外套為絕緣的絕緣軸承,切斷軸電流。
采取上述措施后,POMINI磨床砂輪電機運行狀況穩(wěn)定,未再出現(xiàn)編碼器及電機軸承損壞的情況。