周 煒，鄒遠(yuǎn)華，彭子兵

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 鉛鋅金屬有限公司，江西 九江 332500）

堿洗電機(jī)故障分析

周 煒，鄒遠(yuǎn)華，彭子兵

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 鉛鋅金屬有限公司，江西 九江 332500）

軸電壓、軸電流一直以來(lái)不被人們所重視，隨著國(guó)際、國(guó)內(nèi)對(duì)軸電壓、軸電流的研究越來(lái)越熱，這一問(wèn)題逐漸被人們所重視。事實(shí)證明軸電壓、軸電流對(duì)電機(jī)軸承的危害是極大的，如果處理不好，會(huì)造成嚴(yán)重的設(shè)備事故。江銅鉛鋅金屬有限公司的兩臺(tái)電機(jī)就是軸電壓、軸電流對(duì)電機(jī)軸承損害最好的實(shí)例。

軸電壓；軸電流；PWM逆變器；共模電壓；靜電耦合；電磁感應(yīng)

1 引言

江銅鉛鋅金屬有限公司堿洗的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的電機(jī)，功率都是560kW，電壓都是10kV，功率因數(shù)都是0.89，這兩臺(tái)電機(jī)在大修期間把運(yùn)行方式改為變頻調(diào)速。并在大修后都出現(xiàn)故障。1#電機(jī)軸承異音，經(jīng)查新?lián)Q的軸承滾珠及滾道上面有電擊傷痕，2#電機(jī)軸承直接燒毀。1#電機(jī)故障先于2#電機(jī)幾天發(fā)生。

1#電機(jī)故障發(fā)生時(shí)大家一致認(rèn)為的故障原因是電焊機(jī)焊接回路流經(jīng)軸承引起的。2#電機(jī)故障的原因到現(xiàn)在眾說(shuō)紛紜，尚無(wú)定論。但是基這兩臺(tái)電機(jī)的故障都是單獨(dú)分析，沒(méi)有把這兩臺(tái)電機(jī)做為一個(gè)整體來(lái)考慮。也就是說(shuō)沒(méi)有考慮到兩臺(tái)電機(jī)的故障是不是同樣的原因造成的。

為了弄清這個(gè)兩個(gè)電機(jī)損壞的真正原因，我們不妨先了解一下軸電壓、軸電流的相關(guān)知識(shí)。

對(duì)于電機(jī)軸電壓及軸承電流早在20世紀(jì)20年代就已經(jīng)被人們認(rèn)識(shí)和研究，當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)和研究主要是在工頻電壓下電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的不對(duì)稱(chēng)所產(chǎn)生的軸承電壓及電流，并因此而不斷改進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)及制造。而隨著 PWM 逆變器供電的大量應(yīng)用，交流電機(jī)的性能得到了大大的提高，但同時(shí)也對(duì)電機(jī)產(chǎn)生了負(fù)面影響。大量研究表明，PWM逆變器供電下電機(jī)軸承的“軸電壓”和“軸承電流”對(duì)軸承的損壞更加明顯。對(duì)電機(jī)的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)：每10臺(tái)損壞的電機(jī)中有4臺(tái)是因?yàn)殡姍C(jī)軸承的損壞而引起的；同時(shí)每4臺(tái)軸承損壞的電機(jī)中有1臺(tái)是軸電流引起的軸承損壞［1］；不僅如此,隨著 IGBT等高性能器件的大力推廣和使用，這一數(shù)字正在迅速增長(zhǎng)。所以，這一問(wèn)題又被提了出來(lái)并且其因嚴(yán)重性更加凸現(xiàn)而成為國(guó)外研究的熱點(diǎn)［2］。

2 軸電壓的產(chǎn)生機(jī)理

研究表明：運(yùn)行中的電機(jī)，軸電壓主要來(lái)自以下3個(gè)方面：

（1）電磁感應(yīng)。

一般電機(jī)在工頻電壓下運(yùn)行時(shí)，引起軸電壓的原因主要是磁路不平衡、單極效應(yīng)、靜電感應(yīng)、電容電流等，歸根結(jié)底，其本質(zhì)本質(zhì)就是磁通脈動(dòng)［3］。如果電機(jī)結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)合理，且運(yùn)行條件正常，當(dāng)電機(jī)采用正弦波供電時(shí)，轉(zhuǎn)軸上的電位差很小，其危害也很小。當(dāng)電機(jī)采用PWM變頻調(diào)速時(shí)，變頻器PWM脈寬調(diào)制使得調(diào)速系統(tǒng)中產(chǎn)生大量的高頻諧波，這些高頻諧波分量在轉(zhuǎn)軸、定子繞組和電纜等部分產(chǎn)生電磁感應(yīng)，產(chǎn)生電壓。

（2）內(nèi)部源的靜電耦合。

由于靜電耦合, 電機(jī)各部分間存在著大小不等的分布電容, 在正弦交流電的驅(qū)動(dòng)下形成回路, 依照輸電線路等效的理論,一個(gè)參數(shù)分布電路可以用與之有相同輸入輸出關(guān)系及參數(shù)的F網(wǎng)絡(luò)等效。因此繞組轉(zhuǎn)子經(jīng)耦合形成軸電壓電路。經(jīng)簡(jiǎn)化后的單相電路等效圖如圖1所示：

圖1 電機(jī)共模回路等效電路

Vsg為共模電壓耦合成的定子中點(diǎn)對(duì)地電壓；Z1為電源中點(diǎn)對(duì)地電抗；Z2為旁路阻抗, 表示驅(qū)動(dòng)回路中的共模電抗線圈、線路電抗器和長(zhǎng)電纜等；R0為定子的零序電阻；L0為定子的零序電感；Csf為電機(jī)定子對(duì)地電容；Csr為定子對(duì)轉(zhuǎn)子電容；Crf為轉(zhuǎn)子對(duì)地電容；Rb為軸承回路電阻；Cb為軸承油膜的電容；R1為軸承油膜的非線性阻抗；Vsng為定子繞組中性點(diǎn)對(duì)地電壓；Vrg為轉(zhuǎn)子中性點(diǎn)對(duì)地電壓。

（3）外部源的靜電耦合。

外部源的靜電耦合對(duì)電機(jī)軸承的影響最典型的是PWM逆變器，且PWM逆變器是主要影響因素之一。通常用正弦波電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，磁路不平衡對(duì)軸電壓的影響人們一般比較重視, 但是電機(jī)采用逆變器驅(qū)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生軸電壓的主要原因就是電壓不平衡。由于線路阻抗、元器件阻抗和回路阻抗的不平衡，電源不可避免地產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，即電源電壓的零序分量。該電壓的零序分量在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中產(chǎn)生電流，稱(chēng)之為零序電流，軸承便是構(gòu)成電機(jī)零序回路的一部分。如圖2所示,圖中；Vn為共模電壓。

圖2 逆變器驅(qū)動(dòng)原理圖

va、vb、vc分別為逆變器輸出三相相電壓；ia、ib、ic分別為電機(jī)三相相電流；vn為共模電壓。

在電機(jī)采用PWM逆變器驅(qū)動(dòng)時(shí)，既便是三相電壓完全對(duì)稱(chēng)，共模電壓也不可能為零，這是由逆變器的本質(zhì)特性所引起的，在這種情況下，逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)決定了vn的取值，而且逆變器載波頻率與vn的變化周期與一致。

3 軸電流及其危害

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，若軸電壓能通過(guò)軸兩端與電機(jī)機(jī)座等構(gòu)成回路，則軸電壓產(chǎn)生了軸電流［4］。這時(shí)電機(jī)軸、軸承、定子機(jī)座等裝置就在理論上形成了回路，有軸電壓的存在就會(huì)產(chǎn)生軸電流。研究表明，在軸電壓較低時(shí)，因?yàn)闈?rùn)滑油的絕緣特性，使得軸與電機(jī)機(jī)座不能構(gòu)成回路，所以不會(huì)產(chǎn)生軸電流。但由于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)的瞬間，軸承潤(rùn)滑油的油膜尚未形成或者尚未穩(wěn)定形成，當(dāng)軸電壓達(dá)到一定值時(shí)就可以擊穿潤(rùn)滑油油膜放電，形成電流回路，從而產(chǎn)生軸電流。回路中的阻值非常小，導(dǎo)致回路的軸電流很大，大的電流流過(guò)上述回路就會(huì)產(chǎn)生高溫，這就使得滾珠或軸承內(nèi)外圈等局部融化，從而產(chǎn)生凹槽、凹坑等現(xiàn)象，進(jìn)一步引起電機(jī)的噪聲增大、振動(dòng)增大，這就要及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理，否則就會(huì)導(dǎo)致軸承燒毀等故障，對(duì)生產(chǎn)造成影響。高壓大功率變頻調(diào)速電機(jī)中軸電流對(duì)軸承的危害更加顯著。

大量的研究數(shù)據(jù)表明，軸電流對(duì)滾動(dòng)軸承的危害比滑動(dòng)軸承大的多，這是因?yàn)榛瑒?dòng)軸承滾珠（滾柱）與軸承內(nèi)外圈滾道的接觸面積比滑動(dòng)軸承大很多，所以滑動(dòng)軸承對(duì)軸電流的敏感比滾動(dòng)軸承更小，實(shí)驗(yàn)表明如果想要保持滾動(dòng)軸承的穩(wěn)定運(yùn)行，其軸電流不得超過(guò)1A；如果軸電流超過(guò)1A，同時(shí)不大于1.4A時(shí)，軸承繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)200～700h就會(huì)燒毀；如果軸電流大于2A，軸承在幾小時(shí)內(nèi)便會(huì)燒毀［ 5］。電動(dòng)機(jī)能容許的軸電壓限值、軸電流限值與很多因素有關(guān)，如軸承類(lèi)型、工作狀態(tài)、潤(rùn)滑油、電機(jī)轉(zhuǎn)速、安裝精度、電機(jī)運(yùn)行環(huán)境和軸電流回路的阻抗等。目前，軸電壓的限值或軸電流限值在我國(guó)還沒(méi)有作出強(qiáng)制要求。但也有些廠家或研究機(jī)構(gòu)為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量或使用壽命，對(duì)軸電壓及軸電流的限值等作了相應(yīng)的規(guī)定，如西門(mén)子公司要求電機(jī)在出廠前必須進(jìn)行空載測(cè)試，且空載軸電壓不得超過(guò)350mV，否則，軸承必須采取有效的絕緣措施［6］。美國(guó) NEMAMGI 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電機(jī)必須按IEEE112標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行軸電壓測(cè)試，測(cè)試的軸電壓峰值應(yīng)不大于300mV，否則，必須采取有效的絕緣措施。

4 結(jié)論

在分析了以上有關(guān)軸電壓、軸電流的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素后，我們可以知道，普通電機(jī)改成變頻控制后，軸電壓、軸電流都會(huì)明顯增大，會(huì)對(duì)電機(jī)造成很大危害，因此可以斷定兩臺(tái)電機(jī)的故障都是因?yàn)檩S電壓、軸電流造成的，1#電機(jī)的軸承上只所以有灼傷的傷痕，是因?yàn)檩S電壓擊穿潤(rùn)滑油油膜，短時(shí)間放電，形成很大軸電流而燒傷造成的。2#電機(jī)同樣是因?yàn)檩S電流過(guò)大，對(duì)軸承造成損傷而不被發(fā)現(xiàn)，所以造成運(yùn)行幾個(gè)小時(shí)后直接燒毀軸承。因此我們對(duì)軸電流的危害不可小視。

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表3 某年度礦量增加及品位情況一覽表

7 結(jié)束語(yǔ)

本文主要通過(guò)對(duì)銅廠金分布規(guī)律的認(rèn)識(shí)，劃分了參與礦體二次評(píng)價(jià)的高金低銅資源重點(diǎn)分布區(qū)，為生產(chǎn)提高伴生金的回收和利用提供可靠依據(jù)，在高金低銅資源區(qū)的礦體二次評(píng)價(jià)中有了較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。每年為礦山充分利用低品位的資源，為延緩礦山資源消耗和延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限起到一定作用。

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Alkali Washing Motor Fault Analysis

ZHOU Wei, ZOU Yuan-hua, PENG Zi-bing
（JCC Lead and Zinc Metal Co., Ltd, Jiujiang, 332500, Jiangxi, China）

The shaft voltage and shaft current have been paid great attention by people, with the more study of shaft voltage and shaft current in international and domestic, this problem is paid great attention gradually. The facts prove that the harm of motor bearing shaft voltage and shaft current is great, if processes is not good, will cause serious equipment accidents. The damage of shaft voltage and shaft current of motor bearings in Jiangxi Copper Lead and Zinc Metal Co., Ltd is the typical example of damage.

shaft voltage；shaft current；PWM inverter；common mode voltage；electrostatic coupling； electromagnetic induction

TM34

B

1009-3842（2015）01-0086-03

2014-06-16

周煒（1985-），男，江西九江人，主要從事機(jī)電設(shè)備檢修。E-mail: Zhw003@163.com