楊國炯，梁建勇

洛陽源創(chuàng)電氣有限責(zé)任公司 河南洛陽 471000

隨 著控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器在礦井提升機(jī)上的應(yīng)用也得到了普及[1]。由于節(jié)能環(huán)保的要求和技術(shù)性能的提高，越來越多的轉(zhuǎn)子串電阻拖動方式被淘汰，變頻器拖動異步電動機(jī)[2-3]的驅(qū)動方式的使用越來越普遍。在異步電動機(jī)使用過程中，如果軸承兩端或電動機(jī)轉(zhuǎn)軸與軸承間存在軸電壓，隨著電壓的升高，將擊穿絕緣體，形成軸電流。軸電流破壞電動機(jī)的機(jī)械性能和電氣性能[4]，使電動機(jī)出現(xiàn)發(fā)熱、螺絲松動、焊點(diǎn)開裂、異響、強(qiáng)烈振動等異?，F(xiàn)象。在軸電流的持續(xù)影響下，電動機(jī)軸承的使用壽命將大大縮短，甚至損壞軸承或電動機(jī)的其他重要部位。由于變頻器輸出必定有諧波存在，更加劇了軸電流對電動機(jī)的影響。當(dāng)電動機(jī)運(yùn)行異常時，可能會被誤認(rèn)為是變頻器異常導(dǎo)致的，在變頻器上查找問題，延誤了問題的解決。

1 案例分析

河南某煤礦主井提升機(jī)控制系統(tǒng)原采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速裝置，該控制方式存在調(diào)速精度差、故障率高、能耗高等弊端，后將該控制系統(tǒng)改造為變頻器拖動方式。主井提升機(jī)電氣設(shè)備的主要參數(shù)如表 1 所列。

表1 主井提升機(jī)電氣設(shè)備的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of electric equipments for mine hoist

1.1 問題的產(chǎn)生及排查

提升機(jī)控制系統(tǒng)改造調(diào)試完畢后，各項性能滿足要求，運(yùn)行安全可靠。但設(shè)備使用一年半后，出現(xiàn)變頻器故障頻繁、電流波動變大、電動機(jī)聲音變大及振動等異?，F(xiàn)象，且隨著時間的推移，異常現(xiàn)象越來越明顯，嚴(yán)重影響煤礦的正常生產(chǎn)，遂對異常原因進(jìn)行排查。

(1) 在保證安全的前提下，拆掉變頻器輸出端到電動機(jī)的輸出電纜并可靠固定，全面檢查變頻器各部件及附件，均未發(fā)現(xiàn)異常。給變頻器送電，其各部分顯示正常，啟動變頻器，發(fā)現(xiàn)電壓、電流、頻率等性能均滿足要求?？梢耘卸?，變頻器運(yùn)行正常，問題出在電動機(jī)或其他附屬機(jī)構(gòu)。

(2) 做好安全防護(hù)，保證滾筒等機(jī)械設(shè)備可靠固定的前提下，打開電動機(jī)和減速機(jī)的連接器并可靠固定，保證電動機(jī)可以安全轉(zhuǎn)動。連接電動機(jī)和變頻器輸出電纜，變頻器帶動電動機(jī)運(yùn)行。電動機(jī)轉(zhuǎn)動時有周期性的響聲，隨著轉(zhuǎn)速的升高，聲音變得尖銳，變頻器報警停機(jī)。更換一臺同型號新電動機(jī)后，各頻率段運(yùn)行正常，異?，F(xiàn)象均未出現(xiàn)。

(3) 打開故障電動機(jī)外殼，檢查其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子滑環(huán)有大幅明顯晃動。拆開滑環(huán)發(fā)現(xiàn)有軸電流放電痕跡，如圖 1 所示。將轉(zhuǎn)子從電動機(jī)中移出，逐一檢查電動機(jī)外殼與橫梁、定子、轉(zhuǎn)子等結(jié)構(gòu)件，發(fā)現(xiàn)由于電動機(jī)長時間的振動，導(dǎo)致橫梁上的固定焊點(diǎn)有多處開裂，如圖 2 所示。

圖1 軸電流放電痕跡Fig.1 Current discharging marks on bearing

圖2 電動機(jī)橫梁固定焊點(diǎn)開裂Fig.2 Breaking of fixed weld joint on beam of motor

1.2 解決方案

(1) 更換新的電動機(jī)軸和軸承，加注足量合格的潤滑油，保證主軸有充足的潤滑油膜保護(hù)。在軸伸出端的軸承座和軸承支架處增加絕緣隔板，切斷軸電流的回路；在變頻器輸出端增加電抗器后連接電動機(jī)。

(2) 重新焊接電動機(jī)橫梁所有的固定焊點(diǎn)，保證電動機(jī)主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定可靠。

(3) 在軸伸出端安裝接地碳刷，使其可靠接地并與轉(zhuǎn)軸接觸，保證轉(zhuǎn)軸與大地同電位。

SWOT指的是優(yōu)勢、劣勢、機(jī)遇與挑戰(zhàn)，以下對湖北省汽車零部件產(chǎn)業(yè)進(jìn)行SWOT分析，以全面了解和評價其競爭力狀況。

(4) 整理電動機(jī)測溫線等輔助接線，保證絕緣體可靠；定期檢查并加強(qiáng)導(dǎo)線或墊片絕緣體，消除不必要的軸電流隱患。

(5) 定期檢查并更換潤滑油；定期檢查電動機(jī)結(jié)構(gòu)件及焊接點(diǎn)；定期檢查接地碳刷磨損情況，并及時更換。

通過以上措施，恢復(fù)了現(xiàn)場電動機(jī)的正常工作狀態(tài)。設(shè)備至今已正常運(yùn)行 2 a 多，也證明以上措施的針對性和正確性。

2 軸電壓、軸電流的產(chǎn)生

根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運(yùn)動，就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。如果電路不閉合，則會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

2.1 軸電壓的產(chǎn)生

軸電壓是電動機(jī)轉(zhuǎn)軸與軸承間或電動機(jī)軸承兩端所產(chǎn)生的電壓。軸電壓產(chǎn)生的主要原因有以下幾方面。

(1) 磁不平衡 電動機(jī)軸承、轉(zhuǎn)軸、定子、機(jī)座等結(jié)構(gòu)件組成回路，造成磁路中磁阻不平衡。轉(zhuǎn)軸被交變磁通切割，在軸的兩端感應(yīng)產(chǎn)生軸電壓。

(2) 變頻供電 采用變頻器驅(qū)動時，由于變頻器利用半導(dǎo)體功率器件 IGBT，其高頻載波的方式產(chǎn)生正弦波，供電時有高次的諧波分量，在諧波分量的影響下，接線部分、定子繞組線圈端部、轉(zhuǎn)動軸之間產(chǎn)生電磁感應(yīng)，從而產(chǎn)生軸電壓。

(4) 干擾電源 由于運(yùn)行環(huán)境接線比較復(fù)雜，尤其是電動機(jī)保護(hù)、測量元件接線很多，帶電線頭搭接在轉(zhuǎn)軸上，會產(chǎn)生軸電壓。

2.2 軸電流的產(chǎn)生

軸電流的形成條件是產(chǎn)生軸電壓、構(gòu)成閉合回路。電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部存在等效電容，變頻器中半導(dǎo)體元件的高速開關(guān)在等效電容上產(chǎn)生高速變化的高頻感應(yīng)電壓。電動機(jī)內(nèi)部各部位等效電容如圖 3 所示，等效電路如圖 4 所示。

圖3 電動機(jī)內(nèi)部各部位的等效電容Fig.3 Equivalent capacitance diagram of each part inside motor

圖4 電動機(jī)內(nèi)部各部位的等效電路Fig.4 Equivalent circuit diagram of each part inside motor

圖中，Cwh為定子繞組與電動機(jī)殼之間等效電容；Cwr為定子繞組與電動機(jī)轉(zhuǎn)子之間等效電容；Crh為電動機(jī)殼與轉(zhuǎn)子繞組之間等效電容；Cb為電動機(jī)殼與軸承兩端之間等效電容。

在軸承潤滑正常的條件下，潤滑油膜可起到絕緣作用，這個等效電路就是正確的。在軸電壓較低的情況下，潤滑油膜仍保持其絕緣性能，不會產(chǎn)生軸電流。但當(dāng)軸電壓過高時，潤滑油膜被擊穿，構(gòu)成軸電流回路。電動機(jī)殼與軸承兩端表現(xiàn)為非線性阻抗特性，電壓在等效電路上產(chǎn)生軸電流。

3 軸電流的危害

軸電流加速軸承潤滑油的老化，潤滑油膜的絕緣失效后，軸電流從轉(zhuǎn)軸和軸承的金屬接觸點(diǎn)流過。由于軸電流流過的接觸面一般都很小，所以接觸點(diǎn)的電流密度很大，放電瞬間產(chǎn)生較高溫度，將軸承局部熔化。頻繁的軸電流所導(dǎo)致的痕跡在軸承上累積，產(chǎn)生密密麻麻的小坑。運(yùn)行時間越長，傷痕越多，軸承轉(zhuǎn)動阻力變大，溫度升高，加劇了軸承的磨損。如不及時處理，可能導(dǎo)致軸承損壞，給安全生產(chǎn)帶來很大的隱患。

軸承受損后，電動機(jī)中心出現(xiàn)微小的偏擺，運(yùn)行穩(wěn)定狀態(tài)被打破。長時間的偏擺加劇了電動機(jī)的損壞，電動機(jī)可能產(chǎn)生噪聲、振動等異常現(xiàn)象，強(qiáng)烈的振動甚至導(dǎo)致焊點(diǎn)開裂。

如果電動機(jī)外殼接地較差，變頻調(diào)速系統(tǒng)中高頻“泄漏電流”遇到接地系統(tǒng)與電動機(jī)殼之間的較大電阻，將產(chǎn)生一個更大的電壓。這個電壓不僅破壞電動機(jī)軸承，而且破壞減速器或從動機(jī)的軸承。

4 軸電流的預(yù)防

針對軸電流形成的常見原因，可以采用以下措施進(jìn)行預(yù)防。

(1) 設(shè)備安裝時要符合電氣規(guī)范要求，采用標(biāo)準(zhǔn)的接地方式，保證各個部件可靠接地，變頻器輸出端增加電抗器后連接電動機(jī)。

(2) 在軸承座和軸承支架處加強(qiáng)絕緣，或采用特殊工藝制造絕緣軸承；定期檢查并更換軸承潤滑油，以切斷軸電流的回路。

(3) 在軸端安裝接地碳刷，使接地碳刷可靠接地，并且與轉(zhuǎn)軸可靠接觸，保證轉(zhuǎn)軸電位為零，消除軸電壓，避免產(chǎn)生軸電流；定期檢查并更換磨損的碳刷。

(4) 定期檢查并加強(qiáng)墊片或?qū)Ь€絕緣，以免產(chǎn)生軸電流隱患；增加軸承測溫裝置。

5 結(jié)論

由于變頻器和異步電動機(jī)的眾多優(yōu)點(diǎn)，它們在礦井提升機(jī)等工業(yè)現(xiàn)場的大量應(yīng)用是大勢所趨。異步電動機(jī)軸電流是一個客觀的存在，變頻器的諧波更加劇了軸電流對電動機(jī)的影響，了解電動機(jī)軸電流產(chǎn)生的原理，合理的預(yù)防措施能夠避免軸電流對電動機(jī)的損害，提高異步電動機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失。