楊國炯，梁建勇

洛陽源創(chuàng)電氣有限責任公司 河南洛陽 471000

隨 著控制技術和電力電子技術的發(fā)展，變頻器在礦井提升機上的應用也得到了普及[1]。由于節(jié)能環(huán)保的要求和技術性能的提高，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[2-3]的驅(qū)動方式的使用越來越普遍。在異步電動機使用過程中，如果軸承兩端或電動機轉(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。軸電流破壞電動機的機械性能和電氣性能[4]，使電動機出現(xiàn)發(fā)熱、螺絲松動、焊點開裂、異響、強烈振動等異?，F(xiàn)象。在軸電流的持續(xù)影響下，電動機軸承的使用壽命將大大縮短，甚至損壞軸承或電動機的其他重要部位。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的影響。當電動機運行異常時，可能會被誤認為是變頻器異常導致的，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。主井提升機電氣設備的主要參數(shù)如表 1 所列。

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

1.1 問題的產(chǎn)生及排查

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

(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。可以判定，變頻器運行正常，問題出在電動機或其他附屬機構(gòu)。

(2) 做好安全防護，保證滾筒等機械設備可靠固定的前提下，打開電動機和減速機的連接器并可靠固定，保證電動機可以安全轉(zhuǎn)動。連接電動機和變頻器輸出電纜，變頻器帶動電動機運行。電動機轉(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。更換一臺同型號新電動機后，各頻率段運行正常，異常現(xiàn)象均未出現(xiàn)。

(3) 打開故障電動機外殼，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)子從電動機中移出，逐一檢查電動機外殼與橫梁、定子、轉(zhuǎn)子等結(jié)構(gòu)件，發(fā)現(xiàn)由于電動機長時間的振動，導致橫梁上的固定焊點有多處開裂，如圖 2 所示。

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

圖2 電動機橫梁固定焊點開裂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。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。

(2) 重新焊接電動機橫梁所有的固定焊點，保證電動機主體結(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、機遇與挑戰(zhàn)，以下對湖北省汽車零部件產(chǎn)業(yè)進行SWOT分析，以全面了解和評價其競爭力狀況。

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

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

通過以上措施，恢復了現(xiàn)場電動機的正常工作狀態(tài)。設備至今已正常運行 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)電磁感應現(xiàn)象，閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動，就會產(chǎn)生感應電流。如果電路不閉合，則會產(chǎn)生感應電壓。

2.1 軸電壓的產(chǎn)生

軸電壓是電動機轉(zhuǎn)軸與軸承間或電動機軸承兩端所產(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 電動機軸承、轉(zhuǎn)軸、定子、機座等結(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，從而產(chǎn)生軸電壓。

(4) 干擾電源 由于運行環(huán)境接線比較復雜，尤其是電動機保護、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。電動機結(jié)構(gòu)復雜，內(nèi)部存在等效電容，變頻器中半導體元件的高速開關在等效電容上產(chǎn)生高速變化的高頻感應電壓。電動機內(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殼之間等效電容；Cwr為定子繞組與電動機轉(zhuǎn)子之間等效電容；Crh為電動機殼與轉(zhuǎn)子繞組之間等效電容；Cb為電動機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。但當軸電壓過高時，潤滑油膜被擊穿，構(gòu)成軸電流回路。電動機殼與軸承兩端表現(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流過。由于軸電流流過的接觸面一般都很小，所以接觸點的電流密度很大，放電瞬間產(chǎn)生較高溫度，將軸承局部熔化。頻繁的軸電流所導致的痕跡在軸承上累積，產(chǎn)生密密麻麻的小坑。運行時間越長，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，電動機中心出現(xiàn)微小的偏擺，運行穩(wěn)定狀態(tài)被打破。長時間的偏擺加劇了電動機的損壞，電動機可能產(chǎn)生噪聲、振動等異常現(xiàn)象，強烈的振動甚至導致焊點開裂。

如果電動機外殼接地較差，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軸承，而且破壞減速器或從動機的軸承。

4 軸電流的預防

針對軸電流形成的常見原因，可以采用以下措施進行預防。

(1) 設備安裝時要符合電氣規(guī)范要求，采用標準的接地方式，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。

(2) 在軸承座和軸承支架處加強絕緣，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的眾多優(yōu)點，它們在礦井提升機等工業(yè)現(xiàn)場的大量應用是大勢所趨。異步電動機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的影響，了解電動機軸電流產(chǎn)生的原理，合理的預防措施能夠避免軸電流對電動機的損害，提高異步電動機運行的穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生較大的經(jīng)濟損失。