变频电机轴电流造成轴承损坏的原因?

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变频电机轴电流造成轴承损坏的原因?

一、变频电机轴电流产生的原因

所谓轴电压是指转轴两端之间或转轴与轴承之间的电位差。轴电压由轴颈、油膜、轴承、基座及基础底座构成回路,当油膜被破坏时,就在回路内产生电流,即为轴电流。

1、 变频电机轴电压产生的原因

1)磁不平衡产生轴电压。电动机由于扇形冲片、硅钢片等叠装因素,再加上铁心槽、通风孔等的存在,造成在磁路中通切割转轴,在轴的两端感应出轴电压。

2)变频电源供电产生轴电压。电动机采用变频电源供电时,电源三相输出电压的矢量和不为零,产生零序电压分量(共模电压)。当电机在正常运行过程中,电机轴承内部形成油膜,在电机轴伸端和非轴伸端形成轴承电容 C b ,C nb , 加之电机系统内部耦合电容分压影响(电机内部定子绕组到机壳之间存在耦合电容 C wf , 定子绕组到转子之间存在耦合电容 C wr , 转子到机壳之间存在耦合电容 C rf ),整个电气拖动系统产生轴承电压,如图1所示。

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由于定子绕组和电机机壳之间存在很大的耦合电容,在高频的du/dt下,经定子绕组到机壳之间的耦合电容,产生电机绕组对地的漏电流,这些电流的频率由100 kHz变化到几MHz。这些频率变化的对地电流将在电机转轴周围产生变化的磁通,这种变化的磁通会在电机转轴上产生轴电压。

3)静电感应产生轴电压。在电动机运行现场周围有较多高压设备,在强电场的作用下,在转轴的两端感应出轴电压。

4)外部电源的介入产生轴电压。由于运行现场接线比较繁杂,尤其大电机保护、测量元件接线较多,哪一根带电线头搭接在转轴上,便会产生轴电压。

5)其他原因。如静电荷的积累、测温元件绝缘破损等因素都有可能导致轴电压的产生。

2、变频电机轴电流产生的原因

轴电流流通路径如图2所示。正常情况下,转轴与轴承间有润滑油膜的存在,起到绝缘的作用。对于较低的轴电压,这层润滑油膜仍能保护其绝缘性能,不会产生轴电流。但是当轴电压增加到一定数值时,尤其在电动机启动时,轴承内的润滑油膜还未稳定形成,轴电压将击穿油膜而放电,构成回路,形成轴电流。

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二、轴电流的危害

轴电流将从轴承和转轴的金属接触点通过,由于该金属接触点很小,所以这些点的电流密度大,在瞬间产生高温,使轴承局部烧熔,被烧熔的轴承合金在碾压力的作用下飞溅,于是在轴承内表面上烧出小凹坑,如图3所示。一般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。

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三、轴电压经验限值和测量方法

1、轴电压经验限值

电动机所容许的轴电压或轴电流的大小与轴承状况、安装质量、轴电流流经路径的阻抗等许多因素有关。因此,轴电压的限值难以具体规定。目前,国内或IEC关于轴电压或轴电流限值标准尚未形成,只有一些建议性规定(如西门子公司规定电机出厂空载轴电压要限制在350 mV以下,如果超过该值,轴承必须绝缘)。实践中,对于滚动与滑动轴承,通常可按表l所列范围适当掌握轴电压限值。

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2、轴电压测量方法

轴电压是感应信号,一般在10 V以下,测量时要求电压表或测量装置有很高的输入内阻,否则,信号经过测量回路泄漏,测量到的信号会有较大衰减。实际操作中,在电机运行于空载和负载状态下分别进行测试,测量过程如图 4所示。

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测量前应将轴上原有的接地保护电刷提起,然后按图4a所示,把发电机两侧轴与轴承用铜刷短路。用电压表测轴电压U 1 (测量的连接线与转轴必须用专用电刷,且电刷上应具有300 mm以上的绝缘手柄)。然后仅将非出轴端(励磁机侧)轴承与轴短接,如图4b所示,测非出轴端对地的轴电压U 2 (非出轴端一般为绝缘轴承)。比较U 1和U 2 ,可知轴承绝缘状况,一般U 2 =U 1 时,表示绝缘状况良好;U 1 >1.1U 2 时,表示绝缘情况不良,需要处理;当U 2 >U 1 时,表示测量错误。

四、抑制轴电压产生危害的对策

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值得提出的是加油管等一些辅助装置的绝缘也极其重要。如果这些辅助装置绝缘措施做得不到位,仍然可能给轴电流流通构成回路。图7就是某高压电机由于加油管接地(加油管与机座接触,造成接地,如图8所示)造成轴电流烧蚀轴承。解决措施之一就是在加油管上套热缩绝缘套管,如图9所示。采用此方法,对加油管进行绝缘处理后,该高压电机运行稳定,2 a来,再未出现轴承因轴电流烧蚀的现象。

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五、结论

在PWM变频供电电机拖动系统中,轴电压、轴电流产生的机理非常复杂,也不易测量,国内外尚未有明确的标准来规范它。但在企业的实际生产中,我们必须采取相应的措施来抑制轴电流。目前来看,采取绝缘措施、可靠接地措施是最实用的方法。另外,通过对电机轴承定期振动检测,结合频谱分析,也可帮助我们发现轴电流造成的早期损坏。

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