碱洗电机故障分析

周 炜，邹远华，彭子兵

（江西铜业集团公司 铅锌金属有限公司，江西 九江 332500）

碱洗电机故障分析

周 炜，邹远华，彭子兵

（江西铜业集团公司 铅锌金属有限公司，江西 九江 332500）

轴电压、轴电流一直以来不被人们所重视，随着国际、国内对轴电压、轴电流的研究越来越热，这一问题逐渐被人们所重视。事实证明轴电压、轴电流对电机轴承的危害是极大的，如果处理不好，会造成严重的设备事故。江铜铅锌金属有限公司的两台电机就是轴电压、轴电流对电机轴承损害最好的实例。

轴电压；轴电流；PWM逆变器；共模电压；静电耦合；电磁感应

1 引言

江铜铅锌金属有限公司碱洗的两台风机的电机，功率都是560kW，电压都是10kV，功率因数都是0.89，这两台电机在大修期间把运行方式改为变频调速。并在大修后都出现故障。1#电机轴承异音，经查新换的轴承滚珠及滚道上面有电击伤痕，2#电机轴承直接烧毁。1#电机故障先于2#电机几天发生。

1#电机故障发生时大家一致认为的故障原因是电焊机焊接回路流经轴承引起的。2#电机故障的原因到现在众说纷纭，尚无定论。但是基这两台电机的故障都是单独分析，没有把这两台电机做为一个整体来考虑。也就是说没有考虑到两台电机的故障是不是同样的原因造成的。

为了弄清这个两个电机损坏的真正原因，我们不妨先了解一下轴电压、轴电流的相关知识。

对于电机轴电压及轴承电流早在20世纪20年代就已经被人们认识和研究，当时的认识和研究主要是在工频电压下电机内部磁场的不对称所产生的轴承电压及电流，并因此而不断改进电机的设计及制造。而随着 PWM 逆变器供电的大量应用，交流电机的性能得到了大大的提高，但同时也对电机产生了负面影响。大量研究表明，PWM逆变器供电下电机轴承的“轴电压”和“轴承电流”对轴承的损坏更加明显。对电机的相关研究发现：每10台损坏的电机中有4台是因为电机轴承的损坏而引起的；同时每4台轴承损坏的电机中有1台是轴电流引起的轴承损坏［1］；不仅如此,随着 IGBT等高性能器件的大力推广和使用，这一数字正在迅速增长。所以，这一问题又被提了出来并且其因严重性更加凸现而成为国外研究的热点［2］。

2 轴电压的产生机理

研究表明：运行中的电机，轴电压主要来自以下3个方面：

（1）电磁感应。

一般电机在工频电压下运行时，引起轴电压的原因主要是磁路不平衡、单极效应、静电感应、电容电流等，归根结底，其本质本质就是磁通脉动［3］。如果电机结构及参数设计合理，且运行条件正常，当电机采用正弦波供电时，转轴上的电位差很小，其危害也很小。当电机采用PWM变频调速时，变频器PWM脉宽调制使得调速系统中产生大量的高频谐波，这些高频谐波分量在转轴、定子绕组和电缆等部分产生电磁感应，产生电压。

（2）内部源的静电耦合。

由于静电耦合, 电机各部分间存在着大小不等的分布电容, 在正弦交流电的驱动下形成回路, 依照输电线路等效的理论,一个参数分布电路可以用与之有相同输入输出关系及参数的F网络等效。因此绕组转子经耦合形成轴电压电路。经简化后的单相电路等效图如图1所示：

图1 电机共模回路等效电路

Vsg为共模电压耦合成的定子中点对地电压；Z1为电源中点对地电抗；Z2为旁路阻抗, 表示驱动回路中的共模电抗线圈、线路电抗器和长电缆等；R0为定子的零序电阻；L0为定子的零序电感；Csf为电机定子对地电容；Csr为定子对转子电容；Crf为转子对地电容；Rb为轴承回路电阻；Cb为轴承油膜的电容；R1为轴承油膜的非线性阻抗；Vsng为定子绕组中性点对地电压；Vrg为转子中性点对地电压。

（3）外部源的静电耦合。

外部源的静电耦合对电机轴承的影响最典型的是PWM逆变器，且PWM逆变器是主要影响因素之一。通常用正弦波电源驱动电机时，磁路不平衡对轴电压的影响人们一般比较重视, 但是电机采用逆变器驱动时，产生轴电压的主要原因就是电压不平衡。由于线路阻抗、元器件阻抗和回路阻抗的不平衡，电源不可避免地产生零点漂移，即电源电压的零序分量。该电压的零序分量在驱动系统中产生电流，称之为零序电流，轴承便是构成电机零序回路的一部分。如图2所示,图中；Vn为共模电压。

图2 逆变器驱动原理图

va、vb、vc分别为逆变器输出三相相电压；ia、ib、ic分别为电机三相相电流；vn为共模电压。

在电机采用PWM逆变器驱动时，既便是三相电压完全对称，共模电压也不可能为零，这是由逆变器的本质特性所引起的，在这种情况下，逆变器开关状态决定了vn的取值，而且逆变器载波频率与vn的变化周期与一致。

3 轴电流及其危害

电动机运行时，若轴电压能通过轴两端与电机机座等构成回路，则轴电压产生了轴电流［4］。这时电机轴、轴承、定子机座等装置就在理论上形成了回路，有轴电压的存在就会产生轴电流。研究表明，在轴电压较低时，因为润滑油的绝缘特性，使得轴与电机机座不能构成回路，所以不会产生轴电流。但由于电机启动时，启动的瞬间，轴承润滑油的油膜尚未形成或者尚未稳定形成，当轴电压达到一定值时就可以击穿润滑油油膜放电，形成电流回路，从而产生轴电流。回路中的阻值非常小，导致回路的轴电流很大，大的电流流过上述回路就会产生高温，这就使得滚珠或轴承内外圈等局部融化，从而产生凹槽、凹坑等现象，进一步引起电机的噪声增大、振动增大，这就要及时发现、及时处理，否则就会导致轴承烧毁等故障，对生产造成影响。高压大功率变频调速电机中轴电流对轴承的危害更加显著。

大量的研究数据表明，轴电流对滚动轴承的危害比滑动轴承大的多，这是因为滑动轴承滚珠（滚柱）与轴承内外圈滚道的接触面积比滑动轴承大很多，所以滑动轴承对轴电流的敏感比滚动轴承更小，实验表明如果想要保持滚动轴承的稳定运行，其轴电流不得超过1A；如果轴电流超过1A，同时不大于1.4A时，轴承继续运转200～700h就会烧毁；如果轴电流大于2A，轴承在几小时内便会烧毁［ 5］。电动机能容许的轴电压限值、轴电流限值与很多因素有关，如轴承类型、工作状态、润滑油、电机转速、安装精度、电机运行环境和轴电流回路的阻抗等。目前，轴电压的限值或轴电流限值在我国还没有作出强制要求。但也有些厂家或研究机构为了保证产品的质量或使用寿命，对轴电压及轴电流的限值等作了相应的规定，如西门子公司要求电机在出厂前必须进行空载测试，且空载轴电压不得超过350mV，否则，轴承必须采取有效的绝缘措施［6］。美国 NEMAMGI 标准规定，电机必须按IEEE112标准进行轴电压测试，测试的轴电压峰值应不大于300mV，否则，必须采取有效的绝缘措施。

4 结论

在分析了以上有关轴电压、轴电流的产生机理及影响因素后，我们可以知道，普通电机改成变频控制后，轴电压、轴电流都会明显增大，会对电机造成很大危害，因此可以断定两台电机的故障都是因为轴电压、轴电流造成的，1#电机的轴承上只所以有灼伤的伤痕，是因为轴电压击穿润滑油油膜，短时间放电，形成很大轴电流而烧伤造成的。2#电机同样是因为轴电流过大，对轴承造成损伤而不被发现，所以造成运行几个小时后直接烧毁轴承。因此我们对轴电流的危害不可小视。

［1］刘建强, 郑琼林. 各种PWM控制方式下的电机共模电压比较研究[J].北京交通大学学报, 2005, 29(5):98-102.

［2］黄立培, 浦志勇. 大容量PWM逆变器对交流电机的轴电压和轴承电流的影响[J]. 电工电能新技术, 2000, 4:39-42.

［3］高峰, 吴亚旗. 变频电机轴电流分析及对策[J]. 电机技术, 2007, 4:25-27.

［4］王静, 徐进. 变频电机轴电流形成原因及防范措施[J]. 聚酯工业, 2012-11, 25(6):59-60.

［5］郭程. 变频技术对交流电动机轴电流的影响与预防[J]. 大电机技术, 2008, (3):23-25.

［6］刘世雄. 一次风机电机轴承损伤的原因分析及处理[J]. 大电机技术, 2011, (O1):34-36.

表3 某年度矿量增加及品位情况一览表

7 结束语

本文主要通过对铜厂金分布规律的认识，划分了参与矿体二次评价的高金低铜资源重点分布区，为生产提高伴生金的回收和利用提供可靠依据，在高金低铜资源区的矿体二次评价中有了较高的经济价值。每年为矿山充分利用低品位的资源，为延缓矿山资源消耗和延长矿山服务年限起到一定作用。

参考文献：

［1］江西省地矿实验局. 江西省德兴铜厂斑岩铜矿物质组分和金的赋存状态(内部) [R]. 德兴. 江铜集团德兴铜矿, 1977.

［2］铜厂矿区补充勘探地质报告(内部)[R]. 德兴. 江铜集团德兴铜矿, 1978.

［3］朱训,黄崇轲. 德兴斑岩铜矿[M]. 北京: 地质出版社, 1983.1-32.

［4］中国有色金属工业总公司矿产地质研究院. 江西德兴铜矿伴生金赋存状态及分布规律研究报告(内部)[R]. 德兴. 江铜集团德兴铜矿, 1990.

［5］胡保根, 席慕生. 当量品位的实践应用[J]. 铜业工程, 2006(4):29-31.

［6］丁俊华, 许文渊, 吴厚泽. 中国伴生金矿床[M]. 北京: 地质出版社, 1996. 246-249.

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

周炜（1985-），男，江西九江人，主要从事机电设备检修。E-mail: Zhw003@163.com