軸承抱軸模式下變頻器保護失效的分析及處理

龐 忠 王志剛 張偉偉 張 琪 顏銘志

軸承抱軸模式下變頻器保護失效的分析及處理

龐 忠 王志剛 張偉偉 張 琪 顏銘志

（聯泓新材料科技股份有限公司，山東 滕州 277527）

本文針對電動機軸承故障引發的半載負荷狀態下變頻器過電流保護缺失的問題進行原因分析并提出整改措施，通過技術改造可以避免電動機及拖動設備故障的進一步擴大，在電動機拖動設備管理行業具有推廣意義。

半載負荷；軸承抱軸；變頻器保護

0 引言

某公司EVA裝置設計13個料倉，安裝14臺脫氣風機，一臺脫氣風機對應一個料倉，另外一臺脫氣風機為備用風機。當某個料倉脫氣風機故障停車后，自動起動備用脫氣風機，風機短時間停車對生產沒有影響。設備選用德國愛珍GM801型風機；電動機選用西門子1LE0002—3AA2 3—3AB4—Z 315M型，額定功率132kW，額定電流235A，額定轉速2 980r/min；風機與電動機采用皮帶傳輸動力；控制方式采用變頻器起動，選用ABB ACS800—01—0205—3型變頻器；電動機安裝在懸臂式彈性基礎上。目前設備運行中發生多臺電動機軸承抱軸事故，現場檢查電動機無法盤車，軸承溫度較高，電動機轉子軸磨細，需要外委修復。

1 故障現象

1.1 電動機軸承損壞情況

從2013年設備運行以來EVA風送系統多臺電動機出現驅動端軸承抱軸現象，如圖1所示，電動機軸承故障，現場測量軸承溫度200℃左右。

圖1 軸承抱軸

拆檢發現電動機驅動端軸承內圈有跑套現象，電動機轉子軸磨細，內外油蓋有不同程度的磨損。需要外委修復軸尺寸，導致維修費用增加。

1.2 保護動作情況

SIS顯示“流量低低”或“壓力低低”工藝聯鎖跳車；變頻器無故障跳車記錄，顯示為正常停車。

2 原因分析

2.1 電動機軸承抱軸的原因分析

電動機采用懸臂式安裝方式，如圖2所示。

圖2 電動機采用懸臂式安裝方式

依據ISO 10816《旋轉機器振動判斷國際標準》132kW電動機振動不應大于4.5mm/s，愛珍風機振動報警值是11mm/s、振動跳車值是18mm/s。實際運行中電動機經常超過允許振動標準值運行，導致電動機軸承損壞加快。

電動機有加油孔，沒有排油孔，無法在線排出廢油，加油到一定周期后，軸承室內廢油脂過多，軸承室空間有限，再加上電動機以2 985r/min的速度旋轉，導致電動機軸承運行溫度升高。

羅茨風機噪聲較大，軸承異常運行聲音被羅茨風機噪聲掩蓋，巡檢人員有時不能及時發現電動機軸承的異常運行狀態。綜合以上3個因素是導致電動機發生軸承抱軸的主要原因。

2.2 變頻器沒有故障跳閘的原因分析

電動機軸承從正常運行到軸承抱死有一個過程，需要幾分鐘或者十幾分鐘的時間。如果變頻器能根據電動機軸承故障導致運行電流增加的情況及時進行保護跳閘停車，不至于把電動機軸承故障擴大到電動機軸承抱軸的現象，或者擴大到電動機轉子軸磨損較為嚴重的事故。檢查變頻器熱保護、堵轉保護參數設置情況，見表1。

表1 變頻器熱保護、堵轉保護參數設置

通過檢查變頻器保護參數，發現電動機熱過載保護沒有起作用，所以電動機軸承損壞后雖然運行電流增加達到熱過載動作值，但是變頻器沒有投入熱過載保護，所以變頻器不會因熱過載保護動作而跳閘。

變頻器堵轉保護時間20s，堵轉保護整定堵轉頻率20Hz，是在設備發生堵轉現象后變頻器輸出頻率下降至20Hz，堵轉時間達到20s時變頻器才會故障跳閘?！傲髁康偷汀焙汀皦毫Φ偷汀惫に嚶撴i達到保護動作值，0.5s跳車。由于電動機軸承故障導致風機轉速降低，風量減少，所以工藝聯鎖跳車優先于變頻器堵轉保護跳車，變頻器堵轉保護沒有起作用[1-4]。

3 整改措施

3.1 防止電動機軸承抱軸的整改措施

加強對羅茨風機進行維護，電動機振動超標及時進行找正，把電動機振動值控制在正常范圍內，嚴禁電動機超振動標準值運行。查閱《電機制造工藝學》國產電動機軸承室深度公差代號為h11與西門子電動機軸承室深度公差代號h11相同，國產電機Y2—315—4外軸承蓋固定尺寸與西門子電動機1LE0002—3AA2 3—3AB4—Z 315M外軸承蓋固定尺寸一致，國產電動機Y2—315—4外軸承蓋有排油孔，可以實現電動機在線排油功能，如圖3所示。

圖3 Y2—315—4帶排油孔軸承蓋

用國產電動機外軸承蓋代替西門子電動機外軸承蓋，實現電動機在線排油換油功能，避免電動機軸承室廢油脂過多，電動機軸承溫度過高，發生軸承抱軸事故。

3.2 變頻器保護參數設置整改措施

經過現場多次觀察，EVA料倉脫氣風機變頻器起動時，變頻器電流不超過120A；正常運行電流最大在120～140A范圍內，最大運行不超過150A，電動機額定電流235A，電動機實際運行電流比電動機額定電流小85A，稱為半載負荷。如果變頻器熱過載保護按電動機額定電流設定，即使投入變頻器熱過載保護，當電動機軸承故障時，變頻器也不能發生熱過載跳閘保護?？紤]電動機實際運行情況，變頻器熱過載保護預留一定安全系數，變頻器熱過載保護修改見表1。30.04MOTOR THERM PROT電動機溫度保護選擇FAULT故障跳閘；30.05MOT THERM P MODE電動機熱保護模式選擇USER MOODE用戶模式；30.06MOTOR THERM TIME熱時間常數設定為256s；30.07MOTOR LOAD CURVE允許電動機過載持續電流按170A考慮，設定為72.3%；30.08ZERO SPEED LOAD零速下允許的電動機持續電流設定為51%；30.09BREAK POINT 100%負載下的傳動輸出頻率設定為50Hz。變頻器堵轉保護，30.11STALL FREQ HI由原來的堵轉頻率20Hz改為47Hz；30.12STALL TIME堵轉時間由原來的20s修改為10s。

查閱ACS800變頻器說明書，32 SUPERVISION是監控極限值，具有電動機電流監控報警輸出功能。把32.05CURRENT FUNCTION電動機電流監控功能并選擇極限值監控的類型設定為HIGH LIMIT上限；32.06CURRENT LIMIT電動機電流監控極限值設定為170A；14.01 RELAY RO1 OUTPUT選擇繼電器輸出RO1顯示的傳動狀態設定為達到電動機電流監控極限值；14.04 RO1 TON DELAY延時吸合時間設定為3s；14.05 RO1 TOFF DELAY延時釋放時間設定為1s，見表2。

表2 電動機電流監控功能設置

極限電流監視繼電器RO1常開觸點控制中間繼電器KA6，KA6常閉觸點串入變頻器起動回路中，當電動機運行電流達到170A時，繼電器RO1延時3s起動中間繼電器KA6，KA6常閉觸點斷開變頻器起動回路，變頻器停止輸出，電動機停車。同時，KA6常開觸點自保持，KA6中間繼電器自帶得電指示燈，方便電氣運行人員查出變頻器跳車原因，如圖4所示。

4 結論

1）較大功率的電動機設計在線排油功能

國內臥龍電氣南陽防爆集團股份有限公司、哈電集團佳木斯電機股份有限公司以及國外ABB公司，11kW及以上功率電動機都可以設計安裝在線注油、排油孔，如圖5所示。

建議甲方采購11kW及以上功率的電動機時，要求電動機具備在線注油、排油孔功能。通過電動機在線更換潤滑脂，可以延長電動機軸承的使用壽命，降低電氣檢修人員的勞動強度，延長電動機維修周期，降低設備維修費用，減少企業運行成本。

2）根據實際最大運行電流整定熱保護電流

生產現場有少數電動機存在半載負荷的現象。半載負荷的電動機正常運行電流遠低于電動機額定電流，當電動機軸承或者拖動設備軸承發生故障時，電動機運行電流上升。變頻器熱過載保護如果按電動機額定電流整定，變頻器熱過載保護一般不會動作跳閘，電動機在軸承故障的情況下繼續長時間運行，造成設備機械故障進一步擴大。為實現半載負荷的電動機變頻器對設備軸承故障的可靠保護，建議變頻器熱過載保護按電動機正常運行最大電流乘1.05～1.2倍的可靠系數整定變頻器熱過載保護，提高變頻器熱過載保護的可靠性。

圖4 控制原理

圖5 具有在線排油孔功能的電動機

3）變頻器增加定時限過電流保護功能

如果電動機拖動設備跳車后對生產影響較小，為使變頻器對電動機或電動機拖動設備的軸承故障進行可靠保護，根據現場實際情況，ACS800變頻器通過32組極限監控值，增加定時限過電流保護功能。半載負荷的變頻器定時限過電流保護，建議按電動機日常運行最大電流值乘1.1～1.3倍的可靠系數整定過電流保護定值，增加3～5s延時跳閘功能，提高變頻器對設備軸承故障的保護范圍。

實際運行中電動機出現軸承故障導致電動機軸彎曲、轉子掃膛或者斷軸事故，多數是半載負荷的電動機熱過載保護、定時過電流保護起動門檻值按電動機額定電流設定，忽略了半載負荷電動機日常運行最大電流較電動機額定電流偏小的現實。當半載負荷電動機軸承故障時，雖然電動機運行電流較電動機正常運行最大電流增加，但是沒有達到或者沒有及時達到保護裝置熱過載保護、定時過電流保護起動門檻值，電動機保護裝置沒能及時保護跳閘，電動機在軸承故障的情況下長時間運行，進一步擴大為電動機軸彎曲、電動機轉子掃膛事故。通過改造后的設備運行效果良好。

[1] 劉學軍, 段慧達. 繼電保護原理[M]. 2版. 北京: 中國電力出版社, 2007.

[2] 劉澤九. 滾動軸承應用手冊[M]. 3版. 北京: 機械工業出版社, 2014.

[3] 黃志堅. 機械設備振動故障檢測與診斷[M]. 2版. 北京: 化學工業出版社, 2017.

[4] 胡志強. 電機制造工藝學[M]. 2版. 北京: 機械工業出版設, 2019.

The cause analysis and rectification measures of no fault tripping in motor bearing-axle frequency converter

PANG Zhong WANG Zhigang ZHANG Weiwei ZHANG Qi YAN Mingzhi

(Levima Advanced Materials Corporation, Tengzhong, Shandong 277527)

This paper aims at the cause analysis and rectification measures for the lack of over-current protection of the frequency converter under the half load state caused by the motor bearing fault. Through the technical transformation, it can avoid the further expansion of the motor and the driving equipment fault, which has a wide promotion significance in the motor driving equipment management industry.

half load; bearing axle; inverter protection

2020-05-30

2020-07-20

龐 忠（1974—），男，山東省滕州市人，本科，工程師，主要從事化工廠高低壓供配電運行、檢修技術管理工作。