變頻電機軸電流現象分析及對策

嚴冠豪 牛建峰 王 建

（中石化洛陽分公司，河南 洛陽 471012）

變頻電機軸電流現象分析及對策

嚴冠豪 牛建峰 王 建

（中石化洛陽分公司，河南 洛陽 471012）

分析了變頻電機軸電流產生機理及危害，介紹了軸電流的檢測分析方法，最后提出了防止變頻電機軸電流危害的措施。

軸承；軸電流；變頻器

隨著交流變頻調速技術日漸成熟，交流變頻電機驅動性能顯著提高，但是因變頻電機軸電流引發軸承故障的現象也不容忽視。中石化洛陽分公司滌綸短纖維裝置牽伸線公用西門子6SE70系列12脈沖整流單元，整流單元輸出直流960V電壓。直流母線拖動10臺西門子矢量控制大功率變頻器。變頻器拖動的三相異步電動機實現恒轉矩控制，依次實現了短纖維成品絲的預拉伸、拉伸、疊絲、切斷、打包等工序。10臺電動機額定電壓960V，功率范圍300～800kW，采用交-直-交電源供應方式。由于軸電流的存在，電動機每更換軸承1～3個月后，就會出現振動加速度異常增大現象。對電機拆解后，發現軸承劣化嚴重（圖1），造成巨大經濟損失。

圖1 電機軸承損傷圖

一、電機軸電流產生的原因及危害

西門子變頻器的控制方式主有SPWM、SVPWM、VC 3種。SPWM即正弦脈寬調制，SVPWM即電壓空間矢量、VC即矢量控制。短纖維裝置西門子變頻器采用的是帶測速編碼器的矢量控制方式。從電動機工作原理分析，交流電源在電機線圈中產生的磁場是三相對稱的，如果電機三相繞組相電流相同并且電流的相位角都差120°時，電機內部磁場平衡，不會產生軸電壓。導致電機內部磁場不平衡的原因為電動機設計存在缺陷，導致結構不對稱及驅動電動機的電源輸出電壓不對稱。由于電動機采用西門子變頻器驅動，輸出三相電壓的頻率、幅值、相位都在隨時間變化，電機內部的磁場平衡狀態被打破，三相電壓矢量和不為零的零序分量將會使電機軸端產生軸電壓。如圖2所示，三相異步電動機的定子繞組在設計中是嵌入定子鐵芯中的，定子繞組和電機基座、定子繞組匝間均存在著分布電容，由于變頻器在高載頻下運行，共模電壓也會急劇變化，通過分布電容與電動機的外殼構成了共?；芈贰；芈冯妷焊哳l振蕩并與轉子容性耦合，由此產生的脈沖電壓峰值最高可達到10～40V，軸承中的軸電流是該回路的主要組成部分。實踐中發現，峰值電壓的大小與6SE70變頻器的載波頻率有關，載波頻率越低，脈沖電壓越高，對電機傳動軸承的損傷也更為嚴重。

圖2 電機系統零序電流示意圖

軸電壓通過電動機基座、傳動軸承、電機轉子、測速機、編碼器等裝置形成閉合回路，產生軸電流。電機在正常運轉情況下，由于轉軸的旋轉在軸承與軸之間擠壓出一層厚度極薄的油膜，油膜可以起到潤滑、絕緣、支撐的作用。如果軸電壓較低，不會產生軸電流。如圖3所示，當軸電壓增加到一定數值，尤其是在電動機啟動時，油膜還未穩定形成，瞬時產生的軸電壓必將擊穿油膜的薄弱部分，由于回路的阻抗特小，因此產生的軸電流峰值可達幾百安培。由于牽伸線采用的是滾動軸承，滾珠與軸承外圈滾道接觸面積很小，放電部位電流密度將會很大，瞬間產生高溫，軸承內圈、外圈、滾珠上將會形成凹槽，嚴重時還會損傷電機的軸頸和軸瓦。

圖3 軸電流產生示意圖

二、軸電流的限值及分析方法

一般通用變頻器驅動300kW以下的異步電機時，可以不考慮軸電壓的問題；如果驅動300kW以上的大功率電機時，必須對軸電壓加以重視，因此研究軸電流的限值非常有必要。軸電壓的大小與軸承類型和型號、安裝和使用條件、潤滑脂型號、電機額定轉速、共?；芈纷杩沟榷喾N因素有關。軸電流達10～40A，軸承能運轉2 500～1 3000h，如果軸電流達到100A以上，軸承會在極短時間內被燒毀。查閱電機資料：電機空載軸電壓必須在350mV以下，如果超過350mV，應該選用絕緣軸承。根據實踐經驗，可以參照表1來了解軸電壓限值。

表1 電機軸電壓對軸承的影響

牽伸線1臺800kW西門子電機選用了NU224E軸承，2012～2013年3次因軸電流導致軸承損壞事故。在故障監測中，對電機的軸電壓進行了測量并記錄。通過表2中數據可以看出，該電機軸電壓在空載和負載測試下，均超過了西門子公司規定的350mV限值。

表2 800kW電機軸電壓測試數據

由于軸電壓是高頻的脈沖電壓，必須用交流電壓表（高內阻）測量電機軸兩端的電壓U1以及非負荷側軸座對地電壓U2。對電動機軸承定期進行振動檢測和軸電流測試，可以及時掌握軸承前期損壞跡象。

三、措施與對策

電機軸電壓的大小與電機的設計、加工工藝、安裝調試等多方面的因素有關。對于用戶而言，軸電壓無法避免，只能通過一些預防的措施來降低軸電壓。降低軸電壓可以通過消除軸電流的根源即消除驅動軸承電流的電壓源；或增加旁路來改變軸電流的流通路徑；或增加阻抗，降低或阻斷軸電流3個方面來考慮。在運行維護中，應將工作重點放在軸電流的防治上。

1.抑制電源諧波

當電動機采用變頻器驅動時，可以通過優化配電系統接地方式、選用濾波器和平波電抗器、縮短變頻器與電動機布線距離等方式，減小駐波效應。選用濾波器主要是為了消除輸出電壓中的高次諧波；縮短布線距離主要是為了減小變頻器與電機之間波形的振蕩周期，從而降低諧波、減小軸電流，延長電動機繞組和軸承壽命，確保編碼器、測速器等輔助裝置的安全。

2.加裝碳刷

如圖4所示，首先在電機負荷側加裝了碳刷B，運行中測量到引線中有接地電流，說明軸電流確實存在。加裝碳刷B后，電機負荷側軸承運轉狀況良好，但是電機非負荷側軸承損壞周期明顯縮短（由原2個月縮短為1個月），此現象可以證明電機非負荷側軸電壓有增大趨勢。經過分析認為：由于減速機潤滑油溫度高，油質變差導致油膜被軸電壓擊穿，使電機非負荷側軸電流較之前更大。

圖4 傳動軸上加裝接地碳刷示意圖

為了解決上述問題，在電機非負荷側安裝了碳刷支架，固定碳刷A。在電機兩側加裝碳刷，等效于將轉軸感應電動勢短路，軸電流將直接經過碳刷接地，不損傷電機軸承。這種情況下，應密切關注減速機軸承運轉狀況，如果油膜被擊穿，軸電流將會損傷減速機軸承。

3.使用尖峰電壓吸收器（SVA）

尖峰電壓吸收器是由中國航天科工集團研制，它是一種新型的電機軸承保護裝置。SVA的主要功能是將超

過一定幅值的尖峰電壓消除掉，類似于TVS二極管。和具有相同功能的其他產品相比較，它具有體積小、安裝方式簡單、成本低等優點。在大功率電機的應用現場，其優勢更為明顯。

如圖5所示高速尖峰電壓緩存器（HSSB）和尖峰能量吸收器（HESA）是SVA的核心部件。SVA檢測電路實時檢測電機電源線的電壓幅度，如果超過閥值（閥值可以設定），尖峰電壓緩沖器將會自動吸收尖峰電壓能量。當尖峰電壓的能量超過能量緩沖器時，能量閥門EV自動打開，將HSSB中儲存的尖峰電壓能量泄放到HESA中，將電能轉變成熱能，釋放到SVA外面。溫度監控器TM實時監測SVA的工作溫度，當溫度過高時關閉尖峰能量吸收控制閥門，減小能量的吸收，避免SVA因工作溫度過高而燒毀。

從圖5可以看出，SVA安裝方式簡單，只需并聯在電機的接線端U、V、W上。由于采取并聯方式安裝，不會使電源端產生電壓降。SVA通過軸承電流分流器BCD，將軸承電流吸收掉，有效保護電機軸承。

圖5 SVA工作原理圖

四、結語

通過采取上述3條措施后，牽伸線變頻器驅動電機軸電流明顯減小，滾動軸承運轉壽命恢復正常，電動機運轉可靠性顯著提升，確保了生產線的安全平穩生產。

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2014-03-15）