燕紅新材料科技股份有限公司研究員方忠、王志剛、張衛(wèi)偉、張琪、安明志在2021年第二期《電氣技術(shù)》上撰文。提出了電動機軸承故障引起的半負荷狀態(tài)下變頻器過流保護不足的原因分析及糾正措施。通過技術(shù)改造，可以避免電機和拖動設(shè)備故障

某公司EVA裝置設(shè)計了13個倉庫，安裝了14臺脫氣風機，一臺脫氣風機相當于一個倉庫，另一臺脫氣風機是備用風扇。如果某個料倉脫氣風機發(fā)生故障，自動啟動備用脫氣風機，風機短時間停車不會影響生產(chǎn)。(阿爾伯特愛因斯坦)(美國)。

設(shè)備選擇德國愛珍GM801風扇；電機采用西門子1le0002-3A2 3-3AB 4-Z315M類型，額定功率132千瓦，額定電流235安，額定速度2 980 r/min；選取「」。風扇和馬達使用皮帶傳輸功率?？刂品绞接赡孀兤鲉?，由ABB ACS 800-01-0205-3型逆變器啟動。電機安裝在懸臂彈性上。

目前設(shè)備運行中發(fā)生了多臺電機軸承包軸事故，現(xiàn)場檢查電機無法纏繞汽車，軸承溫度高，電機轉(zhuǎn)子軸細，需要外部維修。

1現(xiàn)象

1.1電動機軸承損壞

2013年設(shè)備運行后，EVA風送系統(tǒng)的多個電機發(fā)生了驅(qū)動端軸承捕獲現(xiàn)象，如圖1所示，電機軸承故障，現(xiàn)場測量軸承溫度200左右。

圖1軸承軸

拆卸檢查表明，電機驅(qū)動端軸承內(nèi)環(huán)存在運轉(zhuǎn)現(xiàn)象，電機轉(zhuǎn)子軸變細，內(nèi)外油罩有不同程度的磨損。需要外協(xié)維修軸大小，從而增加維修成本。

1.2保護措施情況

SIS顯示“低流量”或“低壓力”過程驅(qū)動跳躍。變頻器是無故障跳躍記錄，顯示為正常停車。

2原因分析

2.1電機軸承軸原因分析

電機采用懸臂安裝方法，如圖2所示。

圖2馬達使用懸臂安裝方式

ISO 10816 《旋轉(zhuǎn)機器振動判斷國際標準》 132kW電機振動不應超過4.5mm/s，ISO風扇振動報警值為11mm/s，振動跳躍值為18mm/s。實際運行的電機經(jīng)常運行超過允許的振動標準值，從而加速電機軸承損壞。

電機有加油孔，沒有排氣口，廢油無法在線排出，在一定周期加油后，軸承室內(nèi)的廢油過多，軸承室空間有限，加上電機以2985r/min的速度旋轉(zhuǎn)，電機軸承工作溫度提高。

羅茨風扇噪音大，軸承異常工作聲音被羅茨風扇噪音掩蓋，巡邏人員有時無法及時發(fā)現(xiàn)電機軸承的異常工作狀態(tài)。綜合這三個因素是電機發(fā)生軸承包軸的主要原因。

2.2變頻器沒有故障跳閘的原因分析

電機軸承從正常操作到軸承噴灑需要幾分鐘或十多分鐘。如果變頻器能根據(jù)電機軸承故障導致工作電流增加的情況及時進行保護跳閘停車，則不會將電機軸承故障擴大到電機軸承包軸，也不會擴大到電機轉(zhuǎn)子軸磨損嚴重的事故。確認變頻器的熱保護、阻塞保護參數(shù)設(shè)置(見表1)。

表1逆變器熱保護，設(shè)置阻塞保護參數(shù)

檢查變頻器保護參數(shù)，發(fā)現(xiàn)電機熱過載保護不起作用。因此，電機軸承損壞后，工作電流增加，達到熱過載動作值，但變頻器不投入熱過載保護，因此熱過載保護動作不會導致變頻器跳閘。

變頻器截止保護時間20s，截止保護設(shè)置截止頻率20Hz在發(fā)生設(shè)備截止現(xiàn)象后，變頻器輸出頻率下降到20Hz，截止時間達到20s時，變頻器將發(fā)生故障?！暗土髁俊焙汀暗蛪毫Α边^程驅(qū)動達到保護運動值，跳0.5s。由于電機軸承故障，風扇速度減慢，風量減少，因此過程驅(qū)動跳躍優(yōu)先于變頻器阻塞保護跳躍，變頻器阻塞保護不起作用。

3糾正措施

3.1防止電機軸承軸換向措施

加強羅茨風扇的維護，電機振動及時超過正數(shù)，將電機振動值調(diào)整到正常范圍，嚴禁電機超振動標準值運行?！峨姍C制造工藝學》國產(chǎn)電機軸承室深度公差代碼h11與西門子電機軸承室深度公差代碼h11相同，國產(chǎn)電機Y2-315-4外部軸承蓋固定尺寸與西門子電機1LE0002-3A23-3AB4-Z315M外部軸承蓋固定尺寸一致，國產(chǎn)

動機Y2—315—4外軸承蓋有排油孔，可以實現(xiàn)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(chǎn)電動機外軸承蓋代替西門子電動機外軸承蓋，實現(xiàn)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(fā)生軸承抱軸事故。

3.2 變頻器保護參數(shù)設(shè)置整改措施

經(jīng)過現(xiàn)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(nèi)，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(shè)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(fā)生熱過載跳閘保護。

考慮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(shù)，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(shù)設(shè)定為256s；30.07MOTOR LOAD CURVE允許電動機過載持續(xù)電流按170A考慮，設(shè)定為72.3%；30.08ZERO SPEED LOAD零速下允許的電動機持續(xù)電流設(shè)定為51%；30.09BREAK POINT 100%負載下的傳動輸出頻率設(shè)定為50Hz。

變頻器堵轉(zhuǎn)保護，30.11STALL FREQ HI由原來的堵轉(zhuǎn)頻率20Hz改為47Hz；30.12STALL TIME堵轉(zhuǎn)時間由原來的20s修改為10s。

查閱ACS800變頻器說明書，32 SUPERVISION是監(jiān)控極限值，具有電動機電流監(jiān)控報警輸出功能。

把32.05CURRENT FUNCTION電動機電流監(jiān)控功能并選擇極限值監(jiān)控的類型設(shè)定為HIGH LIMIT上限；32.06CURRENT LIMIT電動機電流監(jiān)控極限值設(shè)定為170A；14.01 RELAY RO1 OUTPUT選擇繼電器輸出RO1顯示的傳動狀態(tài)設(shè)定為達到電動機電流監(jiān)控極限值；14.04 RO1 TON DELAY延時吸合時間設(shè)定為3s；14.05 RO1 TOFF DELAY延時釋放時間設(shè)定為1s，見表2。

表2 電動機電流監(jiān)控功能設(shè)置

極限電流監(jiān)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(jié)論

1）較大功率的電動機設(shè)計在線排油功能

國內(nèi)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(shè)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(shè)備維修費用，減少企業(yè)運行成本。

2）根據(jù)實際最大運行電流整定熱保護電流

生產(chǎn)現(xiàn)場有少數(shù)電動機存在半載負荷的現(xiàn)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(shè)備軸承發(fā)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(xù)長時間運行，造成設(shè)備機械故障進一步擴大。

圖4 控制原理

圖5 具有在線排油孔功能的電動機

為實現(xiàn)半載負荷的電動機變頻器對設(shè)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(shù)整定變頻器熱過載保護，提高變頻器熱過載保護的可靠性。

3）變頻器增加定時限過電流保護功能

如果電動機拖動設(shè)備跳車后對生產(chǎn)影響較小，為使變頻器對電動機或電動機拖動設(shè)備的軸承故障進行可靠保護，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，ACS800變頻器通過32組極限監(jiān)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(shù)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(shè)備軸承故障的保護范圍。

實際運行中電動機出現(xiàn)軸承故障導致電動機軸彎曲、轉(zhuǎn)子掃膛或者斷軸事故，多數(shù)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(shè)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(xiàn)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(zhuǎn)子掃膛事故。通過改造后的設(shè)備運行效果良好。

本文編自2021年第2期《電氣技術(shù)》，論文標題為“軸承抱軸模式下變頻器保護失效的分析及處理”，作者為龐忠、王志剛、張偉偉、張琪、顏銘志。