装矿站电振电动机轴承故障的处理

    调速传动系统是一个复杂的系统，设备包括变频器（产品可包括电抗器）、电缆和电动机，而直接有关的只有变频器和电动机。    如果轴电流和轴电压出现问题，直接导致电动机的轴承故障，即使通过的轴承电流不大，也会使轴承表面产生麻点，最终导致电动机不能正常工作。    一、装矿站轴承故障现象    某铅锌矿选矿厂的装矿站主要负责原矿的浮选任务，即原矿经过电振调配装到矿斗，再由空中索道输送到选矿厂进行浮选。作为输送原矿的电振电动机，其在生产过程中占有重要地位，因而采用先进的变频器控制。开始很长一段时间内，变频器驱动的电振经常跳闸，变频器故障显示为电流过大。该电振电动机功率为7. 5kW，采用西门子MM4变频器，正常运行时电流为5～7A，频率为42～46Hz，故障时电流过大，并导致过电流跳闸。在随后的维修检查中发现，电动机轴承变黑，已经不能正常使用。    二、轴电压和轴电流引起的异常问题    由于变频器本身、负载以及参数均未出现任何问题，因此更换轴承后继续运行，在同样的运行时间周期后，变频器又出现过电流故障，电动机轴承仍旧变黑，怀疑是轴电压和轴电流的原因。    图5-7所示为变频器驱动感应电动机的模型，图中Csf为定子与机壳之间的等效电容，Csr为定子与转子之间的等效电容，Crf为转子与机壳之间的等效电容，Rb为轴承对轴的电阻，Cb和Zb分别为轴承油膜的电容和非线性阻抗，ZE1为变压器对地阻抗，ZE2为变频器对地阻抗，ZE3、ZE4为电动机对地阻抗。由于在变频器高频PWM脉冲输入下，电动机内分布电容的电压耦合作用构成系统共模回路，从而导致对地漏电流、轴电压与轴电流出现问题。
    图5-7    变频器驱动感应电动机模型    其中轴电流主要以三种方式存在：du/dt电流、电火花加工电流(Electric Discharge Machining，EDM)电流和环路电流。du/dt电流主要与PWM的上升时间tr有关，tr越小，du/dt电流的幅值越大；逆变器载波频率越高，轴电流中的du/dt电流成分越多。EDM电流的出现存在一定的偶然性，只有当轴承润滑油层被击穿或者轴承内部发生接触时，存储在电容Crf上的电荷通过轴承等效回路Rb、Cb和Zb对地进行火花式放电，造成轴承表面粗糙度值提高，降低寿命，严重的直接损坏。环路电流发生在电网变压器地线、变频器地线、电动机地线及电动机负载与大地地线之间的回路（如水泵类负载）中，它主要造成传导干扰和地线干扰，对变频器和电动机影响不大。    由以上分析可知，du/dt电流是造成轴电流的主要原因，也是本案例的问题症结所在，因此必须装设du/dt滤波器，安装原理如图5-8所示。
    图5-8    du/dt滤波器的安装原理    测量安装滤波器前后的变频器输出波形、du/出波形，如图5-9、图5-10所示。
    图5-9    安装du/dt滤波器前后的变频器输出波形    (a)安装前；(b)安装后    很明显，安装滤波器后，大大降低了IGBT电动机驱动端的输出电压du/dt，变频器的输出波形也大为改善，且测试后满足DIN VDE0530标准。    装矿站电振电动机出现轴承损坏和过电流的原因在于变频器输出的PWM波导致轴电流出现，并大大损伤了电动机轴承，导致轴承损坏，负载变重，最终出现恒速过电流。图5-11所示为安装滤波器后的实际效果图。实践证明，安装滤波器可以使轴电流减少到可以忽略的水平，大大提高了电动机的使用寿命。
    图5-10    安装du/dt滤波器前后的du/dt波形    (a)安装前；(b)安装后
    图5-11    安装滤波器的实际效果