某公司EVA裝置設(shè)計(jì)13個料倉，安裝14臺脫氣風(fēng)機(jī)，一臺脫氣風(fēng)機(jī)對應(yīng)一個料倉，另外一臺脫氣風(fēng)機(jī)為備用風(fēng)機(jī)。當(dāng)某個料倉脫氣風(fēng)機(jī)故障停車后，自動起動備用脫氣風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)短時間停車對生產(chǎn)沒有影響。

設(shè)備選用德國愛珍GM801型風(fēng)機(jī)；電動機(jī)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(zhuǎn)速2 980r/min；風(fēng)機(jī)與電動機(jī)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(jī)安裝在懸臂式彈性基礎(chǔ)上。

目前設(shè)備運(yùn)行中發(fā)生多臺電動機(jī)軸承抱軸事故，現(xiàn)場檢查電動機(jī)無法盤車，軸承溫度較高，電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸磨細(xì)，需要外委修復(fù)。

1 故障現(xiàn)象

1.1 電動機(jī)軸承損壞情況

從2013年設(shè)備運(yùn)行以來EVA風(fēng)送系統(tǒng)多臺電動機(jī)出現(xiàn)驅(qū)動端軸承抱軸現(xiàn)象，如圖1所示，電動機(jī)軸承故障，現(xiàn)場測量軸承溫度200℃左右。

圖1 軸承抱軸

拆檢發(fā)現(xiàn)電動機(jī)驅(qū)動端軸承內(nèi)圈有跑套現(xiàn)象，電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸磨細(xì)，內(nèi)外油蓋有不同程度的磨損。需要外委修復(fù)軸尺寸，導(dǎo)致維修費(fèi)用增加。

1.2 保護(hù)動作情況

SIS顯示“流量低低”或“壓力低低”工藝聯(lián)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(jī)軸承抱軸的原因分析

電動機(jī)采用懸臂式安裝方式，如圖2所示。

圖2 電動機(jī)采用懸臂式安裝方式

依據(jù)ISO 10816《旋轉(zhuǎn)機(jī)器振動判斷國際標(biāo)準(zhǔn)》132kW電動機(jī)振動不應(yīng)大于4.5mm/s，愛珍風(fēng)機(jī)振動報(bào)警值是11mm/s、振動跳車值是18mm/s。實(shí)際運(yùn)行中電動機(jī)經(jīng)常超過允許振動標(biāo)準(zhǔn)值運(yùn)行，導(dǎo)致電動機(jī)軸承損壞加快。

電動機(jī)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(nèi)廢油脂過多，軸承室空間有限，再加上電動機(jī)以2985r/min的速度旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電動機(jī)軸承運(yùn)行溫度升高。

羅茨風(fēng)機(jī)噪聲較大，軸承異常運(yùn)行聲音被羅茨風(fēng)機(jī)噪聲掩蓋，巡檢人員有時不能及時發(fā)現(xiàn)電動機(jī)軸承的異常運(yùn)行狀態(tài)。綜合以上3個因素是導(dǎo)致電動機(jī)發(fā)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(jī)軸承從正常運(yùn)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(jù)電動機(jī)軸承故障導(dǎo)致運(yùn)行電流增加的情況及時進(jìn)行保護(hù)跳閘停車，不至于把電動機(jī)軸承故障擴(kuò)大到電動機(jī)軸承抱軸的現(xiàn)象，或者擴(kuò)大到電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸磨損較為嚴(yán)重的事故。檢查變頻器熱保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)參數(shù)設(shè)置情況，見表1。

表1 變頻器熱保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)參數(shù)設(shè)置

通過檢查變頻器保護(hù)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)電動機(jī)熱過載保護(hù)沒有起作用，所以電動機(jī)軸承損壞后雖然運(yùn)行電流增加達(dá)到熱過載動作值，但是變頻器沒有投入熱過載保護(hù)，所以變頻器不會因熱過載保護(hù)動作而跳閘。

變頻器堵轉(zhuǎn)保護(hù)時間20s，堵轉(zhuǎn)保護(hù)整定堵轉(zhuǎn)頻率20Hz，是在設(shè)備發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象后變頻器輸出頻率下降至20Hz，堵轉(zhuǎn)時間達(dá)到20s時變頻器才會故障跳閘。“流量低低”和“壓力低低”工藝聯(lián)鎖達(dá)到保護(hù)動作值，0.5s跳車。由于電動機(jī)軸承故障導(dǎo)致風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，風(fēng)量減少，所以工藝聯(lián)鎖跳車優(yōu)先于變頻器堵轉(zhuǎn)保護(hù)跳車，變頻器堵轉(zhuǎn)保護(hù)沒有起作用。

3 整改措施

3.1 防止電動機(jī)軸承抱軸的整改措施

加強(qiáng)對羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行維護(hù)，電動機(jī)振動超標(biāo)及時進(jìn)行找正，把電動機(jī)振動值控制在正常范圍內(nèi)，嚴(yán)禁電動機(jī)超振動標(biāo)準(zhǔn)值運(yùn)行。查閱《電機(jī)制造工藝學(xué)》國產(chǎn)電動機(jī)軸承室深度公差代號為h11與西門子電動機(jī)軸承室深度公差代號h11相同，國產(chǎn)電機(jī)Y2—315—4外軸承蓋固定尺寸與西門子電動機(jī)1LE0002—3AA2 3—3AB4—Z 315M外軸承蓋固定尺寸一致，國產(chǎn)電動機(jī)Y2—315—4外軸承蓋有排油孔，可以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)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(jī)外軸承蓋代替西門子電動機(jī)外軸承蓋，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)在線排油換油功能，避免電動機(jī)軸承室廢油脂過多，電動機(jī)軸承溫度過高，發(fā)生軸承抱軸事故。

3.2 變頻器保護(hù)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(fēng)機(jī)變頻器起動時，變頻器電流不超過120A；正常運(yùn)行電流最大在120～140A范圍內(nèi)，最大運(yùn)行不超過150A，電動機(jī)額定電流235A，電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流比電動機(jī)額定電流小85A，稱為半載負(fù)荷。如果變頻器熱過載保護(hù)按電動機(jī)額定電流設(shè)定，即使投入變頻器熱過載保護(hù)，當(dāng)電動機(jī)軸承故障時，變頻器也不能發(fā)生熱過載跳閘保護(hù)。

考慮電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，變頻器熱過載保護(hù)預(yù)留一定安全系數(shù)，變頻器熱過載保護(hù)修改見表1。30.04MOTOR THERM PROT電動機(jī)溫度保護(hù)選擇FAULT故障跳閘；30.05MOT THERM P MODE電動機(jī)熱保護(hù)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(jī)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(jī)持續(xù)電流設(shè)定為51%；30.09BREAK POINT 100%負(fù)載下的傳動輸出頻率設(shè)定為50Hz。

變頻器堵轉(zhuǎn)保護(hù)，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(jī)電流監(jiān)控報(bào)警輸出功能。

把32.05CURRENT FUNCTION電動機(jī)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(jī)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(dá)到電動機(jī)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(jī)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(diǎn)控制中間繼電器KA6，KA6常閉觸點(diǎn)串入變頻器起動回路中，當(dāng)電動機(jī)運(yùn)行電流達(dá)到170A時，繼電器RO1延時3s起動中間繼電器KA6，KA6常閉觸點(diǎn)斷開變頻器起動回路，變頻器停止輸出，電動機(jī)停車。同時，KA6常開觸點(diǎn)自保持，KA6中間繼電器自帶得電指示燈，方便電氣運(yùn)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(jī)設(shè)計(jì)在線排油功能

國內(nèi)臥龍電氣南陽防爆集團(tuán)股份有限公司、哈電集團(tuán)佳木斯電機(jī)股份有限公司以及國外ABB公司，11kW及以上功率電動機(jī)都可以設(shè)計(jì)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(jī)時，要求電動機(jī)具備在線注油、排油孔功能。通過電動機(jī)在線更換潤滑脂，可以延長電動機(jī)軸承的使用壽命，降低電氣檢修人員的勞動強(qiáng)度，延長電動機(jī)維修周期，降低設(shè)備維修費(fèi)用，減少企業(yè)運(yùn)行成本。

2）根據(jù)實(shí)際最大運(yùn)行電流整定熱保護(hù)電流

生產(chǎn)現(xiàn)場有少數(shù)電動機(jī)存在半載負(fù)荷的現(xiàn)象。半載負(fù)荷的電動機(jī)正常運(yùn)行電流遠(yuǎn)低于電動機(jī)額定電流，當(dāng)電動機(jī)軸承或者拖動設(shè)備軸承發(fā)生故障時，電動機(jī)運(yùn)行電流上升。變頻器熱過載保護(hù)如果按電動機(jī)額定電流整定，變頻器熱過載保護(hù)一般不會動作跳閘，電動機(jī)在軸承故障的情況下繼續(xù)長時間運(yùn)行，造成設(shè)備機(jī)械故障進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖4 控制原理

圖5 具有在線排油孔功能的電動機(jī)

為實(shí)現(xiàn)半載負(fù)荷的電動機(jī)變頻器對設(shè)備軸承故障的可靠保護(hù)，建議變頻器熱過載保護(hù)按電動機(jī)正常運(yùn)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(hù)，提高變頻器熱過載保護(hù)的可靠性。

3）變頻器增加定時限過電流保護(hù)功能

如果電動機(jī)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(jī)或電動機(jī)拖動設(shè)備的軸承故障進(jìn)行可靠保護(hù)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)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(hù)功能。半載負(fù)荷的變頻器定時限過電流保護(hù)，建議按電動機(jī)日常運(yùn)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(hù)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(hù)范圍。

實(shí)際運(yùn)行中電動機(jī)出現(xiàn)軸承故障導(dǎo)致電動機(jī)軸彎曲、轉(zhuǎn)子掃膛或者斷軸事故，多數(shù)是半載負(fù)荷的電動機(jī)熱過載保護(hù)、定時過電流保護(hù)起動門檻值按電動機(jī)額定電流設(shè)定，忽略了半載負(fù)荷電動機(jī)日常運(yùn)行最大電流較電動機(jī)額定電流偏小的現(xiàn)實(shí)。

當(dāng)半載負(fù)荷電動機(jī)軸承故障時，雖然電動機(jī)運(yùn)行電流較電動機(jī)正常運(yùn)行最大電流增加，但是沒有達(dá)到或者沒有及時達(dá)到保護(hù)裝置熱過載保護(hù)、定時過電流保護(hù)起動門檻值，電動機(jī)保護(hù)裝置沒能及時保護(hù)跳閘，電動機(jī)在軸承故障的情況下長時間運(yùn)行，進(jìn)一步擴(kuò)大為電動機(jī)軸彎曲、電動機(jī)轉(zhuǎn)子掃膛事故。通過改造后的設(shè)備運(yùn)行效果良好。

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