变频电机轴电流的防止

收稿日期:2002-11-20

于晓东 男 1974年生;毕业于佳木斯大学工学院电气工程系电气技术专业,现从事电气技术工作.

变频电机轴电流的防止

于晓东1

李振宇2

李积继

3

1

佳木斯合成实业有限责任公司,黑龙江佳木斯(154007)

2

东芝大连有限公司,辽宁大连(116600)

摘 要 阐述采用逆变器供电的变频电机,因电源存在许多高压脉冲,高频谐波增多,以及电动机铁心磁路不平衡等,在电机绕组和转轴上产生感应电压。为减少轴电流的危害,除电机制造需满足磁路平衡外,提出加装电源滤波器,前后轴承都要绝缘处理等防止变频电动机轴电流危害的措施。

关键词 变频电动机 轴电流 防止

Prevention of Bearing C urrent in Variable Frequency Motor

Y u Xiaodong ,Li Zhenyu ,and Li Jiji Abstract The paper discusses that,for the variablei frequency motor fed from the inverter,inducted voltage appears at the winding and shaft because the power supply has many high voltage pulses,the high frequency harmonic increas es,and the magnetic circuit of motor core is not balance.To decrease the harm caused by bearing current,some measures,such as mounting the power filter and insulating the front and rear bearings are presented,in addition that the magnetic circuit is required to be balance in manufacturing the motor.

Key words Variable frequency motor,bearing current,prevention.

1 引言

通常在大型电机中特别是采用扇形冲片迭制铁心的电机,如果磁场不对称等易产生轴电流。近年来采用变频调速驱动装置的小电机也出现不容忽视的轴电流,导致小电机的轴承过早损坏,直接影响和降低了电动机运行的可靠寿命,引起电机用户和电机制造厂商的关注。

2 轴电流的危害

变频电机轴端安装的辅助装置如测速计、编码器等,易与两轴承或两轴承之一构成轴电流回

路(见图1轴电流数学模型图)。该轴电流对电机

轴承造成破坏,对测速计、编码器等辅助装置的安全构成威胁

。

图1 轴电流数学模型

在电机正常运转情况下,轴承内形成一层润滑油膜,能起一定的绝缘作用,即使电机运转出现较低的轴电压,也不会产生轴电流。但是当轴电

18

防爆电机 (E XPLOSION-PROOF ELEC TRIC MAC HINE) 2003

年第2期(总第115期)

2003年6月30日出版

压高到一定数值时,将会击穿油膜而放电。尤其是在电动机启动时,轴承内的润滑油膜还未稳定建立,瞬即产生的轴电压将击穿油膜的薄弱部位放电,形成轴电流。当放电部位的金属接触点很小时(特别是滚珠轴承),则流经这些点的电流密度就会很大,在瞬间产生高温,使轴承局部烧伤,在滚珠或滚道上烧出小凹坑。如果长期有轴电流,小凹坑麻点就会增多,滚动轴承的滚道上甚至出现凹槽,或灼伤滑动轴承的轴颈和轴瓦甚至轴承完全损坏,从而产生噪声、振动或停机。爆炸性危险环境运转的电机,过大的轴电流产生的过热或火花,将可能引发爆炸等恶性事故。

电动机所容许的轴电压、轴电流的大小与轴承类型、运行状态、润滑油质、转速、安装质量、现场运行环境和轴电流流经路径的阻抗等许多因素有关。

几乎所有的电机运转时或多或少都会产生轴电压,一般来说,若轴两端产生的轴电压达到500m V,就容易产生有害的轴电流,美国NEMA MGI标准规定,按IEEE112标准进行试验,如果轴电压峰值大于300mV时即需采取绝缘措施。

轴电流的大小对滑动轴承和滚动轴承的影响略有不同,对滑动轴承而言,若轴电流小于10A,基本无烧蚀,轴电流值达10~40A,则只能维持运转3000~12000h,若轴电流高达100A以上就非常危险,可能数小时内将会烧毁。

对滚动轴承而言,由于滚珠(滚柱)与轴承内外圈滚道的接触面积小,对轴电流的敏感比滑动轴承更大,轴电流给滚动轴承造成的损伤及破坏更厉害。当轴电流大于2A时,几小时内即可能损伤;若轴电流达1~1 4A,轴承只能继续运转200~700h;轴电流只有低于1A时,一般滚动轴承才能无大伤害的运行。

3 变频电动机轴电压、轴电流的产生

(1)变频电动机是由逆变器提供电源,逆变器部分多采用脉宽调制技术(PW M),电压波形存在许多高压脉冲,致使调速驱动系统中高频谐波成分增多,这些谐波分量在转轴、定子绕组和接线部分等产生电磁感应,绕组中点电位可能远离接地点,这种共模电压以高频振荡并与转子容性耦合,产生转轴对地的脉冲电压,峰值可达10~40V[2]。

(2)电动机的铁心磁路不平衡,如整圆定子冲片各向厚度不均匀,使定位迭压后整个定子铁心累计厚度出现一边厚、一边薄或一边松、一边紧,造成定子铁心圆周磁路不对称,采用扇形冲片以及铁心槽、通风槽不适当等也会造成磁路不对称,当不对称的磁场切割电机转轴时,就在轴两端感应出轴电压。

(3)电动机运行现场如果电机周围有较多的高压设备,那么在这些强磁作用下,电动机转轴两端也会感应出轴电压。

(4)外部电源的介入。由于电动机运行现场接线一般比较繁杂,如电机的保护和监控检测元件,辅助装置的测速计、编码器、冷却风机等,任何一根带电导线塔接到转轴上都可能造成轴电压的产生。

有轴电压的电机转轴,一旦与电动机壳体,如轴承润滑油膜被击穿和测速计、编码器等辅助装置或联轴装置等构成回路(见轴电流数学模型图)就产生具有破坏性的轴电流。

4 变频电机轴电流的防止

4 1 抑制电源谐波

采用逆变器供电的调速系统加装滤波器或配套的变频调速装置加设共模滤波电路,提供高质量的正弦波电源,以降低谐波、减少轴电流、噪声、振动和电机温升,延长轴承、绕组和电机的寿命,确保电机轴承和测速计、编码器等辅助装置的安全。

4 2 两端轴承都采取绝缘措施

如果变频电机轴头安装有如测速计、编码器等辅助装置时,不但电动机非传动端轴承需采取绝缘措施,传动端也需进行绝缘,以切断轴电流通过传动端轴承构成回路(见图1)。

采用滚动轴承结构的轴承应选用绝缘轴承,也可在轴承内圈内表面和端面用等离子喷涂法均匀喷涂50~100 m高性能绝缘层,也可在轴承外圈外表面和两端面上喷涂绝缘层,但外圈的绝缘层在拆装端盖时易受划伤,从而丧失绝缘能力。也可在端盖轴承室加套,套与端盖间夹垫绝缘层,紧固内外盖的螺栓加绝缘套管和绝缘垫等,这种结构和工艺都相对复杂。

采用滑动轴承的结构,采用传统方法是在固

19

2003年第2期(总第115期)

2003年6月30日出版

(EXPLOSI ON-PROOF E LEC TRIC MAC HI NE) 防爆电机