異步電動機軸電流的危害和預防

楊國炯，梁建勇

洛陽源創電氣有限責任公司 河南洛陽 471000

隨 著控制技術和電力電子技術的發展，變頻器在礦井提升機上的應用也得到了普及[1]。由于節能環保的要求和技術性能的提高，越來越多的轉子串電阻拖動方式被淘汰，變頻器拖動異步電動機[2-3]的驅動方式的使用越來越普遍。在異步電動機使用過程中，如果軸承兩端或電動機轉軸與軸承間存在軸電壓，隨著電壓的升高，將擊穿絕緣體，形成軸電流。軸電流破壞電動機的機械性能和電氣性能[4]，使電動機出現發熱、螺絲松動、焊點開裂、異響、強烈振動等異常現象。在軸電流的持續影響下，電動機軸承的使用壽命將大大縮短，甚至損壞軸承或電動機的其他重要部位。由于變頻器輸出必定有諧波存在，更加劇了軸電流對電動機的影響。當電動機運行異常時，可能會被誤認為是變頻器異常導致的，在變頻器上查找問題，延誤了問題的解決。

1 案例分析

河南某煤礦主井提升機控制系統原采用轉子串電阻調速裝置，該控制方式存在調速精度差、故障率高、能耗高等弊端，后將該控制系統改造為變頻器拖動方式。主井提升機電氣設備的主要參數如表 1 所列。

表1 主井提升機電氣設備的主要參數Tab.1 Main parameters of electric equipments for mine hoist

1.1 問題的產生及排查

提升機控制系統改造調試完畢后，各項性能滿足要求，運行安全可靠。但設備使用一年半后，出現變頻器故障頻繁、電流波動變大、電動機聲音變大及振動等異常現象，且隨著時間的推移，異常現象越來越明顯，嚴重影響煤礦的正常生產，遂對異常原因進行排查。

(1) 在保證安全的前提下，拆掉變頻器輸出端到電動機的輸出電纜并可靠固定，全面檢查變頻器各部件及附件，均未發現異常。給變頻器送電，其各部分顯示正常，啟動變頻器，發現電壓、電流、頻率等性能均滿足要求。可以判定，變頻器運行正常，問題出在電動機或其他附屬機構。

(2) 做好安全防護，保證滾筒等機械設備可靠固定的前提下，打開電動機和減速機的連接器并可靠固定，保證電動機可以安全轉動。連接電動機和變頻器輸出電纜，變頻器帶動電動機運行。電動機轉動時有周期性的響聲，隨著轉速的升高，聲音變得尖銳，變頻器報警停機。更換一臺同型號新電動機后，各頻率段運行正常，異常現象均未出現。

(3) 打開故障電動機外殼，檢查其內部結構，發現轉子滑環有大幅明顯晃動。拆開滑環發現有軸電流放電痕跡，如圖 1 所示。將轉子從電動機中移出，逐一檢查電動機外殼與橫梁、定子、轉子等結構件，發現由于電動機長時間的振動，導致橫梁上的固定焊點有多處開裂，如圖 2 所示。

圖1 軸電流放電痕跡Fig.1 Current discharging marks on bearing

圖2 電動機橫梁固定焊點開裂Fig.2 Breaking of fixed weld joint on beam of motor

1.2 解決方案

(1) 更換新的電動機軸和軸承，加注足量合格的潤滑油，保證主軸有充足的潤滑油膜保護。在軸伸出端的軸承座和軸承支架處增加絕緣隔板，切斷軸電流的回路；在變頻器輸出端增加電抗器后連接電動機。

(2) 重新焊接電動機橫梁所有的固定焊點，保證電動機主體結構的穩定可靠。

(3) 在軸伸出端安裝接地碳刷，使其可靠接地并與轉軸接觸，保證轉軸與大地同電位。

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(4) 整理電動機測溫線等輔助接線，保證絕緣體可靠；定期檢查并加強導線或墊片絕緣體，消除不必要的軸電流隱患。

(5) 定期檢查并更換潤滑油；定期檢查電動機結構件及焊接點；定期檢查接地碳刷磨損情況，并及時更換。

通過以上措施，恢復了現場電動機的正常工作狀態。設備至今已正常運行 2 a 多，也證明以上措施的針對性和正確性。

2 軸電壓、軸電流的產生

根據電磁感應現象，閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動，就會產生感應電流。如果電路不閉合，則會產生感應電壓。

2.1 軸電壓的產生

軸電壓是電動機轉軸與軸承間或電動機軸承兩端所產生的電壓。軸電壓產生的主要原因有以下幾方面。

(1) 磁不平衡 電動機軸承、轉軸、定子、機座等結構件組成回路，造成磁路中磁阻不平衡。轉軸被交變磁通切割，在軸的兩端感應產生軸電壓。

(2) 變頻供電 采用變頻器驅動時，由于變頻器利用半導體功率器件 IGBT，其高頻載波的方式產生正弦波，供電時有高次的諧波分量，在諧波分量的影響下，接線部分、定子繞組線圈端部、轉動軸之間產生電磁感應，從而產生軸電壓。

(4) 干擾電源 由于運行環境接線比較復雜，尤其是電動機保護、測量元件接線很多，帶電線頭搭接在轉軸上，會產生軸電壓。

2.2 軸電流的產生

軸電流的形成條件是產生軸電壓、構成閉合回路。電動機結構復雜，內部存在等效電容，變頻器中半導體元件的高速開關在等效電容上產生高速變化的高頻感應電壓。電動機內部各部位等效電容如圖 3 所示，等效電路如圖 4 所示。

圖3 電動機內部各部位的等效電容Fig.3 Equivalent capacitance diagram of each part inside motor

圖4 電動機內部各部位的等效電路Fig.4 Equivalent circuit diagram of each part inside motor

圖中，Cwh為定子繞組與電動機殼之間等效電容；Cwr為定子繞組與電動機轉子之間等效電容；Crh為電動機殼與轉子繞組之間等效電容；Cb為電動機殼與軸承兩端之間等效電容。

在軸承潤滑正常的條件下，潤滑油膜可起到絕緣作用，這個等效電路就是正確的。在軸電壓較低的情況下，潤滑油膜仍保持其絕緣性能，不會產生軸電流。但當軸電壓過高時，潤滑油膜被擊穿，構成軸電流回路。電動機殼與軸承兩端表現為非線性阻抗特性，電壓在等效電路上產生軸電流。

3 軸電流的危害

軸電流加速軸承潤滑油的老化，潤滑油膜的絕緣失效后，軸電流從轉軸和軸承的金屬接觸點流過。由于軸電流流過的接觸面一般都很小，所以接觸點的電流密度很大，放電瞬間產生較高溫度，將軸承局部熔化。頻繁的軸電流所導致的痕跡在軸承上累積，產生密密麻麻的小坑。運行時間越長，傷痕越多，軸承轉動阻力變大，溫度升高，加劇了軸承的磨損。如不及時處理，可能導致軸承損壞，給安全生產帶來很大的隱患。

軸承受損后，電動機中心出現微小的偏擺，運行穩定狀態被打破。長時間的偏擺加劇了電動機的損壞，電動機可能產生噪聲、振動等異常現象，強烈的振動甚至導致焊點開裂。

如果電動機外殼接地較差，變頻調速系統中高頻“泄漏電流”遇到接地系統與電動機殼之間的較大電阻，將產生一個更大的電壓。這個電壓不僅破壞電動機軸承，而且破壞減速器或從動機的軸承。

4 軸電流的預防

針對軸電流形成的常見原因，可以采用以下措施進行預防。

(1) 設備安裝時要符合電氣規范要求，采用標準的接地方式，保證各個部件可靠接地，變頻器輸出端增加電抗器后連接電動機。

(2) 在軸承座和軸承支架處加強絕緣，或采用特殊工藝制造絕緣軸承；定期檢查并更換軸承潤滑油，以切斷軸電流的回路。

(3) 在軸端安裝接地碳刷，使接地碳刷可靠接地，并且與轉軸可靠接觸，保證轉軸電位為零，消除軸電壓，避免產生軸電流；定期檢查并更換磨損的碳刷。

(4) 定期檢查并加強墊片或導線絕緣，以免產生軸電流隱患；增加軸承測溫裝置。

5 結論

由于變頻器和異步電動機的眾多優點，它們在礦井提升機等工業現場的大量應用是大勢所趨。異步電動機軸電流是一個客觀的存在，變頻器的諧波更加劇了軸電流對電動機的影響，了解電動機軸電流產生的原理，合理的預防措施能夠避免軸電流對電動機的損害，提高異步電動機運行的穩定性，避免產生較大的經濟損失。