轴承抱轴模式下变频器保护失效的分析及处理

联泓新材料科技股份有限公司的研究人员庞忠、王志刚、张伟伟、张琪、颜铭志，在2021年第2期《电气技术》上撰文，针对电动机轴承故障引发的半载负荷状态下变频器过电流保护缺失的问题进行原因分析并提出整改措施，通过技术改造可以避免电动机及拖动设备故障的进一步扩大，在电动机拖动设备管理行业具有推广意义。

某公司EVA装置设计13个料仓，安装14台脱气风机，一台脱气风机对应一个料仓，另外一台脱气风机为备用风机。当某个料仓脱气风机故障停车后，自动起动备用脱气风机，风机短时间停车对生产没有影响。

设备选用德国爱珍GM801型风机；电动机选用西门子1LE0002—3AA2 3—3AB4—Z 315M型，额定功率132kW，额定电流235A，额定转速2 980r/min；风机与电动机采用皮带传输动力；控制方式采用变频器起动，选用ABB ACS800—01—0205—3型变频器；电动机安装在悬臂式弹性基础上。

目前设备运行中发生多台电动机轴承抱轴事故，现场检查电动机无法盘车，轴承温度较高，电动机转子轴磨细，需要外委修复。

1 故障现象

1.1 电动机轴承损坏情况

从2013年设备运行以来EVA风送系统多台电动机出现驱动端轴承抱轴现象，如图1所示，电动机轴承故障，现场测量轴承温度200℃左右。

图1 轴承抱轴

拆检发现电动机驱动端轴承内圈有跑套现象，电动机转子轴磨细，内外油盖有不同程度的磨损。需要外委修复轴尺寸，导致维修费用增加。

1.2 保护动作情况

SIS显示“流量低低”或“压力低低”工艺联锁跳车；变频器无故障跳车记录，显示为正常停车。

2 原因分析

2.1 电动机轴承抱轴的原因分析

电动机采用悬臂式安装方式，如图2所示。

图2 电动机采用悬臂式安装方式

依据ISO 10816《旋转机器振动判断国际标准》132kW电动机振动不应大于4.5mm/s，爱珍风机振动报警值是11mm/s、振动跳车值是18mm/s。实际运行中电动机经常超过允许振动标准值运行，导致电动机轴承损坏加快。

电动机有加油孔，没有排油孔，无法在线排出废油，加油到一定周期后，轴承室内废油脂过多，轴承室空间有限，再加上电动机以2985r/min的速度旋转，导致电动机轴承运行温度升高。

罗茨风机噪声较大，轴承异常运行声音被罗茨风机噪声掩盖，巡检人员有时不能及时发现电动机轴承的异常运行状态。综合以上3个因素是导致电动机发生轴承抱轴的主要原因。

2.2 变频器没有故障跳闸的原因分析

电动机轴承从正常运行到轴承抱死有一个过程，需要几分钟或者十几分钟的时间。如果变频器能根据电动机轴承故障导致运行电流增加的情况及时进行保护跳闸停车，不至于把电动机轴承故障扩大到电动机轴承抱轴的现象，或者扩大到电动机转子轴磨损较为严重的事故。检查变频器热保护、堵转保护参数设置情况，见表1。

表1 变频器热保护、堵转保护参数设置

通过检查变频器保护参数，发现电动机热过载保护没有起作用，所以电动机轴承损坏后虽然运行电流增加达到热过载动作值，但是变频器没有投入热过载保护，所以变频器不会因热过载保护动作而跳闸。

变频器堵转保护时间20s，堵转保护整定堵转频率20Hz，是在设备发生堵转现象后变频器输出频率下降至20Hz，堵转时间达到20s时变频器才会故障跳闸。“流量低低”和“压力低低”工艺联锁达到保护动作值，0.5s跳车。由于电动机轴承故障导致风机转速降低，风量减少，所以工艺联锁跳车优先于变频器堵转保护跳车，变频器堵转保护没有起作用。

3 整改措施

3.1 防止电动机轴承抱轴的整改措施

加强对罗茨风机进行维护，电动机振动超标及时进行找正，把电动机振动值控制在正常范围内，严禁电动机超振动标准值运行。查阅《电机制造工艺学》国产电动机轴承室深度公差代号为h11与西门子电动机轴承室深度公差代号h11相同，国产电机Y2—315—4外轴承盖固定尺寸与西门子电动机1LE0002—3AA2 3—3AB4—Z 315M外轴承盖固定尺寸一致，国产电动机Y2—315—4外轴承盖有排油孔，可以实现电动机在线排油功能，如图3所示。

图3 Y2—315—4带排油孔轴承盖

用国产电动机外轴承盖代替西门子电动机外轴承盖，实现电动机在线排油换油功能，避免电动机轴承室废油脂过多，电动机轴承温度过高，发生轴承抱轴事故。

3.2 变频器保护参数设置整改措施

经过现场多次观察，EVA料仓脱气风机变频器起动时，变频器电流不超过120A；正常运行电流最大在120～140A范围内，最大运行不超过150A，电动机额定电流235A，电动机实际运行电流比电动机额定电流小85A，称为半载负荷。如果变频器热过载保护按电动机额定电流设定，即使投入变频器热过载保护，当电动机轴承故障时，变频器也不能发生热过载跳闸保护。

考虑电动机实际运行情况，变频器热过载保护预留一定安全系数，变频器热过载保护修改见表1。30.04MOTOR THERM PROT电动机温度保护选择FAULT故障跳闸；30.05MOT THERM P MODE电动机热保护模式选择USER MOODE用户模式；30.06MOTOR THERM TIME热时间常数设定为256s；30.07MOTOR LOAD CURVE允许电动机过载持续电流按170A考虑，设定为72.3%；30.08ZERO SPEED LOAD零速下允许的电动机持续电流设定为51%；30.09BREAK POINT 100%负载下的传动输出频率设定为50Hz。

变频器堵转保护，30.11STALL FREQ HI由原来的堵转频率20Hz改为47Hz；30.12STALL TIME堵转时间由原来的20s修改为10s。

查阅ACS800变频器说明书，32 SUPERVISION是监控极限值，具有电动机电流监控报警输出功能。

把32.05CURRENT FUNCTION电动机电流监控功能并选择极限值监控的类型设定为HIGH LIMIT上限；32.06CURRENT LIMIT电动机电流监控极限值设定为170A；14.01 RELAY RO1 OUTPUT选择继电器输出RO1显示的传动状态设定为达到电动机电流监控极限值；14.04 RO1 TON DELAY延时吸合时间设定为3s；14.05 RO1 TOFF DELAY延时释放时间设定为1s，见表2。

表2 电动机电流监控功能设置

极限电流监视继电器RO1常开触点控制中间继电器KA6，KA6常闭触点串入变频器起动回路中，当电动机运行电流达到170A时，继电器RO1延时3s起动中间继电器KA6，KA6常闭触点断开变频器起动回路，变频器停止输出，电动机停车。同时，KA6常开触点自保持，KA6中间继电器自带得电指示灯，方便电气运行人员查出变频器跳车原因，如图4所示。

4 结论

1）较大功率的电动机设计在线排油功能

国内卧龙电气南阳防爆集团股份有限公司、哈电集团佳木斯电机股份有限公司以及国外ABB公司，11kW及以上功率电动机都可以设计安装在线注油、排油孔，如图5所示。

建议甲方采购11kW及以上功率的电动机时，要求电动机具备在线注油、排油孔功能。通过电动机在线更换润滑脂，可以延长电动机轴承的使用寿命，降低电气检修人员的劳动强度，延长电动机维修周期，降低设备维修费用，减少企业运行成本。

2）根据实际最大运行电流整定热保护电流

生产现场有少数电动机存在半载负荷的现象。半载负荷的电动机正常运行电流远低于电动机额定电流，当电动机轴承或者拖动设备轴承发生故障时，电动机运行电流上升。变频器热过载保护如果按电动机额定电流整定，变频器热过载保护一般不会动作跳闸，电动机在轴承故障的情况下继续长时间运行，造成设备机械故障进一步扩大。

图4 控制原理

图5 具有在线排油孔功能的电动机

为实现半载负荷的电动机变频器对设备轴承故障的可靠保护，建议变频器热过载保护按电动机正常运行最大电流乘1.05～1.2倍的可靠系数整定变频器热过载保护，提高变频器热过载保护的可靠性。

3）变频器增加定时限过电流保护功能

如果电动机拖动设备跳车后对生产影响较小，为使变频器对电动机或电动机拖动设备的轴承故障进行可靠保护，根据现场实际情况，ACS800变频器通过32组极限监控值，增加定时限过电流保护功能。半载负荷的变频器定时限过电流保护，建议按电动机日常运行最大电流值乘1.1～1.3倍的可靠系数整定过电流保护定值，增加3～5s延时跳闸功能，提高变频器对设备轴承故障的保护范围。

实际运行中电动机出现轴承故障导致电动机轴弯曲、转子扫膛或者断轴事故，多数是半载负荷的电动机热过载保护、定时过电流保护起动门槛值按电动机额定电流设定，忽略了半载负荷电动机日常运行最大电流较电动机额定电流偏小的现实。

当半载负荷电动机轴承故障时，虽然电动机运行电流较电动机正常运行最大电流增加，但是没有达到或者没有及时达到保护装置热过载保护、定时过电流保护起动门槛值，电动机保护装置没能及时保护跳闸，电动机在轴承故障的情况下长时间运行，进一步扩大为电动机轴弯曲、电动机转子扫膛事故。通过改造后的设备运行效果良好。

【原】轴承抱轴模式下变频器保护失效的分析及处理

本文编自2021年第2期《电气技术》，论文标题为“轴承抱轴模式下变频器保护失效的分析及处理”，作者为庞忠、王志刚、张伟伟、张琪、颜铭志。