轴接地装置能提高变频电机的可靠性

发布时间：2014-03-24 作者：www.cechina.cn

        就像在很多应用领域能够节省能源一样，如没有适当的接地，变频器也会造成电机过早的故障。设想一下：在一个典型的商业建筑或工厂内， 当一个标准的维护工程师按照计划对设备进行检查、维护的时候，他的一天一般是这样渡过的：为电机添加润滑油，检查其它的疲劳特征。在没有预防性的维护工具或者先进的预测控制软件来提供报警的情况下，工程师也许会停下来，心里想，“这些电机的声音是不是更大了？还是我多想了？”
        经验丰富的工程师依靠自己的听力和直觉来预测电机的情况，有时可能会得到正确的判断。但有些时候，轴承早已经遭受了磨损，却并没有任何人意识到这个问题，为什么？
        电机为何会故障？
        尽管有很多原因会导致电机的故障，但是一次又一次的事件证明，排在第一位的原因往往是轴承故障。在工业领域，复杂恶劣的环境也可能对电机寿命造成损害。
        污染、湿度、高温或者不正确的负载肯定都会造成轴承的过早故障，另外一种会造成电机故障的现象是共模电压。

轴承故障是最常见的电机故障原因。图片来源： Baldor公司

        共模电压
        现在服役的大多数电机，都是在线电压下运行，这就意味着它们通过电机启动器，直接连接到接入工厂内的三相电源上。在过去几十年，由于使用环境变得越来越复杂，通过变频器来驱动电机逐渐成为主流。利用变频器来驱动电机的优点在于可以对设备实现转速控制（如：风机、泵、输送机），并在最优的效率下运行负载从而节约能源。但是，变频器的一个负面影响是潜在的共模电压，这可能是由于施加在驱动上的三相电源之间的不平衡造成的。
        脉宽调制（PWM）逆变器的高速切换可能是马达线圈以及轴承问题的来源。在逆变器上利用防高电压的绝缘系统，可以有效地保护线圈，但是当电机逐渐形成高电压时，电流会寻找对地电阻最小的路径——轴承释放出去。

示波器上电压峰值的读数显示了电机发生共模电压的情况。

        由于电机轴承使用润滑油脂来润滑，油脂中的油形成的一层膜会起到电介质的作用。经过一段时间，这层电介质就会被破坏掉。随着轴上电压等级的升高，不均衡电流就会寻求通过轴承的对地电阻最小路径。这会导致产生轴承内的电弧，通常称之为放电加工 (EDM)。随着时间的流逝，电弧持续发生，轴承座圈的表面区域就会变脆，轴承内的微小金属就会脱落。结果就是，这些损坏的材料在轴承滚珠和轴承座之间滚动，造成了研磨的效果，导致表面失去光泽甚至是出现开槽（这会增加环境噪音、振动和电机的温度）。虽然这些电机能够目前仍能继续运行。但是，随着问题变得越来越严重，最后不可避免地要更换电机轴承，因为损害早已发生。
        预防性接地
        在安装过程中，我们所期望发生的是：按照制造商的要求安装电机、驱动装置、接线、接地和编程。变频电机在工业领域的应用一般不会碰到轴承方面的问题，但是在商业建筑、机场行李处理设施等领域的安装，通常情况下缺少较好的接地设施。

滚珠轴承的切面，显示了电机接地故障时，通过轴承释放电流的典型路径。

        所以，要采取什么样的措施将电流从轴承上引走呢？最常用的方法是在电机轴的一端增加轴接地装置，尤其是对那些共模电压比较普遍的应用领域。轴接地就是将电机的旋转轴通过电机外壳连接至地的一种途径。和更换轴承的成本相比，在安装前为电机配置轴接地装置（或者是购买预装接地装置的电机）其成本要小的多，这还没有算上工厂停运期间的高额费用。

碳刷和碳刷座（如图所示）或者纤维刷式环形装置能避免电流通过电机轴承接地。

        目前，在工业领域内，有几种比较常见的轴接地装置。安装在支架上的老式但是比较可靠的碳刷，使用的仍然比较普遍。与典型的直流碳刷类似，它可以为电机的转子和静子之间提供电气连接，形成电气回路。
        纤维刷式环形装置是市场上比较新的轴接地装置。这种装置的工作模式和碳刷类似，但是它是通过在轴上的环形内布置多条导电纤维来实现。环形的外面仍然是静子，一般安装在电机的底盘上，而电刷在电机轴的表面，这样就可将电流通过电刷安全的导向大地。但是对比较大的电机（超过100hp），不管使用的是何种轴接地装置，一般推荐在轴的另一端安装绝缘轴承，这样就可以确保电流全部通过安装轴接地装置的一端释放出去。
        变频器安装的三个提示
        在变频器应用中，如果要想降低共模电压，维护工程师应注意三个方面：
        1) 确保电机（和电机系统）正确接地；
        2) 确保适当的载频平衡，这样可以降低噪音水平以及电压的不平衡；
        3) 如果认为需要轴接地装置，那就选择一款最适合该应用的。