冶金工业的变频器应用与维护（二） 电池锌板卷取电机的轴承故障分析与对策.pdf

● 专 栏 T h e AC i n v e r t e r ’ S a p p l i c a t i o n a n d ma i n t e n a n c e i n t h e me t a l l u r g i c a l i n d u s t r y 冶金工业的变频器应用与维护 二 电池锌板卷取电机的轴承故障分析与对策 李方园 1 9 7 3 一 男 ，浙江舟山人 ，毕业于浙江大学电气 自 动化专业 ，高级工程师 ，长期从事于变频 器等现代工控产品的应 用与研 究工作。现 在职 就读 于浙江工业大学信息学院工程硕 士专、 摘要 电池锌板厂卷取机运行几个 月以来 ，现场反映卷取工作一直不正 常 ，轴向振动较大，而且振动劣化趋势发展很快。为了提早作好维修准 备 ，并为确定维修决策提供依据，历时2 个月，对该 电机轴承连续进行 了 跟踪监测和测试数据分析，并及时提出了更换轴承和维护对策。 关键词 三电平变频器；共模电压；轴承电流 Ab s t r a c t Du r i n g t h e p a s t f e w mo n t h s wh e n Zi n c b a t t e r y f a c t o r y c o i l e r wa s r u n n i n g ， t h e r e e l i n g wa s a l wa y s ma l f u n c t i o n ． T h e p r o b l e m wa s t h a t t h e r e wa s l a r g e a x i a l v i b r a t i o n a n d t h e d e t e r i o r a t i o n wa s i n t h e t r e n d o f r a p i d d e v e l o p me n t ． I n o r d e r t o ma k e e a r l y p r e p a r a t i o n s f o r r e p a i r s a n d ma i n t e n a n c e t o d e t e r mine t h e b a s i s f o r d e c i s i o n ma k i n g ，t h e mo t o r b e a r i n g s we r e u n d e r mo n i t o r i n g i n 2 mo n t h s ． F i n a l l y a c c o r d i n g t h e t e s t i n g d a t a a n a l y s i s ， b e a r i n g h a d b e e n r e p l a c e d a n d ma i n t e n a n c e o ft h e r e s p o n s e h a d b e e n d e c i d e d Ke y wo r ds 3 - l e v e l i n v e r t e r ； c o mI n o n mo d e v o l tag e ； b e a ti n g c u e n t l 前 言 锌板生产线主要用于电池锌筒 、锌饼的生产，其步骤包括将 熔融的锌液经过连续铸造 ，并通过轧机一次压制成成品，然后送 后道工序冲裁成锌饼，最后冲裁成成品锌简。锌板生产线主要规 格按 照成品锌板宽度 如1 0 0 、1 1 0 、1 2 0 、1 6 5 、1 7 0 、1 8 5 、2 0 0 等来决定传动功率的配置 ，主要由铸造机 、托辊 、轧机、电控 系统等组成。 在 电池锌板生产线 中，从铸造机中出来的热锌板 ，经过轧机 轧制后，再进行收卷 如图l 所示 。在通常情况下 ，轧机的主速 度是跟随铸造的速度信号而变化 ，收卷则由变频器控制，采用张 力闭环 ，即通过张力检测装置反馈张力信号与张力的设定值构成 P I D闭环 ，然后调整变频器的输出频率命令或输出转矩指令。 某电池锌板厂卷取机运行几个月以来， 现场反映卷取工作一 直不正常 ，轴向振动较大 轴向振动比径向大很多 ，而且振动 劣化趋势发展很快 。为了提早作好维修准备 ，并为确定维修决策 提供依据 ，历时2 个月，对该电机轴承连续进行 了跟踪监测和测试 数据分析 ，并及时提出了更换轴承和维护对策。 盎职机 图1 锌板生产线示意 2 卷取机轴承故障分析和对策 根据现场反映的情况，对卷取电机轴承进行连续跟踪测试， 采用加速度传感器分别测量，并对测试数值进行分析 比较后 ，发 现电机前轴承的轴向振动最大 ，与现场反映的情况基本相符。其 中对 电机前轴承测点的轴向振动测试数据进行了分析 ，频谱图及 时域波形图见图2 。 遵腹 蜂 值 ， 2 mm S l a 频谱 图 额章， H z 7 2 自 动， 匕 博览2 0 1 0 年1 2 B刊 加速 鹿 时 闻 b 时域波形 图 图2 电机前轴承的轴向振动频谱图及时域波形图 从图2 a 的频谱 图中发现 ，最高峰值所对应的频率恰好为 轴承外圈故障特征频率，即变频器的输 出频率 ，大致为7 2 ． 8 Hz ， 而且高次谐波能量很大，从时域波形图也可以看出，存在着明显 的时 域冲 击 。 2 轴承更换 由于从振动分析仪显示的数据表明电机的前轴承寿命已经处 于最低状态 ，于是决定更换轴承。将更换后的轴承进行解剖如图3 所示 ，发现轴承的损坏比较特殊 ，主要表现为轴承内圈有一道非 常明显的 “ 沟纹槽”现象。 图3 卷取电机 前轴承故障 3 轴电流的存在原因 与该厂 同样的锌板生产线的卷取部位相比较 ，以前采用电磁 调速从来没有发生过“ 沟纹槽”类故障 ，同时经文献[ 1 ，2 ]确认 为变频器的轴电流所致。 在传统的二电平变频调速系统中，一般都采用交 一直 一交变 换结构 ，即将三相幅值固定 、频率固定的输入电压转换为电压可 调、频率可渊的三相输 出，驱动三相电机。在这个变换过程 中， 需要采用电力电子开关器件 ，例如在整流桥和逆变桥 中⋯。但是 这种开关切换过程 ，往往会导致电机端电压存在零序分量 即共 模 电压 V c m，如图4 所示。 L▲ J - j } } r 羊 I 九 一 一 j v _ 本 二 _ 5 7 1 j Ⅵn 一 ， 、 C d { v b 0 ⋯ ， ⋯ ⋯”， } 一 Vs I _ J _▲ l 、一⋯一 一 一⋯ -⋯⋯ r t ． ⋯一一 ⋯一 ． ．一 图4 变频器 的工作 原理 P WM输出的每相波形都是矩形波，尽管它的三相基波分量 的合成矢量为零，但是从实际P WM波每一时刻的合成矢量看并不 为零 ，也就是说共模电压的瞬时值不为零 ，其数值为 i V I 。 ∞ j。 H t 逼 2 N f { { 二 _ 黯未 【 式中V 为直流母线电压；V 。 为直流母线电容中间点对地 电压 。 该函数具 有上下阶梯状的特点 ，它的幅值等于直 流侧电压 值 ，波形中阶梯的每一个台阶都是 1 ／ 3 的直流电压值 ，而频率等于 变频器的开关频率。 当共模电压引起轴电压 ，并进一步作用于由轴承 、润滑油和 绝缘垫片所组成的电容 、电阻和非线形阻抗后就会形成一定的回 路电流 ，又称“ 轴电流”。 4 三电平变频器与二电平变频器的比较 根据共模电压 Vc m的瞬时表达公式可以看出，由于二电平 变频器的I GB T 的开关只有2 一8 个开关状态，导致波形严重畸变， 最终导致电机轴承端的共模电压居高不下。显然 ，三电平变频器有 着比较明显的优势，如图5 所示为三电平I G B T 出的拓扑结构l3 】 。 N D 。’ 。 。。 一一 。。 下转 7 6 页 2 0 1 0 年1 2 月刊 自 主 力 f 匕 博笕 3 村 ～ 越 ●■ n ” ～ 一 衄 ■ 讥 ” 一 ⋯ m ■ ■ 一 一 ～ 删哪●硼二 一 ～ ● ●●lI■■■■■■● ● 一 ●●●●基■■■●啊 ‘Ⅲ■目■ H， 一 Ⅱ ● 啊 一 一 ●● ■■■●■t『 一 Umm啊 m 一 m疆岫啊啊啊咿l1 _{ 一 ● _二■ -广 一 ● uURm啊硼叫町 Ⅱf 一 -■■■■■■●rl ～ ●mm■●m 一 ●●， mⅢ●■珊■■■-■■■■ ● 一 一 2 V 的 勰 基 一 T 旷 ， D 已 V 肥 舱 n 基 ～- r t D 2 U 优 m n 基 - r 一 T广 上 T ● 采用专门应用于冶金行业的激光测距传感器，实现钢水液面 高度的测量 ，根据不同的钢包液面高度 ，机器人精确控制提升装 置下枪的深度，提高了测温取样的精 度。 测量温度达到1 6 0 0 ℃，测量距离达 O 2 0 m，测量精度可以达 到 1 0 mm。 2 图5激光测距传感器 1 、传感器 2 钢包 液面高度检测装置的主要特点是 在钢包到位前先测量钢水 液面的高度 ，然后精确地控制测温取样装置的位置，保证了温度 取样数据的合理性 。 5 弹仓 系统中的弹仓利 用机 器人变量功能进行编程。枪 杆间距利 用钢包盖的内径尺寸和提升装置两个枪杆之间的间距尺寸确定。 因为该系统可以实现三个功能 ，所以弹仓采取分离式结构，便于 机器人抓取枪头的示教和在弹仓的首端利用传感器对枪头进行检 测 。 6 结论 自动测温取样系统是在钢铁冶炼行业的第一次应用 ，也是在 国内钢铁行业第一次采用机器人进行 自动测温取样 ，根据客户反 馈不仅使用效果 良好，而且价格低于引进的国外 同类型设备 ，使 测量结果可靠稳定。 本文介绍了一种用于冶金行业的机器人 自动测温取样系统 ， 着重对系统的布置形式 、结构特点、可靠性进行 了说明。此系统 开辟了机器人在该领域应用的国内先河 ，在炼钢 自动化领域的突 破 ，标志着在精炼设备 自动化、管理精细化上迈出了新的步伐 ， 对提高钢水温度控制精度、提高冶炼质量、降低原材料消耗和职 工劳动强度等方面具有重要意义。‘ 7 6 自 勋 匕 博览2 0 1 0 年1 2 N刊 上接7 3 页 根据文献[ 4 ] 知道，由于三电平变频器的共模电压大大降低， 比二电平变频器可以降低5 0 ％以上，从而引起轴承电流的风险降 低 了8 O ％以 上 。 3 结束语 考虑到 目前采用的卷取电机变频器为 日 本安川G 5 二电平变频 器，所以为克服轴承 “ 沟纹槽”现象更换为安 I I G 7 电平变频器， 更换前后测量轴电压和轴电流的波形如图7 所示。该厂使用三电平 变频器近一年来，再也没有出现类似轴承 “ 沟纹槽”现象。 ‘C Aln 1 0 V 轴 电 压 ； l ． 荆 虢 8 { ； } I l 秘 蜘 特 蝌 轴 电 流 { 10 m A _．● 1 m s ● a 安1 1 1 G5 变频器 { ， l0 V 轴 电压 。 蝴 ‰ 0i ％ g 灏_ l 罄 黪 黪鬻 躺 簿 辫 瓣 攀 黪 鹪 孙 ’ 2 o m A 轴 电 流 ● ● 1 m s ● _ 。 } b 安川G7 变频器 图7 更换前后的波形比较 参考文献 [ 1 ] 李方阔 变频器行业应用实践[ M] ． 北京 中国电力出版社， 2 0 0 6 7 1 7 2 ， 【 2 ] Wa l t e r s a n t i a g o ． 1 n v e e r o u t p u t f i l t e r e ff e c t o n P WM mo t o r d ri v e s o f a f l y wh e e l e n e r g y s t o r a g e s y s t e m[ J ] NA S A ／ T M， 2 0 0 4 ， 9 ． [ 3 】 刘忱． 帛联H 桥高压变频器共模电压的研究f J ]变频器世界， 2 0 0 5 ， 1 o [ 4 ] 张宗桐 变频器应用与配套技术[ M] ． 北京 中国电力出版社． 2 0 0 8 2 7 2 - ’R7