轴流冷却风机电机频繁烧毁的处理过程及原因分析

引言

某浮式储油轮设计有两套天然气压缩机,机组上各配备两台轴流风机,风机由一台15kw交流电机通过皮带进行驱动,为原动机缸套水和压缩后的天然气提供强制冷却。机组由厂家进行调试后交付现场使用,在投入运行4个月后,一台冷却风机电机烧毁,在之后一段时间,因为相同原因,连续发生了数起风机电机烧毁事故。

1处理过程

1.1故障现象

风机电机故障后,现场工作人员首先对风机电机进行电气检查,发现电机主回路MCCB动作跳闸,接触器状态良好,热继电器未动作,电机对地绝缘值为零,有一相绕组开路,判断电机已经烧毁。随后对电机进行拆解,发现电机轴承保持架和个别滚珠受损、滚道损伤,轴承组件表面大多为黑褐色,呈现明显的高温氧化特征,各接触面已无润滑油脂覆盖,氧化程度和损伤程度均由内到外逐渐变轻:绕组及隙缝处散落黑色金属粉末:三相绕组全部变色,局部绕组烧毁:绝缘和绑扎带等变黄、变脆,并伴有开裂现象。

1.2轴承过热

对未损坏、新采购和维修后的电机进行全面检查,电机运行电流平均值为25A,电机运行电流虽和相匹配的风机有直接关系,但都未超过电机额定电流29.1A,风机电机对中和风机电机连接皮带等未发现异常,电机驱动端轴承温度为97℃,初步判断电机轴承长时间过热运行,导致轴承抱死,最终电机烧毁。

所谓轴承过热,是指电机在运行中,滚动轴承温度超过95℃,滑动轴承温度超过85℃。轴承过热的常见原因分析如下:

(1)轴承质量较差,制作精度不达标,在设备运行前的运输及搬运过程中道路颠簸,轴承转子上下跳动:或设备长时间未使用,转子受重力作用,在轴承内外环滚道中的轴向中间形成压痕,这种损伤在电机运行时,可听到轴承中发出有节奏的"刚刚"声。

(2)轴承与转子或轴承室的同轴度不符合要求,导致轴承受力增加。

(3)轴承与转子或轴承室配合过紧,使轴承内环或外环挤压变形,轴向游隙变小,不能形成良好的油膜,导致轴承滚动困难,产生较多的热量。

(4)轴承与转子或轴承室配合过松,使轴承内环在转子上、外环在轴承室内快速滑动,摩擦产生大量的热,造成轴承温度急剧上升,严重时会在很短的时间内将轴承损坏:随着轴承内环与转子、外环与轴承室旷量的不断增加,将产生定、转子摩擦,绕组过电流等故障,造成电机烧毁的重大事故。

(5)环境中的粉尘通过轴承盖与转轴的间隙进入轴承中,大幅度降低油脂的润滑功能,增加摩擦阻力,产生较多的热量。

(6)轴电流过大对轴承滑道和滚动体造成损伤,从而产生滚动不畅、摩擦力增大等问题,导致温度上升。

(7)轴承油脂过多、过少或变质:轴承室结构存在问题,注脂孔位置设计缺陷:加注油脂时,换用不同品牌的油脂,油脂混用等都会造成轴承温度升高。

经过一段时间排查,共更换轴承四对,其中一对轴承由原型号6309ZZC3更换为6309ZZC4,增加了轴承游隙:一对更换了轴承厂家。电机烧毁后转子轴颈、轴承室检查结果良好:损坏后返修的电机,各种功能测试正常。轴电流问题大多发生于变频电源供电的电机,特别是大中型容量的电机,而此次风机电机为15kw,属于小型电机,且由工频电源直接供电,电机发生轴电流问题的可能性极小。

除电机轴电流未进行验证外,对可能造成电机轴承过热的问题都进行了严密排查,仍确认不了造成轴承过热的原因。

1.3电机高温

电机高温的原因有两个方面:一是散热系统没有起到应有的作用,二是发热部分产生的热量太多。

1.3.1电机散热不良

(1)环境温度高。据统计,环境温度每增高1℃,电机温度将增高0.5℃。

(2)海拔超过规定的数值。统计表明,环境海拔每增高100m,电机温度将在正常数值的基础上增高1%左右。

(3)冷却系统出现故障,机壳表面出现油污、积灰,制造缺陷或设计存在问题等,都有可能造成电机高温。

风机电机安装在浮式储油轮上,海拔不超过50m,环境温度不超过40℃,电机表面干净无油污,电机位于轴流风机的上风口,在使用自身冷却风扇散热的同时,还通过轴流风机强制冷却,电机散热不良问题可被排除。1.3.2产生热量过多

(1)电气方面:主要包括电源电压过高、电压过低、三相电流不平衡和电流超过额定值。

(2)机械方面:主要包括附加在电机输出轴上的所有负载超过额定值。

浮式储油轮由配套发电机组供电,电压稳定在400V,电机三相电流平衡且未超出额定值,轴流风机厂家:MooRE,属于5433系列,经与厂家确认,该系列轴流风机可以与15kw电机进行匹配,设计完全符合使用要求。

电机各项参数正常,在强制冷却情况下,电机壳体温度最高为95℃,电机高温原因还需要继续排查。

1.4电机转速

测量电机转速的仪表,按照在测量时是否与电机旋转部分进行接触,可分为接触式和非接触式两种类型;按照转速显示方式,可分为指针式和数字式两种;另外还可以分为机械离心式和电子反光式。为保证测量安全和准确性,测量时选择便携、非接触式、电机转速数字显示激光测速仪;为进一步提高测量准确性,在电机的轴承端缠绕黑色胶带,在胶带上粘贴12mm左右的发射条,测量电机带载转速为1247r/min,低于额定转速1460r/min。

正常情况下,电机应维持额定转速运行,造成电机转速偏低的原因主要有:负载过重、电机故障、电源存在问题、启动方式选择或接线存在问题。结合前面的排查过程,后面需要对电机连接方式进行重点排查。

1.5连接方式

如图1所示,三相电机的接线一般情况下分为3种一星形、延边三角形和三角形。星形接线法把三相绕组的末端接在一起成为一个公共点,三相绕组的初始端接三相电源,适用于功率较小的三相电机;延边三角形接线法是将电机定子绕组的一部分接成三角形,另一部分由三角形的顶点延伸接至电源,延边三角形比普通电机的绕组多3个抽头,至少需要9个电机抽头,电机结构复杂,须专门生产,从而限制了本方法的实际应用;三角形接线法是将三相绕组依次首尾相连,并将每个相连的点引出,作为三相电的三个相线,接线形状似三角形,一般在功率较大的三相电机上使用,其在生活生产中使用最为广泛。

参考电机接线盒内部的电机绕组,经过现场确认,该15kw交流电机每一相有两个绕组,每一个绕组有两个抽头,三相绕组一共有12个抽头,三相绕组一端有一个公共点,另一端分别接三相电源,确认为星形连接方式。计划把电机三相绕组由星形连接修改为三角形连接后,再进行相关参数测量、功能试验。

2问题解决

根据接线盒内标识修改电机绕组为三角形连接方式后,启动冷却风机,电机运行电流23A,转速1465r/min,稳定运行4h,电机表面温度27C,驱动端轴承室温度31C,环境温度7C。

风机电机接线修改为三角形连接方式后,转速高于额定转速,运行电流低于额定电流,电机壳体温度最高为31C。风机电机连续运行6个月后,各项参数仍然正常,未发生烧毁事故,电机频繁烧毁问题成功解决。

3原因分析

3.1接线错误

风机电机三相绕组一共有12个抽头,可以接成星形,也可以接成延边三角形或三角形,存在多种连接方式可选:接线图没有标注每种接线方式对应的电源电压,不方便对接线方式进行修改:接线盒内没有接线端子,抽头线号全部包裹在绝缘胶带内,接线方式不容易直接判断:国外调试期间,使用660V电源[4],接线方式为星形连接,改为380V供电后,未对接线方式进行相应调整。

3.2特性曲线

三相异步电机的工作特性是指在电源电压和频率为额定值的条件下,电机的转速、定子电流、功率因数和效率与输出功率的函数关系,如图2所示。

(1)转速特性n=f(P2):三相异步电机空载时,转子转速n接近于同步转速n1。随着负载的增加,转速n降低,转差率s增大,转子电流增加,以产生电磁转矩来平衡负载转矩P2。

(2)电磁转矩Tem=f(P2):

转矩平衡方程:

因为空载转矩T0近似不变,且电机转速变化也很小,所以电磁转矩Tem随P2的变化近似为一条直线。

(3)电流特性I1=f(P2):

磁动式平衡方程:

空载时,转子电流I●2≈0,定子电流几乎全部是励磁电流I●m。随着负载的增加,转子电流增加,定子电流也随之增加。

(4)稳定运行区:三相异步电机的机械特性曲线可以分为直线段和近似双曲线段,如图3所示,电机拖动恒功率或恒转矩负载时,只能工作在直线段(稳定区),如a、b两点,但是对于风机类负载,电机还可以工作在近似双曲线段。

综合电机的工作特性和3种类型负载的稳定工作点进行分析,风机电机绕组接线错误,导致电机在欠压状态下工作,转矩按电压二次方减小,在负载转矩不变的情况下,电机转速n急剧下降,转差率s增大,转子电流增加,定子电流也随之增加,电磁转矩Tem也开始增加,风机转矩随转速n降低。当电磁转矩等于风机转矩时,无论是在电机机械特性曲线的直线段还是近似双曲线段,风机都可以稳定运行。

3.3运行电流

某消防设备工作站,对消防用风机、电机做了翔实的功能测试,绘制出异步电机的特性图,反映了电磁转矩、定子电流随转速的变化,如图4所示。电机在最大转矩点时转矩为额定转矩的2.2倍左右,转速为额定转速的80%左右,电流为额定电流的2.8倍左右,功率(与转矩、转速的积成正比)为额定功率的1.7倍左右。对比本文所述轴流风机,电机转速1247r/min,约为额定转速的85.0%。

图7异步电机特性图

电机绕组星形连接,实际运行电流25A,约为星形连接额定电流的1.5倍,风机电机长时间过流运行,造成电机定子或转子过热,电机的热量传到轴承中,使轴承中的润滑脂温度达到其滴点而变成液态流失,轴承失去润滑而产生较高的热量,导致电机轴承损坏、电机烧毁。

7结语

电机运行电流小于额定电流,电机轴承损坏导致电机烧毁这一表面现象,使工作人员在处理电机频繁烧毁故障时走进了误区,这是问题没有及时得到解决的重要原因。本文通过对电机轴承、定子、带载情况、接线方式等多方面的排查,对故障进行了多方面分析,最后确定故障原因,希望能为同类电机烧毁、轴承故障的快速处理提供一些借鉴。