книги / Надежность электрических машин

211

вующие стандарты не нормируют минимальной толщины изоляции проводов с волокнистым покрытием. Минимальная толщина эмалевой изоляции нормируется, однако при её изготовлении часто отступают от стандартов. Недостаточно определены также показатели по обеспечению стабильности качества электроизоляционных материалов, в результате иногда обнаруживается снижение их нагревостойкости (особенно нагревостойкости эмалированных проводов). Значительно снижает нагревостойкость и срок службы обмоток из эмалированного провода пропитка неподходящими для этой цели лаками. На проводах с эмалевой изоляцией плёнка менее нагревостойкого пропиточного лака может привести к преждевременному разрушению изоляции вследствие теплового старения.

Механическая прочность изоляции эмалированных проводов часто оказывается недостаточной. Это может быть вызвано низким качеством лака, недостаточной толщиной изоляционной плёнки, нарушениями процесса тепловой обработки эмали. Нередко наблюдается повышенное число точечных повреждений изоляционной плёнки.

Довольно частым дефектом является повышенная жёсткость обмоточного провода, затрудняющая процесс обмотки. Значительные усилия при укладке и отгибе лобовых частей приводят к повреждению изоляции. Обмоточный провод должен быть достаточно мягким, обладать большим относительным удлинением. Величины относительного удлинения нормированы стандартами, однако встречаются отклонения от этих норм.

Выводные концы обмоток электрической машины находятся в специфических условиях: они фиксируются сравнительно свободно и в некоторых точках могут быть подвержены частым изгибам или испытывать колебания под действием вибрации машины. Поэтому требования к изоляции обмоточных проводов и выводных концов (электрическая и механическая прочность, нагревостойкость, влагостойкость и т.д.) должны быть существенно усилены. Кроме того, изоляция выводных концов должна обладать достаточной эластичностью и сохранять это свойство после пропитки

212

и сушки, а также после определённого периода старения в условиях эксплуатации. Выводные концы, по сравнению с другими элементами обмотки, в большей степени подвержены воздействиям внешней среды и, таким образом, находятся в весьма тяжёлых условиях, а потому относительно часто выходят из строя.

Подшипниковый узел из всех конструкционных элементов АД является наиболее слабым звеном, повреждения которого являются причиной большого процента отказов чаще из-за низкого качества подшипников качения. Качество подшипников страдает от наличия дефектов в металле колец и телах качения, из-за нарушения режимов их термообработки, несоблюдения геометрических размеров и формы колец, неточного изготовления тел качения. Перечисленные дефекты ведут к уменьшению срока службы подшипников, усилению шума и повышению температуры подшипниковых узлов.

Дефекты технологии производства. Около 35 % отказов АД возникает вследствие низкого их качества. Дефекты изготовления вызваны различными причинами:

–нарушениями технологического процесса;

–несоответствием станков, оснастки, инструмента предъявляемым требованиям;

–недостаточной квалификацией рабочих;

–низким уровнем производственной культуры и т. д. Отказы, вызванные дефектами технологии, обычно относят-

ся к группе приработочных отказов. В течение первой тысячи часов работы около половины отказов АД общепромышленного применения происходит по этой причине. Для ЭМ вообще характерна повреждаемость в процессе их производства. Механическая прочность электрической изоляции значительно ниже прочности окружающих её деталей, поэтому изоляция повреждается при деформациях и ударах, при соприкосновении с острыми кромками металлических деталей и инструмента, при попадании в неё проводящей пыли, опилок и стружек, а также масла, эмульсии и других жидкостей.

213

Разрушению изоляции обмоток способствуют заусеницы, образующиеся на кромках вырубок и в пазах при износе штампов. Это явление устраняется своевременной заменой или шлифовкой изношенного штампа. Повреждение изоляции обмоточного провода становится более вероятным при повышенной скорости намотки его на шаблон. Наибольшую опасность для изоляции обмоточного провода представляет его укладка в паз статора. В табл. 23 приведены значения электрической прочности изоляции, применяемой в производстве АД на различных стадиях процесса изготовления обмотки статора.

Таблица 2 3

Характеристика прочности изоляции при производстве АД

214

В табл. 23 видно, что при укладке проводов в пазы особенно резко снижается электрическая прочность собственной изоляции обмоточного провода, в то время как пазовая изоляция снижает свою прочность незначительно. Одновременно возрастает относительная повреждаемость, которая определяется как доля отрезков провода данной длины с повреждениями изоляции, доля пазовых коробочек, пробитых рабочим напряжением, и т.д.

Вероятность повреждения изоляции может быть уменьшена за счёт применения мягкого укладочного инструмента вместо металлического, при этом особенно существенные результаты получаются при одновременном снижении коэффициента заполнения паза. Полученные расчётные значения повреждаемости изоляции обмоток при испытательном напряжении 2,5 кВ приведены в табл. 24.

Таблица 2 4

Расчётные значения повреждаемости изоляции при напряжении испытания 2,5 кВ

При укладке обмоток в пазовые и лобовые части машины следует уменьшать количество непредусмотренных пересечений проводов, так как в местах пересечения проводов их изоляция может быть разрушена даже при небольших усилиях. При этом возникает дополнительная опасность появления недопустимых напряжений между проводами. Отгибание наружу лобовых частей мягких секций после укладки обмоток металлическими молотками вместо обрезиненных ведёт к повреждениям изоляции обмоток.

215

Обмотка статоров АД мощностью до 10 кВт многократно пропитывается и сушится до запрессовки пакета статора в корпус. При выполнении этих операций пакеты ставят в вертикальное положение, переворачивают, погружают в пропиточные ванны и извлекают из них, транспортируют из цеха в цех, подвергая при этом пакеты значительной опасности повреждения, так как обмотанные, но не запрессованные в корпус статора пакеты особенно уязвимы. Вероятность повреждения изоляции при данных операциях уменьшают за счёт использования подкладных колец при вертикальной установке пакетов, конвейеров и транспортёров, а также контейнерной транспортировки обмотанных пакетов для пропитки, сушки и других технологических операций.

Серьёзную опасность для изоляции представляет возможность попадания в обмотку металлических частиц, поэтому на участках, отведённых для выполнения обмоточных работ, следует полностью исключить выполнение любых работ, связанных с металлообработкой. Обработка замков корпуса после запрессовки в него пакета активнойсталидолжнапроизводитьсясприменениемстружкоотсосов.

Кроме рассмотренных, встречаются технологические дефекты, связанные с некачественной пропиткой и недостаточной сушкой обмоток, со смещением междуфазовой изоляции в лобовых частях машины, со слабым креплением обмоток, с низким качеством пайки соединений. Дефекты соединений дают особенно высокий процент брака и приработочных отказов. Следует отметить ненадёжные соединения алюминиевых проводов с медными выводными концами вмашинах с алюминиевыми обмотками. Это является причиной большинстваприработочныхотказовтакихдвигателей.

Таким образом, основное внимание должно быть обращено на повышение качества обмоточных работ, подшипниковых узлов, пакетирования и прессовки активной стали, на снижение неравномерности воздушного зазора и качественное проведение балансировочных работ.

Неправильное применение двигателей. Условия применения АД настолько разнообразны, что существуют различные исполнения и модификации двигателей для удовлетворения специфических

216

требований, связанных с особенностями нагрузок, окружающей среды и режимов работы. Например, двигатели с повышенным скольжением (8…14 %) предназначаются для привода механизмов

сбольшими маховыми массами и неравномерным графиком нагрузки, а также механизмов с большой частотой пусков и реверсов. Увеличенное активное сопротивление ротора позволяет уменьшить их нагрев при переходных процессах.

Двигатели с повышенным пусковым моментом (Мп/Мн = = 1,7…2,0) служат для привода механизмов с тяжёлыми условиями пуска, но относительно стабильной нагрузкой. Двигатели

спониженным пусковым моментом предназначены для установки на предприятиях, где из-за условий круглосуточной работы особое значение приобретают высокие энергетические показатели. Существующие исполнения и модификации позволяют выбрать наиболее подходящий для конкретных условий работы двигатель. ГОСТ 17494 – 72 предусматривает 17 различных исполнений ЭМ по степеням защиты.

Надёжная работа двигателей может быть гарантирована лишь при условии правильного их выбора и применения. По данным публикаций, до 30 % отказов двигателей серии А за первую тысячу часов работы было вызвано неправильным использованием двигателей по условиям окружающей среды. В среднем для всех типов двигателей около 7,5 % отказов вызывается неправильным выбором двигателей по мощности.

Закрытые двигатели обладают значительно более высокой надёжностью и дают существенную экономию в отношении обслуживания. Некоторое представление об относительных значениях соответствующих показателей по данным публикаций дает табл. 25. Замена защищённого исполнения закрытым особенно эффективна для двигателей сравнительно малой мощности, где закрытое исполнение не сопровождается существенным увеличением габаритов, массы и стоимости, в то время как требования к надёжности машин снижаются, затраты на ремонт и обслуживание значительно сокращаются.

217

Таблица 2 5

Сравнительный анализ общих показателей защищённого и закрытого типа АД

Значительное количество отказов двигателей в промышленности вызывается тем, что проектировщики станков часто не учитывают свойства двигателей, выбирают для их установки в станке труднодоступные места. Вследствие этого затрудняется обслуживание двигателей, нарушается их вентиляция, что приводит к повышенному нагреву и преждевременному выходу из строя обмотки статора.

Таблица 2 6

Влияние условий эксплуатации на отказы АД общепромышленного применения

218

Окончание табл. 2 6

По данным публикаций, в табл. 26 представлены показатели, позволяющие оценить влияние различных внешних факторов на относительное количество отказов асинхронных двигателей общепромышленного применения за период наблюдения 8–12 тыс. ч.

11.2. Расчёт надёжности всыпной обмотки статора АД

Надёжность обмотки статора в значительной степени определяет надёжность асинхронного двигателя в целом. Большинство асинхронных двигателей выполняется с всыпной обмоткой, поэтому при разработке вопросов их надёжности основное внимание было сосредоточено на создании методов расчёта надёжности обмотки именно этого типа.

Всыпную обмотку можно рассматривать как систему последовательно соединённых элементов. Поэтому в соответствии с уравнением (119) её надёжность

219

где Pв(t) – надёжность межвитковой изоляции; Pп(t) – надёжность пазовой изоляции; Pм(t) – надёжность междуфазовой изоляции; Pс(t) – надёжность межсекционной изоляции.

Из четырёх сомножителей в правой части уравнения (152) наименьшим по величине является первый. Он в основном и определяет надёжность обмотки. Особое значение Pв(t) для на-

дёжности всыпной обмотки обусловлено низкой электрической прочностью межвитковой изоляции и значительным количеством витков в обмотках этого типа.

Так как причиной большинства отказов асинхронных двигателей являются межвитковые замыкания, в первую очередь необходимо рассмотреть математическую модель надёжности межвитковой изоляции. Эта модель может быть создана на основе так называемой модели наиболее слабого звена, широко используемой

втеории надёжности. За элемент расчёта в этом случае принимается пара соседних активных проводников, находящихся в пазу или

влобовой части обмотки и разделённых межвитковой изоляцией, состоящей из собственной изоляции обмоточного провода, пропиточного лака и воздушных прослоек, если они имеются. Отказ наступает, когда напряжение между проводниками пары превышает электрическую прочностьмежвитковой изоляции.

Рис. 25 иллюстрирует рассматриваемую модель надёжности.

На этом рисунке обозначены: g(Uв) – плотность распределения напряжения, приложенного между проводниками пары; f (Uв) –

плотность распределения электрической прочности (пробивного напряжения) межвитковой изоляции.

Надёжность межвитковой изоляции обмотки, состоящей из n пар проводников [16],

где F(Uв) – функция распределения пробивного напряжения межвитковой изоляции.

Рис. 25. К определению надёжности межвитковой изоляции

Число пар проводников обмотки

где Sнар – число проводников в наружном слое, т. е. расположен-

ных по периметру сечения паза, Sнар = Пп ; dиз – диаметр изоли-

dиз

рованного провода; Пп – периметр паза; Sвн – число проводников во внутренних слоях одного паза, Sвн = S − Sнар , S – общее

число проводников паза; Z1 – число пазов статора; N1 – общее

число проводников обмотки.

Напряжение, приложенное между проводниками, образующими пару, определяется значением номинального фазного напряжения, кратностью коммутационных перенапряжений и взаимным расположением проводников в пазу: