книги / Надежность электрических машин

231

тания образцов пазовой изоляции, извлечённой из пазов с соблюдением необходимых предосторожностей, чтобы исключить возможность дополнительных повреждений. В итоге вероятность пробоя отдельных слоёв определяется экспериментально в результате испытаний достаточно представительной партии образцов.

Вероятность пробоя элементарного участка двухслойной изоляции определяется как вероятностьдвух совместных событий:

Qэл = Q(AB) = Q(A)QA (B) +Q(B)QB (A) −Q(A)Q(B) , (181)

где Q(A) и QB (A) – вероятности пробоя слоя A при непробитом и пробитом слое B соответственно; Q(B) и QA (B) – вероятности

пробоя слоя B при непробитом и пробитом слое A соответственно. Уравнения, подобные (181), могут быть составлены для любого числа слоёв.

Располагая полученными из опыта распределениями пробивного напряжения, можно определить вероятности пробоя отдельных изоляционных материалов при различных сочетаниях пробитых и непробитых слоёв. При этом следует исходить из определённой амплитуды коммутационного перенапряжения, учитывая, что напряжение, приходящееся на данный (i-й) слой изоляции, следующим образом зависит от его толщины и диэлектрической проницаемости:

εi – его диэлектрическая проницаемость; n – слои изоляции. При

этом диэлектрическая проницаемость пробитого слоя принимается равной единице, а его толщина – нулю.

232

Надёжность пазовой изоляции обмотки двигателя

где Sп – полная площадь пазовой изоляции обмотки; Sэл – пло-

щадь элементарного участка, которая может быть принята равной площади плоского электрода, применяемого при испытаниях изоляции (78,5 мм2); k′ – коэффициент выявляемости дефектов. Коэффициент k′ близок к единице, так как контроль пазовой изоляции на электромашиностроительных заводах достаточно эффективен.

Расчёт надёжности междуфазовой и межсекционной изоляции может быть выполнен аналогично расчёту надёжности пазовой изоляции. Влияние этих составляющих на надёжность обмотки незначительно.

Изложенная методика может быть использована и для расчёта долговечности изоляции обмоток, если известна зависимость между дефектностью изоляции, уровнем воздействующих факторов и длительностью их воздействия.

Расчёт основывается на следующем представлении о процессе износа изоляции. Первый пробой пазовой изоляции импульсом коммутационного перенапряжения, если на пути разряда имеется хотя бы один непробитый слой, обычно приводит не к короткому замыканию с образованием устойчивой дуги, а лишь к появлению слабого места, что обусловлено наличием сквозного повреждения всех слоев в пределах одного элементарного участка [3]. Количество элементарных участков, имеющих сквозные дефекты, возрастает с увеличением наработки машины как вследствие старения изоляции и появления в ней трещин, так и в результате пробоя импульсами коммутационных перенапряжений бездефектных слоёв. Пробой изоляции в наиболее слабом месте, сопровождающийся образованием устойчивой дуги и обширного очага разрушения, является событием, завершающим этот постепенный процесс.

233

11.3.Повышение надёжности АД

Вданном разделе рассматриваются некоторые общие пути

испособы совершенствования АД в следующих направлениях повышения их надёжности и долговечности:

– улучшение теплового состояния машины;

– повышение качества материалов и комплектующих изделий;

– разработка и внедрение конструкций повышенной надёжности;

– совершенствование методов контроля.

Улучшение теплового состояния машины. Тепловое старе-

ние изоляции является одним из основных факторов, ограничивающих срок службы обмоток. Чем больше ресурс машины, тем большую роль в процессе старения и износа изоляции играют тепловые воздействия. Поэтому по мере повышения качества, надёжности и, соответственно, срока службы электрических машин, по мере устранения причин приработочных и эксплуатационных отказов значение теплового старения изоляции как фактора, определяющего срокеё службы, будет постепенно возрастать.

Улучшения теплового состояния машины достигают различными способами.

Снижение рабочей температуры изоляции по отношению к допустимой для данного класса нагревостойкости.

Наиболее очевидным для этого является уменьшение средних превышений температуры обмотки посредством снижения электрических и магнитных нагрузок. Этот способ неэкономичен

ине даёт ощутимых результатов, так как при обычных условиях тепловое старение в среднем незначительно.

Более эффективным является выравнивание температуры обмотки путём снижения температуры наиболее нагретых её точек за счёт правильного выбора нагрузок машины, активных материалов, рациональной вентиляции и других мероприятий. Процесс теплового старения происходит более интенсивно в тех частях обмотки, температура которых выше, чем других частей. Зависимость ресурса изоляции от температуры определяется по-

234

казательной функцией, поэтому даже незначительная разница

втемпературе отдельных частей обмотки обусловливает существенное различие в скорости старения изоляции. Так, продольные перепады температуры в АД измеряются десятками градусов,

вотдельных случаях достигая 90–100 °С. Часто велико различие температуры пазовых и лобовых частей обмотки. Существенна также неравномерность распределения температуры по сечению паза. Следует отметить, что различия температур в меньшей степени наблюдаются в двигателях закрытого исполнения, что является одним из важных достоинств этих двигателей.

Расчёты показывают, что экономически вполне оправданным является увеличение запаса теплостойкости обмоток за счёт применения изоляции более высоких классов. Наличие запаса теплостойкости позволяет машине без повреждений выдерживать неизбежные кратковременные перегрузки, например, при

переходных процессах. В некоторых приводах число пусков в год исчисляется многими тысячами, при этом продолжительность пускового режима для высокоинерционных нагрузок достигает нескольких секунд. При таких условиях суммарное время нахождения обмотки под пусковым током может составлять несколько часов ежегодно. Периодический нагрев изоляции пусковыми токами при одновременном воздействии динамических усилий способствует ускоренному её износу.

Учёт скорости нарастания температуры. Срок службы изоляции зависит не только от температуры, но и от скорости её изменения. Он существенно сокращается при резких колебаниях температуры, так называемых тепловых ударах. Для короткозамкнутых АД скорость нарастания температуры особенно важна для обмоток статора при заторможенном роторе. Особое влияние скорость нарастания температуры оказывает на срок службы витковой изоляции.

Скорость нарастания температуры зависит главным образом от величины пускового тока и теплоёмкости обмотки. Её величина при заторможенном роторе и трёхфазном питании определяется по формуле ВНИИЭМ, град/с,

где j1 – плотность тока в обмотке статора при трёхфазном ко-

ротком замыкании, А/мм2.

Исследования показали, что скорость нарастания температуры не остаётся постоянной, а постепенно снижается вследствие увеличения теплоотдачи и уменьшения тока из-за нагревания обмотки:

Скорость нарастания температуры при заторможенном роторе и двухфазном питании обмотки статора является также важной характеристикой. Она составляет (0,55…0,75) TV3, однако подобный режим является более частным явлением, чем трёхфазное короткое замыкание. В прошлом, когда уделялось мало внимания ограничению скорости нарастания температуры, она достигала, например, в серии АД 20 град /с, в настоящее время для двигателей серии А2 и АО2 скорость нарастания температуры удалось снизить до 3,5…7 град/с. Приняты меры по снижению данного показателя при разработке новых серий АД.

Устранение неучитываемых источников тепла. Эффектив-

но снижает температуру, например, более строгий учёт добавочных потерь АД. При определении КПД косвенным методом в стандартах добавочные потери в АД учитываются приближённо (0,5 % от подводимой мощности). Это же рекомендует Международный электротехнический комитет (МЭК) и зарубежные стандарты. Фактически добавочные потери в современных АД нередко в 5–10 раз больше. Величина 0,5 % была принята во времена, когда двигатели изготовлялись в основном с медными клетками, активные материалы использовались мало, двигатели имели значительно больший воздушный зазор, чем современные.

236

Более широкое применение активных материалов, изменение технологии производства двигателей привели к значительному увеличению добавочных потерь. Этому способствовало также то, что стандарты не предусматривают экспериментальные методы определения добавочных потерь при типовых испытаниях, поэтому практически их уровень не контролируется.

Существенную роль играют добавочные потери, обусловленные протеканием в сердечнике ротора паразитных циркуляционных токов, резко возрастающих при заливке роторов алюминием под давлением. Этот способ заливки имеет преимущественное распространение вследствие его высокой производительности. Он существенно влияет на физические свойства клетки. Плотность клетки ротора при заливке под давлением вследствие повышенной пористости металла в среднем на 8 % меньше, чем при статической или центробежной заливке, что приводит к увеличению сопротивления клетки в среднем на 13 %, возрастанию потерь в роторе асинхронного двигателя и к снижению КПД.

Ещё более значительное влияние на показатели двигателя оказывает снижение при заливке под давлением переходного сопротивления между клеткой и сердечником ротора. Причина заключается в том, что после штамповки листов металл, прорезанный пуансоном, остаётся неизолированным. Заусеницы также представляют собой неизолированный металл, обеспечивающий хороший электрический контакт с алюминием клетки. Под давлением алюминий проникает в микроскопические щели между листами, что способствует улучшению электрического контакта клетки с сердечником. В результате через сталь сердечника протекают значительные токи, что сопровождается добавочными потерями, снижением КПД, увеличением провалов в кривой момента, повышением нагрева двигателя и магнитного шума. Испытания показывают, что при заливке под давлением потери в стали возрастают в среднем на 21 %, а превышение температуры обмотки статора – на 14 °С по сравнению с машинами, роторы которых были залиты центробежным способом.

237

Изолирование клетки от сердечника оксидированием, фосфатированием и другими способами при заливке роторов под давлением эффективно ограничивает повышение добавочных потерь. При этом переходное сопротивление возрастает в десятки раз. Исследования двигателей АО-52-6, в которых клетка от сердечника изолирована, показали, что потери в стали статора снижаются на 33 %, добавочные потери, зависящие от нагрузки, при номинальной мощности уменьшаются в 2,4 раза, превышение температуры обмотки статора снижается в среднем на 10 градусов.

В связи с расширением применения в АД нелегированных сталей следует предвидеть при проектировании возможность увеличения добавочных потерь. Эти стали имеют более высокую магнитную проницаемость и большую теплопроводность. Например, при проектировании асинхронных двигателей серии 4А замена стали Э12 нелегированной сталью Э0300 с её низким удельным электрическим сопротивлением потребовала принятия специальных мер для снижения добавочных потерь, возрастаю-

щих на 15 – 20 % [3].

Неравномерность нагрева обмотки статора АД возрастает с увеличением неравномерности воздушного зазора, так как в местах минимального зазора возникает повышенный нагрев подклиновой зоны обмотки статора, что вызывает ускоренное старение изоляции.

Таким образом, можно указать следующие основные пути улучшения теплового состояния асинхронных двигателей:

–повышение класса изоляции и создание на этой основе запаса нагревостойкости обмотки статора;

–выравнивание температуры отдельных частей двигателя путём снижения её в наиболее нагретых точках за счёт правильного выбора нагрузок активных материалов, повышения теплопроводности изоляции, разработки рациональной системы охлаждения, обеспечения равномерности воздушного зазора, увеличения теплопроводности контактного зазора между сердечником статора и корпусом и т. д.;

238

–снижение скорости нарастания температуры обмотки статора в аварийных режимах;

–уменьшение добавочных потерь путём правильного выбора нагрузок, числа пазов, величины воздушного зазора, применения закрытых пазов ротора и специальной механической обработки его поверхности, изолирования клетки ротора от сердечника и т. д.;

–устройство надёжной, правильно настроенной защиты от перегрузок, в частности встроенной температурной защиты.

Повышение качества материалов и комплектующих изде-

лий. В первую очередь необходимо повышение качества электрической изоляции. В подразд. 11.1 отмечались основные недостатки обычно применяемой изоляции, которые обусловливают низкую электрическую прочность изоляции и дальнейшее её снижение при эксплуатации АД. Повышение электрической прочности изоляции может существенно увеличить надёжность обмоток АД. Повышение пробивного напряжения межвитковой изоляции, соответст-

вующее смещению кривой f (Uв) вправо (см. рис. 25), снижает ве-

роятность пробоя изоляции. Используя методику, изложенную в подразд. 11.2, можно ориентировочно оценить количественное увеличение времени безотказной работы обмотки [17].

Выполненные расчёты показали, что при увеличении электрической прочности межвитковой изоляции от 7,9 до 8,9 кВ время безотказной работыобмотки при Рв = 0,8 возрастает на 43 %.

Значительное увеличение надёжности может быть достигнуто также за счёт повышения однородности электрических свойств межвитковой изоляции.

Наиболее существенными мероприятиями по повышению качества материалов, применяемых в производстве АД, являются следующие:

1. Повышение электрической прочности изоляции и уменьшение рассеяния значений пробивного напряжения. Соблюдение гарантированной толщины и однородности эмалевых покрытий. Расширение сортамента и повышение качества материалов, применяемых при изготовлении пазовой изоляции.

239

2.Снижение жёсткости проводов.

3.Расширение выпуска специальных проводов с прочной

и эластичной изоляцией для междукатушечных соединений

ивыводных концов.

4.Разработка и внедрение рецептуры пропиточных лаков, нагревостойких, влагонепроницаемых, обладающих высокой пропитывающей и цементирующей способностью.

5.Разработка методов повышения прочности и надёжности оконцевания алюминиевых проводов медными проводами.

6.Повышение расчётного срока службы подшипников качения. Применение подшипников повышенных классов с отбором по шуму.

Разработка и внедрение конструкций повышенной надёж-

ности. В последние десятилетия в нашей стране осуществлён ряд мероприятий, направленных на повышение надёжности АД. К их числу в первую очередь относится значительное расширение производства двигателей закрытого исполнения с теми же мощностями

искоростями вращения, что и у двигателей защищённого исполнения. Закрытое исполнение увеличивает срок службы машины по сравнению с защищённым исполнением в 1,5–2 раза.

Проблема повышения надёжности АД в основном сводится к повышению надёжности обмотки статора, особенно для двигателей небольшой мощности с полузакрытыми пазами и всыпной обмоткой. Наиболее эффективным решением данной проблемы является полная герметизация (капсулирование) всыпной об-

мотки. Принцип капсулирования заключается в том, что изоляция обмотки статора защищается от воздействия внешней среды посредством литой оболочки из термоактивного компаунда, созданной вокруг обмотки. Монолитная оболочка, обладающая высокой механической прочностью, способствует гашению вибрации и ударов, обеспечивая защиту изоляции от механических воздействий. Капсулирование обмоток многократно увеличивает срок их службы. В двигателях с такой обмоткой в первую очередь выходит из строя не обмотка, а другие узлы и детали (подшипники, щиты и др.).

240

Ускоренные испытания двигателей с капсулированными обмотками производились в режиме повторного реверсирования. При этом среднее количество реверсов для двигателей с капсулированными обмотками составило 225 000, в то время как это количество реверсов для двигателей обычного исполнения составляет примерно 25 000. Капсулирование особенно целесообразно в комбинации с вихревым напылением пазовой изоляции, после чего обмотка, заключённая со всех сторон в литую пластмассу, обладает хорошими электрическими и механическими свойствами.

Стоимость капсулированного двигателя превышает стоимость однотипного двигателя обычного исполнения на 25–30 %, что несущественно в сравнении с экономическим эффектом от увеличения ресурса двигателя.

Существенное повышение надёжности статорных обмоток АД может быть достигнуто за счёт расширения области применения открытых пазов, что является оправданным только при использовании магнитных клиньев. Разработки рациональной конструкции магнитного клина ведутся давно, а в связи с повышением требований к надёжности ЭМ всё более активно. В связи с появлением новых материалов удалось значительно приблизиться к решению данной проблемы. Ведутся работы также по применению вместо клиньев затвердевающей магнитной замаз-

ки, преимущество которой заключается в более плотном прилегании её к стенкам паза.

Применение открытых пазов создаёт возможности для значительного повышения надёжности обмотки, уровня её технологичности, улучшения механизации её изготовления, для устранения ударно-механических воздействий на обмотку и перекрещивания проводов в пазовых и лобовых её частях, для улучшения качества пропитки, повышения теплопроводности изоляции за счёт увеличения её плотности и отсутствия воздушных прослоек. Количественный учёт всех перечисленных факторов в отношении влияния их на надёжность обмотки связан с определёнными трудностями. В рабо-