Статистические данные о надежности разных типов электрических машин

Указанная классификация  климатических районов распространяется на высоты до 1000 м над уровнем моря (нижнее рабочее значение атмосферного давления 850 ГПа, или 650 мм рт. ст.).

На работу электрических  машин также влияют факторы окружающей среды промышленного происхождении. Содержащиеся в воздухе взвешенные твердые частицы, агрессивные пары и газы разрушают изоляцию и защитные покрытия двигателя.

Наибольшее разрушающее  воздействие на электрические машины оказывают мелкие частицы пыли диаметром до 15 мкм. Эти частицы проникают в пространство между движущимися частями, ограничивают их перемещение, увеличивают износ. Оседая на поверхности изоляции, пыль образует электропроводящие пути. Оседая на поверхности защитных покрытий, пыль в сочетании с влагой ускоряет протекание химических реакций, которые разрушают покрытия. Различают статическое и динамическое воздействия пыли на электрические машины. В основном для промышленности характерно статическое воздействие пыли. Для нормальных условий при статическом воздействии допускается концентрация пыли до 10 мг/м³ Дня электрических машин со степенью защиты IP56 допустимая концентрация составляет 200 мг/м³.

Агрессивные пары и газы разрушают изоляцию и защитные покрытия посредством химических реакций  на поверхности этих материалов.

Основными факторами, влияющими  на работу электрических машин, являются температура окружающей среды и высота над уровнем моря. Значения номинальной мощности, указанные в стандартах, справедливы для режима работы электрической машины S1 при температуре окружающей среды до +40'С и высоте установки над уровнем моря до I 000 м. Если температура окружающей среды более +40°С или высота установки выше 1000 м, то мощность должна быть снижена. При установке машины на высоте свыше 1000 м мощность может быть сохранена, если на каждые следующие 1000 м температура окружающей среды снижается на 10%.

2.2. Режимы работы электрических машин

Электрические машины могут  работать в следующих режимах, стандартизованных  Публикацией 34-1 МЭК.

Продолжительный режим работы S1 — работа машины при неизменной нагрузке Р = const достаточно длительное время для достижения неизменной температуры всех ее частей.

Кратковременный режим работы S2 — работа машины при неизменной нагрузке Р = const в течение времени недостаточного для достижения всеми частями машины установившейся температуры. после чего следует остановка машины на время, достаточное для охлаждения машины до температуры, не более чем на 2°С превышающей температуру окружающей среды.

Повторно-кратковременный режим работы S3 — последовательность идентичных циклов работы, каждый из которых включает время работы при неизменной нагрузке, за это время машина не нагревается до установившейся температуры, и время стоянки, за которое машина не охлаждается до температуры окружающей среды. Потери при пуске не оказывают влияния на температуру частей машины.

Повторно-кратковременный режим работы с влиянием пусковых процессов S4 — последовательность идентичных циклов работы, каждый из которых включает время пуска, достаточно длительное для того, чтобы пусковые потери оказывали влияние на температуру частей машины, время работы при постоянной нагрузке, за которое машина не нагревается до установившейся температуры, и время стоянки, недостаточное для охлаждения машины до температуры окружающей среды.

Повторно-кратковременный режим работы с влиянием пусковых процессов и электрическим торможением S5 — последовательность идентичных циклов работы, каждый из которых включает достаточно длительное время пуска. время работы при постоянной нагрузке, за которое машина не нагревается до установившейся температуры, время быстрого электрического торможения и время стоянки, недостаточное для охлаждения машины до температуры окружающей среды

Перемежающийся режим работы S6 — последовательность идентичных циклов каждый из которых включает время работы с постоянной нагрузкой и время работы на холостом ходу, причем длительность этих периодов такова, что температура машины не достигает установившегося значения.

Перемежающийся режим работы с влиянием пусковых процессов и электрическим торможением S7 — последовательность идентичных циклов, каждый из которых включает достаточно длительный пуск, работу с постоянной нагрузкой и быстрое электрическое торможение. Режим не содержит пауз.

Перемежающийся режим работы с периодически изменяющейся частотой вращения S8 — последовательность идентичных циклов, каждый из которых включает время работы с неизменной нагрузкой и неизменной частотой вращения. Затем следует один или несколько периодов при других постоянных нагрузках, каждой из которых соответствует своя частота вращения (например, этот режим реализуется при переключении числа пар полюсов асинхронного двигателя). Режим не содержит пауз.

2.3. Классификация механизмов, приводимых в действие электрическими машинами

Механизмы, приводимые во вращение электрическими машинами. можно классифицировать следующим образом.

Устройства, в которые  входят электродвигатели, называются механизмами, машинами, агрегатами в  зависимости от сложности. Отнесение устройств к той или иной группе зависит от цели классификации. Тем не менее в любом устройстве можно выделить элементарный механизм.

Элементарный механизм — самостоятельное изделие или узел сложного изделия, состоящее из электродвигателя и одного рабочего органа. Элементарные механизмы бывают общего и специального назначений. Элементарные механизмы общего назначения выпускаются как в качестве самостоятельных изделий, так и в качестве узлов сложных машин и агрегатов. Элементарные механизмы специального назначения являются узлами сложных машин и в качестве самостоятельных изделий, как правило, не выпускаются.

К элементарным механизмам общего назначения относятся вентиляторы, воздуходувки, насосы, смесители, задвижки, дробилки, мельницы, вибраторы, пилы, ножи, питатели, дозаторы, барабаны и т.д. Элементарные механизмы специального назначения — это как правило, главные приводы различных станков, швейных машин, кузнечнопрессовых машин, прокатных и волочильных станов и т.д.

По виду механических характеристик механизмы подразделяются на четыре класса.

1. Вращающий момент не зависит от частоты вращения, т.е. мощность прямо пропорциональна частоте вращения. Такую механическую характеристику имеют подъемные механизмы, поршневые насосы и компрессоры при условии работы на постоянное давление, прокатные станки, транспортеры, мельницы.

2. Вращающий момент возрастает  пропорционально частоте вращения, а мощность – квадрату частоты вращения.

3. Момент сопротивления возрастает пропорционально второй степени частоты вращения, мощность — третьей степени частоты вращения. Такую механическую характеристику имеют центробежные насосы, центробежные вентиляторы и воздуходувки, поршневые механизмы, работающие на открытую сеть.

4. Момент сопротивления изменяется обратно пропорционально частоте вращения, мощность постоянна. 

Режим работы механизма определяется характером технологического процесса, в котором участвует этот механизм. Рассмотрим типовые процессы работы некоторых механизмов. Их можно подразделить ориентировочно на три группы: процессы транспортировки, процессы обработки и процессы преобразования энергии. Несмотря на то, что каждый процесс может проводиться в любом режиме, все же для процессов транспортировки жидкостей, газов наиболее характерен продолжительный режим, для процессов обработки — повторно-кратковременный, для процессов преобразования энергии — продолжительный.

2.4 Эксплуатационные факторы, влияющие на надежность электрических машин

В процессе эксплуатации на электрические машины воздействуют: тепловая энергия, электрическое напряжение, вибрации, влага. Электродвигатели, кроме того, подвержены коммутационным перенапряжениям, динамическим усилиям при пусках (реверсах). Наконец, электрические машины могут работать в химически агрессивных или в других необычных средах.

Долгое время считали, а многие считают до сих пор, что  почти единственным фактором, влияющим на надежность изоляции электрических машин, является тепловое старение. Чтобы установить срок службы электроизоляционных материалов, пользуются «правилом десяти градусов», которое гласит, что ресурс изоляции уменьшается вдвое при повышении рабочей температуры на 10°С. На этом правиле основаны многие предложения и расчеты, направленные на повышение надежности электрических машин. Однако ряд примеров эксплуатации электрических машин убедительно показывает, что теплота хотя и один из главных, но не единственный фактор, определяющий надежность электрических машин

Далее приведены результаты некоторых исследований по асинхронным двигателям, которые подтверждают этот вывод. Поданным ряда исследований, средняя нагрузка асинхронных двигателей универсальных металлорежущих станков составляет 20% номинальной. Однако среднее время безотказной работы электродвигателей на этих станках и других исполнительных механизмах (например, вентиляторах) при номинальной нагрузке примерно одинаково (даже на станках оно меньше из-за большей частоты пусков).

Кроме постановки специальных  экспериментов информацию о влиянии  отдельных эксплуатационных факторов можно получить непосредственно по материалам эксплуатации. По данным

об отказах асинхронных двигателей установлено, в частности, что на время безотказной работы электродвигателей существенно влияет влажность окружающей среды.

В изоляционных материалах происходят процессы адсорбции и  сорбции влаги, что значительно  снижает их электрическую прочность. Особенно существенно влияние влаги при недостаточной пропитке. Влага проникает в пространство, незаполненное пропиточным составом, а отгула диффундирует в макро- и микропустоты изоляции. Наличие влаги может привести к снижению срока службы смазки подшипниковых узлов на 25% |1, 2, 7J.

Это подтверждает и анализ отказов электродвигателей по временам года: зимой — 17,2% , весной — 30.6% . летом — 24.8% . осенью — 27,4%.

Есть и другие данные. Коэффициент корреляции между временем безотказной работы электродвигателей и временем их работы в течение суток составляет 0,5 + 0,08. г.е. достаточно высок. При малом времени работы в течение суток выпадает роса на обмотке, влага проникает в микротрещины, что сокращает время безотказной работы.

Весьма существенно влияет на надежность электродвигателей частота  их включений. При частых включениях или реверсах быстрее разрушаются сепараторы подшипников, в обмотках возникают значительные динамические усилия от пусковых токов, а также коммутационные перенапряжения, достигающие значительной величины. Все это снижает надежность электродвигателей.

3. Статистические данные о надежности разных типов электрических машин

3.1. Надежность асинхронных двигателей

Трехфазные асинхронные  двигатели являются наиболее массовой продукцией электромашиностроения, однако их надежность недостаточна. Основным видом отказа электродвигателей является повреждение его обмотки, что для электродвигателей со всып- ной обмоткой требует полной перемотки или, как принято считать, капитального ремонта. В среднем в течение года капитальному ремонту подвергается около 20% установленных асинхронных двигателей. По отраслям промышленности отказы двигателей характеризуются следующими цифрами (по капитальному ремонту в год): строительство — 50 %, горнодобывающая — 30 %, машиностроение — 20 %, черная металлургия — 13 %, химическая — 9 %. В то же время отечественные асинхронные двигатели экспортного исполнения безотказно работают в течение длительного времени. Это объясняется качеством их изготовления и более тщательным контролем на производстве.

Недостаточная надежность асинхронных двигателей наносит  государству большой экономический  ущерб. Убытки обусловлены не только значительными расходами на ремонт, которые составляют около 80% стоимости годового выпуска электродвигателей, но и большими потерями от простоя оборудования при отказах электродвигателей.

Для определения характера  и причин отказов электродвигателей проводилось систематическое изучение материалов эксплуатации значительного числа асинхронных двигателей в различных отраслях народного хозяйства. Оказалось, что в подавляющем большинстве случаев (85...95%) отказы происходят из-за повреждения обмотки; 2...5 % электродвигателей отказывают из-за повреждения подшипников.

Около 35% отказов наблюдается  из-за недостаточно хорошего качества изготовления электродвигателей. На качестве электродвигателей, естественно, сказывается неудовлетворительное качество применяемых материалов (особенно электроизоляционных, обмоточных проводов и пропиточных лаков). Основной причиной отказов являются недостатки эксплуатации (главным образом неудовлетворительная защита). По этой причине происходит около 50% отказов. Неудовлетворительная защита электродвигателей в эксплуатации заключается, главным образом, не в «загрублении» или неправильной настройке тепловой защиты. Исследования показывают, что разброс времени срабатывания тепловой защиты, даже ненастроенной, практически не влияет на аварийность электродвигателей. Под неудовлетворительностью защиты следует понимать отсутствие тепловой или другой защиты или ее отказ. При защите электродвигателей плавкими вставками, что имеет место в большинстве случаев, электродвигатели отказывают из-за работы на двух фазах. Данные эксплуатации показывают, что 80% аварий от работы на двух фазах происходит из-за отсутствия тепловой или иной защиты и только 20 % от ее неисправности.