Статистические данные о надежности разных типов электрических машин

Рассмотрим вопросы, определяющие надежность синхронных генераторов мощностью свыше 100 кВт: гидро- и турбогенераторов. Отказы синхронных машин вследствие повреждения обмотки статора происходят, как правило, из-за электрического пробоя изоляции обмотки. Основное условие возникновения пробоя состоит в наличии участков пониженной электрической прочности в изоляции обмотки. Такие участки могут появляться вследствие дефектов изготовления, повреждений при монтаже обмотки или возникнуть и далее развиваться при эксплуатации или ремонтных работах.

Процесс постепенного разрушения изоляции ускоряют концентрации нагрузок: повышенные механические усилия при переходных процессах, вибрация, перенапряжения, перегрузки по току и др. Однако опыт эксплуатации показывает, что решающее значение имеет распределение по обмотке участков с пониженной прочностью изоляции, так как амплитуды практически возможных концентраций нагрузок недостаточны для пробоя доброкачественной неповрежденной изоляции.

Участки с пониженной электрической  прочностью при изготовлении стержней могут появляться в результате отдельных нарушений нарушений при наложении изоляции. Кроме того, неизбежная неоднородность изоляции возникает в зонах изгиба стержней. Возможны также отступления от заданных размеров и формы стержней, выходящие за пределы допусков. Изоляция стержней увеличенного размера повреждается при укладке стержней в пазы. Укладка же стержней с большим зазором обусловливает возможность перемещения их в пазах, что также приводит к повреждениям изоляции. Эти явления усугубляются при слабой заклиновке пазов

Среди дефектов, допускаемых  при изготовлении обмотки, следует упомянуть попадание на поверхность изоляции ферромагнитных частиц, вибрация которых в магнитном поле приводит к постепенному разрушению изоляции. Аналогичные явления происходят при слабой прессовке активной стали, когда изоляция разрушается в результате образования веера и вибрации листов стали в зубцовой зоне, что также представляет опасность для изоляции. Недостаточно надежное крепление лобовых частей обмотки создает условия для повреждений изоляции преимущественно у выхода стержней из пазов.

Недостаточно надежными  являются и конструкции крепления  лобовых частей, применяемые в  гидрогенераторах (шпильки, бандажи, шпагатная вязка).

Все эти дефекты имеют  место и в новых машинах, но чаще развиваются при эксплуатации и выполнении ремонтных работ. Например, компаундированная изоляция в процессе работы машины разбухает, при этом происходит некоторое выпучивание се в вентиляционных канатах. В этих условиях подъем стержней и повторная их укладка при частичном ремонте обмотки требуют больших усилий и нередко сопровождаются повреждениями изоляции. При использовании термореактивной изоляции разбухания не происходит, поэтому крепление стержней с такой изоляцией в пазах может ослабляться в процессе работы машины. Стержни приобретают некоторую возможность перемещения, что способствует истиранию изоляции и повреждениям ее вследствие ударов, возникающих при внезапных коротких замыканиях.

Лобовые части обмоток  статора крупных машин подвергаются наибольшей опасности при переходных процессах, сопровождающихся большими токами: коротких замыканиях и несинхронных включениях для генераторов, пусках и реверсах для двигателей. Это особенно относится к двухполюсным машинам с корзиночной обмоткой из-за значительной длины лобовых частей.

Электродинамические усилия и вибрации вызывают ослабление креплений, нарушение герметичности водяного тракта в машинах с водяным охлаждением и другие повреждения. Усадка изоляции, радиальная вибрация стержней и тангенциальная вибрация зубцов при работе машины снижают плотность заклиновки пазов. Поскольку длина участка стержня с ослабленным креплением может быть различной, то возможно возникновение резонансных явлений. Кроме того, вибрация вызывает усталостные повреждения меди элементарных проводников и истирание изоляции.

3.4. Надежность машин малой мощности

Номенклатура электрических  машин малой мощности очень обширна. Они имеют мощности от долей до сотен ватт, существенно отличаются по принципу действия, конструкции и назначению. Поскольку машины малой мощности широко применяют в различных системах автоматики, то к ним предъявляют высокие требования по надежности.

Наиболее  распространены следующие типы машин  малой мощности: генераторы и двигатели постоянного тока, электромашинные усилители, вращающиеся преобразователи, универсальные коллекторные двигатели, синхронные реактивные, гистерезисные и шаговые двигатели, асинхронные двигатели, сельсины и вращающиеся трансформаторы.

В настоящее время эти  машины выпускаются в закрытом и  защищенном исполнениях.

Обмотки машин малой мощности состоят обычно из много- витковых секций из тонких проводов. Поскольку контроль качества изготовления таких обмоток менее эффективен, чем в крупных машинах, то процент брака в производстве машин малой мощности из-за дефектов обмотки оказывается заметным. В связи с этим незначительные дефекты обмоток, допущенные при их изготовлении и не выявленные при выпуске, в процессе эксплуатации приводят к отказам машин. Причинами отказов являются большей частью межвитковые замыкания и обрывы обмоточных проводов.

В отличие от электрических  машин средней и большой мощностей машины малой мощности в основном — высокоскоростные. Частота вращения этих машин обычно составляет несколько тысяч, а в ряде исполнений — десятки тысяч оборотов в минуту. Это обстоятельство оказывает существенное влияние на их конструктивное оформление и, в частности, касается подшипниковых узлов. В трудных условиях при эксплуатации находятся подшипниковые узлы высокоскоростных коллекторных машин малой мощности, особенно те, которые установлены на передвижных транспортных объектах и летательных аппаратах. Поскольку из- за механических вибраций машины работают с повышенным искрением под щетками, это приводит к ускоренному их износу и отказу в работе.

Электрические машины малой  мощности часто работают в неблагоприятных  климатических условиях — при  широком изменении температуры окружающей среды от -60 до + 100“С и выше, пониженном атмосферном давлении (до 5 мм рт. ст.), высокой относительной влажности (до 98% при +40 °С), больших ускорениях объекта (до 20g и более) и частотах вибраций до 2000 Гц и т.д. Все эти факторы оказывают существенное влияние на надежность работы этих машин.

Анализ результатов испытаний  на надежность нескольких сотен машин постоянного и переменного токов разных типов и исполнений выявляют следующие причины отказов машин. В коллекторных машинах малой мощности отказы в работе коллекторно-щеточного узла составляют 34...48 % от общего числа отказов машин. Отказы шарикоподшипников происходят главным образом из-за неблагоприятного влияния на подшипник щеточной пыли, вибраций и повышенного нагрева коллектора.

В машинах переменного  тока чаще наблюдаются отказы под подшипника со стороны выходного вала из-за неравномерного распределения нагрузки на подшипник.

Анализ причин отказов  некоторых двигателей постоянного  тока (типа ДПМ и др.) в период нормальной эксплуатации показывает, что примерно 89% этих отказов возникает вследствие скрытых дефектов и лишь 11% — из-за неправильного применения и ошибок обслуживающего персонала.

Анализ причин отказов  машин в период определительных  испытаний на надежность показывает, что отказы машин происходят в основном из-за их износа, если время этих испытаний значительно больше гарантированного ресурса изделия. При этом отказы подшипникового узла характеризуются разрушением деталей подшипника или заклиниванием их в результате старения смазки. Старение смазки в подшипниках обусловлено ее испарением, окислительными процессами и термическим распадом масла. В связи с этим срок службы бесколлекторных малых электрических машин определяется в основном состоянием подшипников.

Испытания на надежность однофазных конденсаторных асинхронных двигателей типа КД-40 и асинхронных двигателей с пусковой обмоткой сопротивления типа ДАО показали, что их срок службы и надежность в основном определяется работоспособностью шарикоподшипниковых узлов. Так, например, отказы электродвигателей ДАО из-за повреждения подшипников составляют около 78 %. а двигателей КД-40 — 100%.

В коллекторных машинах малой  мощности наряду с подшипниками часто отказывает коллекторно-щеточный узел из-за износа коллектора и щеток. Износ коллектора зависит от значения окружной скорости вращения коллектора, давления щеток на коллектор и их размеров, вибраций щеток и коллектора, а также от условий коммутации.

Срок службы коллекторных машин при отсутствии регламентных работ определяется продолжительностью износа щеток. Предельная наработка электрощеток низкоскоростных машин постоянного тока малой мощности до наступления допустимого износа их составляет около I ООО ч, а высокоскоростных машин — не превышает 100... 150 ч.

Повреждения обмоток наблюдаются  на практике значительно реже, чем  отказы подшипниковых или коллекторно-щеточных узлов и составляют обычно всего  лишь несколько процентов от общего числа их отказов.

Основными повреждениями  обмоток являются:

• обрыв провода из-за высоких механических напряжений при намотке или вследствие повышенного нагрева обмотки при эксплуатации;
• обрыв вследствие коррозии в неизолированных местах провода;
• межвитковые замыкания из-за механических или тепловых нарушений изоляции проводов;
• пробой изоляции на корпус машины вследствие перенапряжений или нарушений корпусной изоляции;
• уменьшение сопротивления изоляции проводов из-за ее старения;
• обрыв вследствие электролиза в неизолированных местах проводов;
• нарушение мест паек проводов.

 

Заключение

Поскольку уровень надежности в  значительной степени определяет развитие техники по основным направлениям, мы должны стремиться достичь высокой  надежности технических средств, применяемых  в технологическом процессе.

Но невозможно достичь высокой  надежности и долговечности с  непрогрессивным рабочим процессом  и несовершенной схемой или несовершенными механизмами.

Поэтому первым направлением повышения  надежности является обеспечение необходимого технического уровня изделий.

Кроме этого следует применять  агрегаты с высокой надежностью  и долговечностью, которые обеспечиваются самой природой, т.е. быстроходных агрегатов  без механический передач, например, на электростанциях, агрегатов и  деталей, работающих на чистом жидкостном трении или без механического  контакта (электрическое торможение, бесконтактное электрическое управление); деталей, работающих при напряжениях  ниже пределов выносливости, и др.

Также нужно использовать детали и  механизмы, самоподдерживающие работоспособность: самоустанавливающихся, самоприрабатывающихся, самосмазывающихся, самонастраивающихся  и самоуправляющихся системах.

Необходимо отметить, что переход  на изготовление машин по строго регламентированной технологии заключает в себе резерв повышения надежности.

Этап конструирования системы  является очень важным, поскольку  на нем закладывается уровень  надежности систем безопасности. При  конструировании и проектировании следует ориентироваться на простые  структуры, имеющие наименьшее количество элементов, поскольку сокращение количества элементов является существенной мерой повышения надежности.

Но  уменьшение количества элементов не следует противопоставлять резервированию, как эффективному способу повышения  надежности, но приводящему, на первый взгляд, к завышенному количеству элементов конструкции. Очевидно, что  следует принимать компромиссное  решение между необходимостью сокращения количества элементов и применением  резервирования наименее надежных элементов.

 

Список литературы

 

1. Гольдберг О.Д. Надежность электрических машин: учебник для студ., высш. учеб. Заведений/О.Д. Гольдберг, С. П. Хелемская; под ред. О.Д Гольдберга. — М.: Издательский центр «Академия». 2010. - 288 с.
2. Гусев В.В. Методологические предпосылки к оценке эксплуатационной надежности электрических машин/ В.В.Гусев //Известия Томского политехнического университета. 2008. Т.313. №4.
3. Копылов,  И.П. Электрические машины / И.П. Копылов. -  М.: Логос, 2000.