Климатического исполнения электрических машин

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2

Исполнение	Обозначение
Электрические машины, предназначенные для эксплуатации на суше, реках, озерах для макроклиматических районов: с умеренным климатом	У
с холодным климатом	ХЛ
с влажным тропическим климатом	ТВ
с сухим тропическим климатом	ТС
как с сухим, так и с влажным тропическим климатом	Т
для всех макроклиматических районов на суше (общеклиматическое исполнение)	О
Электрические машины, предназначенные для установки на морских судах для макроклиматических районов: с умеренно холодным морским климатом	М
с тропическим морским климатом для судов каботажного плавания или иных, предназначенных для плавания только в тропической зоне	ТМ
для неограниченного района плавания	ОМ
Электрические машины, предназначенные для всех макроклиматических районов на суше и на море	В

Категория размещения электрических машин обозначается цифрой (от 1 до 5), следующей за буквенным обозначением климатического исполнения. Машины, которые можно эксплуатировать на открытом воздухе обозначаются цифрой 1, в закрытом помещении, где температура и влажность воздуха несущественно отличаются от колебаний наружного воздуха, — 2, если машины рассчитаны на работу в закрытых помещениях, в которых колебания температуры и влажности, а также воздействие песка и пыли существенно меньше, чем на открытом воздухе, — 3; в помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями, например в закрытых отапливаемых помещениях, — 4; в помещениях с повышенной влажностью, в которых возможно длительное наличие воды и происходит частая конденсация влаги на стенах и потолке, например в неотапливаемых и невентилируемых подземных помещениях, —5.

Обозначение ХЛ1 означает, что машина может работать в районах с холодным климатом при установке на открытом воздухе. Двигатели общего назначения, к которым не предъявляют каких-либо дополнительных требований, имеют исполнение У3 или У4 , т. е. они могут работать в районах с умеренным климатом в закрытых помещениях категории 3 или 4.

Существуют исполнения по степени защиты от попадания внутрь машины твердых посторонних тел и воды и от соприкосновения обслуживающего персонала с токоведущими и вращающимися частями, находящимися внутри машины. Этот вид исполнения обычно называют исполнением по степени защиты. ГОСТ 14254—80 устанавливает буквенно-цифровое обозначение исполнения, состоящее из латинских букв IP и двух цифр. Первая цифра (от 0 до 6) характеризует степень защиты персонала от соприкосновения с токоведущими или вращающимися частями, находящимися внутри машины, а также степень защиты самой машины от попадания в нее твердых посторонних тел; вторая цифра (от 0 до 8) — степень защиты машины от проникновения в нее воды (табл. 1.3 и 1.4).

Таблица 1.3. Степень защиты обслуживающего персонала от соприкосновения с токоведущими и вращающимися частями электрических изделий и от попадания твердых тел внутрь корпуса

Первая цифра условного обозначения	Степень защиты
0	Специальная защита отсутствует
1	Защита от проникновения внутрь оболочки большого участка поверхности человеческого тела, например руки, и от проникновения твердых тел размером свыше 50 мм
2	Защита от проникновения внутрь оболочки пальцев или предметов длиной не более 80 мм и от проникновения твердых тел размеров свыше 12 мм
3	Защита от проникновения внутрь оболочки инструментов, проволоки и т. д. диаметром или толщиной более 2,5 мм и от проникновения твердых тел размером более 1 мм
4	Защита от проникновения внутрь оболочки проволоки и от проникновения твердых тел размером более 1 мм
5	Проникновение внутрь оболочки пыли не предотвращено полностью. Однако пыль не может проникать в количестве, достаточном для нарушения работы изделия
6	Проникновение пыли предотвращено полностью

Таблица 1.4. Степени защиты электротехнических изделий

От проникновения воды

Вторая цифра условного обозначения	Степень защиты
0	Специальная защита отсутствует
1	Защита от капель воды: капли воды, вертикально падающие на оболочку, не должны оказывать вредного воздействия на изделие
2	Защита от капель воды при наклоне оболочки до 15⁰: капли воды, вертикально падающие на оболочку, не должны оказывать вредного воздействия на изделие при наклоне его оболочки на любой угол до 15⁰ относительно нормального положения
3	Защита от дождя: дождь, падающий на оболочку под углом 60⁰от вертикали, не должен оказывать вредного воздействия на изделие
4	Защита от брызг: вода, разбрызгиваемая на оболочку в любом направлении, не должна оказывать вредного воздействия на изделие
5	Защита от водяных струй: струя воды, выбрасываемая в любом направлении на оболочку, не должна оказывать вредного воздействия на изделие
6	Защита от волн воды: вода при волнении не должна попадать внутрь оболочки в количестве, достаточном для повреждения изделия
7	Защита при погружении в воду: вода не должна проникать в оболочку, погруженную в воду, при определенных условиях давления и времени в количестве, достаточном для повреждения изделия
8	Защита при длительном погружении в воду: изделия пригодны для длительного погружения в воду при условиях, установленных изготовителям

Открытые машины, в конструкции которых не предусмотрено никаких мер для защиты, обозначаются IP00. Наиболее распространенными исполнениями по степени защиты являются IP22, IP23 и IP44. Первые два исполнения соответствуют защите от соприкосновения с токоведущими и вращающимися частями машины пальцев человека и твердых тел диаметром более 12 мм (первая цифра 2 в обозначениях), а также защите от попадания в них капель воды. Исполнение IP22 предусматривает защиту от проникновения внутрь машины капель, падающих под углом не более 15⁰ к вертикали, а исполнение IP23 — под углом, не превышающим 60⁰ к вертикали. Машины исполнений IP22 и IP23 называют каплезащищенными.

Машины исполнения IP44 выполнены защищенными от возможности соприкосновения инструментов, проволоки или других подобных предметов, толщина которых не превышает 1 мм, с токоведущими частями, а также от попадания внутрь машины твердых тел диаметром более 1 мм (первая цифра 4). Вторая цифра 4 обозначает, что машина защищена от попадания внутрь корпуса водяных брызг любого направления. Такие машины называют также брызгозащищенными.

Для специальных целей выпускают электрические машины с более высокой степенью защиты, например IP57. В этом исполнении машина защищена от попадания пыли внутрь корпуса и может работать, погруженной в воду.

Исполнение по способу охлаждения электрических машин определяет ту или иную систему вентиляции, расположение вентилятора и систему забора охлаждающего воздуха. Машина исполнений IP22 и IP23 обычно выполняют с самовентиляцией и продувом воздуха через машину, при этом вентилятор располагается на валу машины, а воздух, проходя внутри корпуса, охлаждает обмотку и сердечники. Машины исполнения IP44 в большинстве случаев имеют наружный обдув. Охлаждающий воздух при этой системе охлаждения прогоняется вдоль наружной поверхности оребренного корпуса с помощью вентилятора, установленного вне корпуса на выступающем конце вала и с противоположной стороны от его выходного конца. Более подробно системы вентиляции и исполнения машин по способу их охлаждения рассмотрены в приложении П8.1—8.3 и в последующих главах [16].

Все эти электрические машины имеют много общего в конструкции обмоток, сердечников, валов, торцевых щитов, подшипниковых узлов и корпусов. Однако различия в требованиях, предъявляемых при эксплуатации, не позволяют создать полностью идентичные конструкции всех типов электрических машин, так же как и методов их расчета и проектирования. Каждый из типов машин (асинхронные, синхронные и машины постоянного тока) имеет свои особенности конструкции.

Асинхронные двигатели выпускают двух типов: с роторами, имеющими фазную обмотку, и с короткозамкнутыми роторами. Более распространены двигатели с короткозамкнутыми роторами, так как отсутствие изоляции обмотки роторов и скользящих контактов делает их наиболее дешевыми в производстве и надежными в эксплуатации. Основным недостатком таких двигателей является отсутствие надежного и экономичного способа плавного регулирования частоты вращения.

В настоящее время нашли применение вентильные двигатели, выполненные на базе асинхронных или синхронных двигателей с коммутаторами на тиристорах или транзисторах. Вентильные двигатели занимают среднее положение между двигателями постоянного тока и двигателями синхронными и асинхронными и применяются там, где необходимо изменять частоту вращения, а наличие коллектора и щеток нежелательно. Коммутатор, как правило, выполняется отдельно, а конструкция асинхронного или синхронного двигателя мало отличается от обычной [14].

Асинхронные двигатели общего назначения выпускаются на низкое напряжение мощностью от 0,6 до нескольких сотен киловатт и на высокие напряжения (3,6 или 10 кВ) мощностью до нескольких десятков тысяч киловатт. Наиболее распространены низковольтные двигатели малой и средней мощности.

На рис. 1.4 показан асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором мощностью 15 кВт при 2р = 4 на напряжение 220/380 В. Конструктивная форма исполнения двигателя IМ1001, исполнение по степени защиты IР44. Такое исполнение характерно для большинства асинхронных машин мощностью менее 50…70 кВт. Низковольтные двигатели большей мощности с фазными и с короткозамкнутыми роторами выпускаются в большинстве случаев в двух исполнениях – IР23 и IР44.

Рис. 1.4. Асинхронный двигатель серии 4А

в закрытом обдуваемом исполнении 4А160УЗ

На рис. 1.5 показан асинхронный двигатель серии 4А с фазным ротором мощностью 250 кВт при 2р = 4, исполнение по степени защиты IР23. Основной конструкцией асинхронных двигателей являются серии 4АМ и АИ, которые отличаются друг от друга выполнением корпуса и подшипниковых узлов. Активные части в этих сериях идентичны.

Рис. 1.5. Асинхронный двигатель

с фазным ротором с квадратной станиной

Синхронные машины общего назначения распространены значительно меньше, чем асинхронные. Синхронные генераторы сравнительно небольшой мощности (до нескольких тысяч киловатт) применяются в автономных установках. Синхронные двигатели не получили широкого распространения из-за более сложной конструкции, большей стоимости и худших пусковых характеристик. Они находят применение в приводах компрессоров, воздуходувок и т. п. Синхронные машины могут быть использованы одновременно и как двигатели, и как генераторы реактивной энергии, что дает им большое преимущество перед асинхронными двигателями, являющимися потребителями реактивной энергии.

Синхронные машины в зависимости от конструкции ротора делятся на явно– и неявнополюсные.

В явнополюсной конструкции более удобно располагать обмотку возбуждения, чем в пазах ротора с неявновыраженными полюсами. Поэтому все синхронные машины с числом пар полюсов более двух выполняются с явнополюсным ротором. В двухполюсных машинах из-за большой частоты вращения центробежные силы, действующие на ротор, настолько велики, что не удается надежно закрепить на нем явно выраженные полюсы с обмоткой. Обмотку возбуждения приходится укладывать в отдельные пазы, рассредоточивая их по окружности ротора.

Синхронные машины общего назначения выполняют, в основном, с явнополюсными роторами. На рис. 1.6 показан синхронный двигатель мощностью 17500 кВт на частоту вращения 375 об/мин. Из-за большой массы вала и ротора его подшипниковые узлы установлены на подшипниковых стойках вне корпуса машины.

Рис. 1.6. Синхронный двигатель

Наряду с крупными синхронными машинами выпускают синхронные двигатели и генераторы мощностью менее 100 кВт на низкое напряжение. Для упрощения эксплуатации и повышения надежности они выполнятся с самовозбуждением (обмотка возбуждения питается постоянным током от выводов статора через выпрямитель). В настоящее время разработаны конструкции синхронных машин, в которых отсутствует скользящий контакт, при этом выпрямительные элементы установлены на роторе, а ток в обмотке возбуждения возникает за счет высших гармоник поля или с помощью бесконтактного возбудителя.

Двигатели постоянного тока допускают плавное регулирование частоты вращения в широком диапазоне, обладают высокими пусковыми и перегрузочными моментами. Это определило их распространение в приводах, требующих изменения частоты вращения или специальных скоростных характеристик: в станкостроении, электротранспорте, в металлургической, текстильной и полиграфической промышленностях, других отраслях народного хозяйства.

Генераторы постоянного тока применяют для питания обмоток возбуждения синхронных машин, в системах генератор—двигатель и в некоторых специальных производствах, как, например, в химической промышленности для целей электролиза и т. п.

В то же время машины постоянного тока не получили такого широкого распространения, как асинхронные, из-за меньшей надежности, сложности эксплуатации и большей стоимости, обусловленных наличием в их конструкции механического преобразователя частоты коллектора. Эти машины могут иметь различные конструкции коллектора, якоря, обмоток и полюсов. Машина постоянного тока общего назначения, проектирование которых рассмотрено в последующих главах, имеют вращающийся якоря, цилиндрический коллектор и неподвижные полюсы с обмотками возбуждения, расположенными на станине.

На рис. 1.7 показан двигатель постоянного тока мощностью 110 кВт и номинальной частотой вращения 1500 об/мин, исполнения по степени защиты IP22. Такое исполнение является типичным для двигателей постоянного тока общего назначения, так как они большей частью устанавливаются, в которых исключается попадание на машины капель, падающих под углом более 15⁰ к вертикали.

Рис. 1.7. Продольный и поперечный разрезы

двигателя постоянного тока серии 4ПО

1 — корпус; 2 — магнитопровод статора; 3 — щит подшипниковый передний;

4 — сердечник якоря; 5 — вентилятор; 6 — кожух; 7 — коробка выводов;

8 — коллектор; 9 — токосъемный аппарат

С каждым годом в конструкцию серий машин переменного и постоянного тока вводится все большая унификация, различные узлы и детали машин стремятся делать одинаковыми. В то же время применение гибких автоматизированных производств позволяет выполнять большее число модификаций на основе базовой модели.

В последние десятилетия проявляется тенденция к объединению электрических машин с управляющими силовыми полупроводниковыми элементами и микропроцессорами. При этом вентильные двигатели наряду с асинхронными двигателями и двигателями постоянного тока находят все большее применение. Создание серий электромеханических систем для широкого класса электроприводов внесет новые изменения в конструкцию электрических машин.

Унификация и стандартизация в электрической промышленности.Стандартизация является частью общегосударственной технической политики, средством внедрения в производство передовых достижений науки, обеспечения оптимального уровня качества продукции, экономии трудовых и материальных затрат. Унификация базируется на анализе требований различных министерств и ведомств к разработке единой серий электрооборудования. На базе единых серий машин и трансформаторов разрабатываются модификации, предназначенные для различных условий работы. Внутри серии проводится максимальная унификация узлов и деталей.

Стандартизация в электротехнической промышленности строится на базе государственной системы стандартизации. Стандарты являются обязательными в пределах установленной сферы их действия, области и условий их применения.

Кроме стандартов утверждаются технические условия (ТУ), представляющие собой распространенный вид нормативно-технической документации.

В основу стандартизации подотраслевой электротехнической промышленности положены базовые стандарты. Таким стандартом для электрических машин является ГОСТ 183, устанавливающий общие технические требования на все электрические машины. На основе единых стандартов устанавливаются стандарты на единые серии (например, на асинхронные, синхронные машины и др.).

При стандартизации электрооборудования применяются ряды предпочтительных чисел, построенные на геометрической прогрессии:

Оказалось достаточным иметь четыре десятичных ряда геометрической прогрессии:

Ряд	Знаменатель ряда	Количество членов в пределах ряда
R5		5
R10		10
R20		20
R40		40

Каждый ряд построен на знаменателе прогрессии , , , в интервале от 1 до 10. Числа свыше 10 получаются умножением на 10, 100, 1000 и т. д., а числа меньшие 1 — умножением на 0,1; 0,01; 0,0001 и т. д.

По предпочтительным числам и геометрическим рядам предпочтительных чисел построен ряд номинальных мощностей электрических машин и трансформаторов (ГОСТ 12139—84). Шкала регламентированных мощностей приведена в приложении 6. В стандартах на электрические машины устанавливаются размеры, технические требования, методы испытаний, номинальные напряжения в вольтах, частота вращения (синхронная) в оборотах в минуту и мощности в киловаттах или ваттах.

Размеры электрических машин, определяющие возможность их монтажа и сочленения с рабочими механизмами (высота оси вращения, диаметры концов валов), устанавливаются в соответствии с ГОСТ 6636 «Номинальные линейные размеры». Этот ГОСТ устанавливает ряды линейных размеров в интервале от 0,001 до 20000 мм, которые применяются в машиностроении.

Высоты оси вращения и установочные размеры электрических машин приведены в приложении 6.

Развитие международных связей и значительное увеличение объема электротехнической продукции, которой обмениваются разные страны, обуславливают необходимость международной стандартизации. Основные цели международной стандартизации определены Постоянным техническим комитетом Международной организации по стандартизации (СТАКО и ИСО). Международные стандарты ИСО и МЭК играют важную роль в создании новых серий электрических машин и ликвидации торговых барьеров между странами.

Основополагающие стандарты на электрические машины и стандарты, регулирующие общие для электротехники нормы и правила приведены в «Справочнике по электрическим машинам», том I [16].

1.5. НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Повышение надежности электрических машин – важная задача электротехнической промышленности. Увеличение срока службы и повышение надежности дают относительно больший народнохозяйственный эффект, чем снижение удельного расхода материалов при изготовлении электрических машин [5].

Согласно ГОСТ 27.002 – 89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения» надежность определяется, как свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Для объектов в зависимости от назначения применяют различные показатели надежности. Различают восстанавливаемые и невосстанавливаемые объекты. Если нормативно-технической и конструкторской документацией предусмотрено проведение ремонта объекта, то он называется ремонтируемым. Неремонтируемые объекты работают до первого отказа, после чего их снимают с эксплуатации. Значительное число электрических машин малой мощности относятся к неремонтируемым объектам. Для различных видов электрических машин и условий эксплуатации основные понятия теории надежности – безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость – имеют различную относительную значимость. Для неремонтируемых электрических машин основным показателем является безотказность. Для остальных машин большое значение имеет ремонтопригодность.

Безотказность — это свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта. Сохраняемость — свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции в течение и после хранения и транспортирования.

Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. При оценке надежности электрических машин необходимо заранее оговорить, какое состояние считается неработоспособным. По характеру возникновения различают отказы внезапные, характеризующиеся скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта, и отказы постепенные, характеризующиеся постепенным изменением значений одного или нескольких параметров объекта. Внезапные отказы обычно проявляются в виде повреждений элементов (обрывы, пробои изоляции, образование трещин, поломки). Постепенные отказы связаны с износом и старением элементов и материалов (износ щеток и коллектора, старение изоляции).

По условиям создания и работы объектов различают конструкционные, производственные и эксплуатационные отказы. Они характеризуют основные причины их возникновения: при конструировании — несовершенство или нарушение установленных норм и правил конструирования и проектирования, при производстве — нарушение или несовершенство установленного процесса изготовления или ремонта, при эксплуатации — нарушение установленных правил и условий эксплуатации.

Для оценки надежности неремонтируемых электрических машин используют вероятностную характеристику случайной величины — наработку до отказа Т, под которой понимают наработку объекта от начала эксплуатации до возникновения первого отказа.

Распределение наработки до отказа может быть описано вероятностью безотказной работы P(t), плотностью распределения наработки до отказа f(t) и интенсивностью отказов . Вероятностью безотказной работы P(t) называют вероятность того, что величина Т — наработка до отказа — будет не меньше заданной:

. (1.5)

Во многих задачах требуется определить вероятность безотказной работы объекта за время t — вероятность того, что в пределах заданной наработки не возникает отказа объекта, т. е. вероятность безотказной работы в интервале наработки . Она равна отношению вероятностей безотказной работы в начале и в конце интервала:

. (1.6)

Статистически вероятность безотказной работы определяется отношением числа объектов, безотказно проработавших до момента t, к числу объектов работоспособных в начальный момент времени:

, (1.7)

где N — число объектов в момент начала наблюдений или испытаний; n(t) — число объектов, отказавших за время t.

Вероятность отказа объекта

. (1.8)

Надежность ряда ремонтируемых объектов не всегда удобно характеризовать вероятностью безотказной работы, так как P(t) у них весьма близка к единице, особенно для небольших интервалов наработки, поэтому используется другой показатель надежности — плотность распределения наработки до отказа:

, (1.9)

где

; (1.10)

. (1.11)

Для неремонтируемых объектов используется другой показатель — интенсивность отказов . Интенсивность отказов — условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не возник:

, (1.12)

где

(1.13)

При .

Статистически интенсивность отказов определяют следующим образом:

, (1.14)

где — среднее число объектов, исправно работающих в интервале ; — число работоспособных объектов в начале интервала ; — число работоспособных объектов в конце интервала ; — число отказавших объектов в интервале .

Одним из показателей безотказности является средняя наработка до отказа — математическое ожидание наработки объекта до первого отказа:

. (1.15)

На практике используется следующая оценка средней наработки до отказа:

, (1.16)

где — наработка до отказа i-го объекта; N — число объектов.

Для восстанавливаемых объектов пользуются средней наработкой на отказ – отношением суммарной наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки.

Наиболее распространенными показателями долговечности электрических машин являются средний ресурс и средний срок службы. Средний ресурс – математическое ожидание ресурса. Ресурс – это суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние. Средний срок службы – математическое ожидание срока службы. Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации от начала эксплуатации объекта или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.

Для характеристики нескольких свойств надежности объектов используют комплексные показатели надежности. Среди них большое значение имеет коэффициент готовности:

(1.17)

где – средняя наработка на отказ; - среднее время восстановления.

При рассмотрении работоспособности электрических машин наблюдаются характерные периоды, отражающие главные причины их отказов (рис. 1.8). Период I – это период приработки, когда при испытаниях или начальной стадии эксплуатации происходят выявление и отбраковка конструктивных и производственных недостатков. Для предотвращения отказов в эксплуатации в период приработки производят замену дефектных деталей исправными и, если это возможно, приработку отдельных узлов. Для электрических машин производится проверка изоляции обмоток, притирка щеток на коллекторе или контактных кольцах, настройка систем регулирования и возбуждения, наладка подшипниковых узлов. Для ответственных электрических машин период приработки происходит непосредственно на заводе-изготовителе, чтобы избежать отказов в эксплуатации, обусловленные производственными причинами [19].

Рис. 1.8. Интенсивность отказов

В большинстве случаев в период приработки вероятность безотказной работы может быть описана законом Вейбулла

(1.18)

где - вероятность безотказной работы за время t; - параметры.

После периода приработки начинается период нормальной эксплуатации II, когда интенсивность отказов падает и в течение длительного времени остается примерно постоянной (см. рис. 1.8). В этот период происходят внезапные отказы, т. е. может иметь место случайное повышение нагрузок. Распределение наработки до отказа описывается показательным законом, при этом функция плотности распределения

(1.19)

Вероятность безотказной работы

. (1.20)

При постоянной величине интенсивности отказов средняя наработка до отказа

. (1.21)

Период работы электрической машины III характеризуется увеличением интенсивности отказов (см. рис. 1.8). С момента времени элементы и узлы машины начинают отказывать чаще, что вызвано их старением и износом. У электрических машин в этот период отмечается существенное нарушение свойств изоляции, уменьшение ее электрической прочности, износ тел качения подшипников, изменение структуры смазки, износ коллектора и изменение структуры материала коллекторных пластин, повышение вибраций и т. д.

Распределение наработки до отказа по причине изнашивания и старения описывают с помощью нормального закона. Так как наработка до отказа является случайной величиной, которая может принимать только положительные значения, то распределение Т может быть усечено-нормальным. Оно получается из нормального при ограничении интервала возможных значений этой величины.

Плотность усеченного нормального распределения определяется из выражения

, (1.22)

где — нормирующий множитель; — функция нормального распределения наработки до отказа:

, (1.23)

где — математическое ожидание; — среднеквадратичное отклонение.

Величина в (1.22) определяется с помощью нормированной функции Лапласа :

, (1.24)

где

— интервалы ограничения средней наработки до отказа.

Практика эксплуатации электрических машин позволила наиболее полно исследовать статистическими методами надежность асинхронных двигателей. Систематическое наблюдение двигателей от начала эксплуатаций до капитального ремонта показало, что капитальному ремонту подвергаются 20% двигателей. При относительной простоте конструкции надежность асинхронных двигателей все еще остается низкой: средней срок службы составляет 20 тыс. ч (5 лет) и колеблется в зависимости от области применения — от 60 тыс. ч (в химической промышленности) до 6 тыс. ч (в горнодобывающей промышленности).

Основными причинами выхода из строя асинхронных двигателей являются их неправильная эксплуатация, несовершенная защита или ее отсутствие. При защите плавкими предохранителями двигатели отказывают из-за работы на двух фазах. Данные эксплуатации показывают, что 80% аварий от работы на двух фазах происходят из-за отсутствия тепловой защиты и 20% — из-за неисправности, а 15% двигателей отказывают также из-за несоответствия конструктивного исполнения условиям эксплуатации. Наблюдаются также отказы двигателей, обусловленные неправильным выбором двигателей по мощности.

Иногда превышение температуры двигателей вызываются неравномерностью воздушного зазора, что приводит к задеванию ротора о статор машины. Это может быть обусловлено тем, что технологический процесс и состояние оборудования не обеспечивают требуемую обработку станин, подшипниковых узлов и пакетов ротора. Неравномерность воздушного зазора может быть вызвана и прогибом вала в случае его недостаточной жесткости. Причиной отказа обмоток двигателей нередко является низкое качество изоляции обмоточных проводов и пропитывающих лаков. Преждевременные отказы обмоток вызываются часто несовершенными технологическими процессами, некачественной пропиткой, намоткой и укладкой в пазы витков обмотки статора. Основные причины отказов можно количественно охарактеризовать следующим образом: неправильное применение — 15…35%, недостатки эксплуатации 25…50%, недостатки конструкции и технологии 30…35%. Лишь 10…12% двигателей выходят из строя вследствие процессов износа и старения.

В подавляющем большинстве случаев отказы двигателей происходят из-за повреждения обмоток 85…95%, 2…5% двигателей отказывают из-за повреждений подшипников. Основные отказы обмоток приходятся на межвитковые замыкания 93%, пробой изоляции 2%, пробой межфазной изоляции 5%. Это распределение показывает, что основное внимание в асинхронных двигателях со всыпной обмоткой должно быть уделено межвитковой изоляции.

Для межвитковой изоляции разработана математическая модель надежности. Элементами модели являются два витка, расположенных рядом в пазу или лобовой части и разделенных межвитковой изоляции, состоящей из собственной изоляции обмоточного провода, пропиточного лака и воздушных прослоек. Для безотказной работы обмотки необходима исправность всех ее составляющих элементов. Отказ происходит тогда, когда приложенное напряжение к соседним виткам превышает пробивное напряжение межвитковой изоляции.

Вероятность безотказной работы межвитковой изоляции обмотки, состоящей из n пар проводников, равна:

, (1.25)

где — плотность распределения приложенных напряжений; — функция распределения пробивного напряжения межвитковой изоляции.

Распределение приложенного напряжения между витками зависят от напряжения на фазе, числа последовательно соединенных секций в фазе, кратности и распределения коммутационных напряжений вдоль обмотки и числа проводников в пазу. Пробивное напряжение изоляции обмоток зависит от свойств изоляционных материалов и условий эксплуатации.

Синхронные машины являются, в основном, крупными электрическими машинами, изготовляемыми мелкими сериями, что затрудняет обработку статистических данных. Синхронные машины являются ремонтируемыми объектами, поэтому для таких машин важны, как показатели надежности коэффициент готовности и среднее время восстановления. Синхронные машины отличаются тем, что имеют относительно высокое качество обслуживания; количество отказов по причинам, связанным с ошибками персонала, соизмеримо с количеством отказов из-за дефектов изготовления. Вместе с тем в процессе эксплуатации обычно происходят доводка, усовершенствование, модернизация машины. Статистические данные свидетельствуют о том, что одной из основных причин отказов синхронных машин являются заводские дефекты. Число аварийных отключений, вызванных дефектами изготовления, значительно больше вызванных недостатками конструкции. В течение первого периода работы (5… 10 тыс. ч) имеет место приработка, когда заменяют и ремонтируют детали с заводскими дефектами. Период нормальной эксплуатации составляет 15…20 лет, после чего начинаются отказы, связанные с износом и старением материалов и элементов конструкции.

Для оценки эксплуатационной надежности синхронных генераторов широко применяют такой показатель, как удельная повреждаемость — удельное число аварийных отключений, которое измеряется средним числом повреждений на одну машину в год, выраженное в процентах. Установлено, что повреждаемость, вызванная заводскими недостатками, составляет для турбогенераторов 3,5%, для гидрогенераторов 4%. Удельная повреждаемость возрастает с ростом мощности.

Большинство повреждений относятся к обмотке статора. Основным местом повреждений изоляции обмоток статора является пазовая часть обмотки, пробой которой составляет примерно 50% всех пробоев обмоток статора. На процесс изменения и разрушения изоляции оказывает влияние возрастание нагрузок: повышенные механические усилия при переходных процессах, вибрации, перенапряжения, перегрузки по току. В процессе изготовления могут появиться участки с пониженной электрической прочностью. Это связано с изготовлением стержней обмоток с размерами, выходящими за пределы допуска, что приводит к повреждению изоляции при укладке обмотки в пазы. В процессе изготовления возможно попадание на поверхность изоляции ферромагнитных частиц, вибрация которых в магнитном поле приводит к постепенному разрушению изоляции. Вследствие поломки листов статора создаются условия повреждения изоляции стержней.

Надежность изоляции лобовых частей во многом определяется способом их крепления. Лобовые части обмоток крупных электрических машин наибольшей опасности подвергаются при переходных процессах, при этом возможны разрывы бандажей, деформация частей обмотки, появление трещин и вмятин в изоляции. В процессе эксплуатации синхронных генераторов отмечаются также пробои изоляции вследствие попадания масла и влаги. Среди повреждений активной стали, наиболее частыми являются ослабление запрессовки, расшатывание сердечника стали под действием вибрационных и магнитных сил, повреждение изоляционной пленки на поверхности листов.

На подвижных частях машины частые повреждения возникают на бандажных узлах. Они вызываются действием центробежных сил, деформациями вала и усилиями горячих посадок на вал. Под действием температуры происходят перемещение обмотки ротора, деформация проводников обмотки. Возможно также перекрытие каналов охлаждения и снижения сопротивления изоляции при попадании влаги, масла и пыли на обмотку.

Характерными повреждениями и нарушениями в работе подшипниковых узлов крупных синхронных машин являются: выплавление баббита, повреждение вкладышей и цапф подшипниковыми токами. Выплавление баббита обычно происходит при нарушении работы систем маслоснабжения. Наиболее распространенной неисправностью подшипников является вытекание масла. Подшипниковые токи возникают из-за несимметрии в магнитной системе, обусловленной неравномерным зазором, наличием осевых каналов, несимметричным размещением сегментов активной стали. Замыкание обмотки ротора на корпус также приводит к появлению подшипниковых токов. Это явление сопровождается повреждением поверхностей вкладышей и шеек вала вследствие эрозии под воздействием разрывов.

Для обеспечения надежности крупных синхронных машин большое внимание уделяется контактно-щеточной системе и возбудителям. Число отказов возбудителей иногда превышает число отказов обмоток ротора и статора.

Статистическая обработка эксплуатационных данных показывает, что неравномерное токораспределение вызывает большой разброс скорости изнашивания щеток. Это вызвано многими причинами, среди которых важнейшими являются характеристики и конструкция материалов скользящего контакта, плотность тока под щетками и соотношение электрических и механических потерь в контакте, вид вольт-амперных характеристик щеток. При эксплуатации генераторов износ щеток и контактных колец зависит также от величины вибрации колец, удельного давления на щетки, попадания масла на щетки и на контактную поверхность колец из опорных подшипников. При эксплуатации турбогенераторов возможно отделение втулки контактных колец от вала в месте ее посадки. Это вызывает резкое увеличение вибрации колец и общее ухудшение работы щеточного аппарата.

Для оценки надежности синхронных генераторов средней мощности (до 100 кВт) с достаточной полнотой использовались статистические методы. Установлено, что вероятность безотказной работы генераторов ЕС и ЕСС в период до 4 тыс. ч описывается законом распределения Вейбулла. В период 4…12 тыс. ч распределение отказов является экспоненциальным. Характеристика отказов этих машин имеет общие черты с отказами крупных генераторов и асинхронных двигателей. Основными узлами, подверженными отказам, являются обмотки ротора и статора, блок регулирования напряжения, подшипниковый узел. Установлено, что среднее время наработки на отказ для различных типов крупных машин составляет 3…5 тыс. ч, а среднее время ремонта 10…35 тыс. ч.

Данные о причинах выхода из строя в период эксплуатации электрических машин постоянного тока как общего, так и специального назначения показывают, что большинство аварий происходят по вине обслуживающего персонала, который не всегда обеспечивает необходимый уход и качественное выполнение текущего ремонта. Среди других причин отказов следует отменить конструкционные недостатки и условия эксплуатации.

Наиболее частыми повреждениями возбудителей синхронных генераторов являются повреждения бандажей обмотки якоря, нарушения пайки петушков и износ коллектора, при этом надежность коллекторно-щеточного узла во много зависит от мощности возбудителя.

В тяговых двигателях электровозов одной из частых причин отказов в работе является возникновение кругового огня на коллекторе. Это вызвано условиями эксплуатации (буксование колесных пар электровозов), невысоким качеством выпрямительного питающего напряжения, повышенными ударами и вибрационными нагрузками.

Для электрических машин постоянного тока общего назначения характерным повреждением является также неисправность коллектора. По статистике выход из строя этих машин из-за повреждений коллектора составляет 20% общего числа отказов. Относительно большое число повреждений коллектора вызывается трением щеток. Скорость износа щеток не является величиной, одинаковой для всех щеток. Она зависит от следующих факторов: неправильной установки щеток, неисправностей щеткодержателей, попадания летучих фракций пропиточных лаков обмотки на коллектор, механических неисправностей коллектора, неправильного выбора марок и конструкции щеток. Механическая нестабильность скользящего контакта приводит также к разрушению щеток и арматуры.

Повреждения коллектора могут проявляться в нарушении цилиндричности поверхности коллектора из-за неравномерного ее износа и нарушений в механических узлах машины. На поверхности коллектора в процессе эксплуатации происходит нарушение полировки из-за подгорания пластин и царапин и неравномерности нажатия отдельных щеток на коллектор. К механическим факторам, влияющим на износ коллектора, относятся давление щеток на коллектор, их вибрация и биение коллектора, высокая окружная скорость вращения. Износ коллектора зависит также от химических факторов, к которым относятся образование контактной пленки на поверхности коллектора, состав и влажность окружающей среды, наличие в среде активных веществ. Среди электрических факторов, влияющих на износ коллектора, следует отметить плотность тока под щетками, сопротивление переходных контактов щеток и коллектора, нарушение коммутации машины, которое приводит к появлению искрения под щетками.

Повреждение обмоток якорей машин постоянного тока проявляется в пробое корпусной изоляции между пакетом стали якоря и обмоткой и пробое изоляции между витками в якорях с многовитковыми секциями. В крупных машинах постоянного тока повреждения проявляется в распайке соединительных петушков коллекторных пластин с обмоткой и из-за разрушения проволочных бандажей.

Отказы механических узлов машин постоянного тока определяются, в основном, состоянием шеек вала и подшипников качения и скольжения. Повреждение подшипников скольжения и шее вала выражаются в виде износа вкладышей в гнездах подшипников, вытекания смазки из подшипников при их неисправностях, нарушения работы смазочных колец в подшипниках. Отказы подшипников качения происходят из-за вытекания смазки из подшипников, поломки шариков или роликов между обоймами подшипников, разрушение сепаратора, заклинивания шариков в обоймах подшипников. Другим механическим узлом, который повреждается при эксплуатации электрических машин постоянного тока, является щеточная траверса. Повреждения этого узла проявляется в виде поломки кольца траверсы, закрепляющего ее на подшипниковом устройстве, расстройстве регулировки положения щеткодержателей на кольцах или бракетах траверсы.

Наряду со статистической обработкой данных эксплуатации для оценки надежности электрических машин используются также определительные и контрольные испытания. Определительные испытания проводят для определения сравнительных показателей надежности, контрольные — для контроля соответствия показателей требованиям стандартов или технических условий [8].

Для определительных испытаний объем выборки (количество машин, случайным образом отобранных из партии или серии, подлежащих испытаниям) составляет 20…30 машин. Испытания проводятся до отказа всех машин выборки, что позволяет построить кривую вероятности безотказной работы в функции наработки.

Контрольные испытания проводят либо для одного уровня (риск заказчика ), либо для двух (риск заказчика и риск изготовителя ). Для соответствующих значений и определяется объемом выборки, необходимый для подтверждения требуемого значения вероятности безотказной работы. После испытания машин в случае, если число отказавших во время испытаний машин не превышает некоторое число с — так называемого приемочного числа, требуемый уровень вероятности безотказной работы подтверждается. В противном случае гипотеза о соответствии надежности партии машин требуемому уровню отклоняется.

Испытания на надежность, как определительные, так и контрольные, весьма длительные и дорогостоящие. Кроме того, данные испытаний зачастую запаздывают и не могут дать оперативной коррекции при конструировании и совершенствовании технологии. Сокращение времени испытаний решается проведением форсированных испытаний на надежность. В этом случае испытания электрических машин проводятся в специальных условиях, характеризующихся повышенным уровнем некоторых воздействующих факторов: температура окружающей среды, вибрации, номинальных частоты вращения и нагрузки, числа пусков, влажности, удельного нажатия и плотности тока под щеткой, запыленности.

Ускоренным испытаниям данного типа машин определенной мощности или диапазона мощностей предшествуют испытания по определению коэффициента ускорения. Коэффициент ускорения есть отношение времени, в течение которого вероятность безотказной работы машины в номинальном режиме составляет , ко времени, в течение которого та же вероятность будет в режиме форсировки. Необходимо соблюдение адекватности законов распределения в форсированном и нормальном режиме. Это, в свою очередь, означает, что при форсированных испытаниях не должна нарушаться физика старения и износа материалов и конструкции электрической машины. Количество факторов форсировки обычно варьируется от двух до четырех. Электрические машины могут быть испытаны с коэффициентом ускорения 10—15, что значительно сокращает время испытаний [8,16].

1.6. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Проектирование электрических машин включает электромагнитные, тепловые, вентиляционные, механические и другие расчеты с одновременным выбором конструкции, удовлетворяющей технологическим требованиям ее изготовления при минимальных затратах материалов, большей надежности и меньшей стоимости. Все эти требования противоречивы, и необходим расчет многих вариантов геометрии активной части и изменения конструкции машины.

Задание на курсовой проект содержит основные данные проектируемой машины, указания о режиме ее работы, конструктивном исполнении, в виде защиты от окружающей среды и системе вентиляции. Кроме того, могут быть заданы дополнительные требования, например диапазон регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока, наименьшие допустимые значения кратности пускового и максимального моментов асинхронных двигателей и т. п. Проектируемая машина должна удовлетворять соответствующим ГОСТ.

Наименование разделов курсового проекта и их примерный объем в процентах приведены в тал. 1.5. Отдельные разделы проекта должны быть выполнены и представлены для проверки руководителю в установленные сроки.

Таблица 1.5. Основные разделы курсового проекта, их относительный объем

Наименование разделов проектов	Объем раздела, %
Выбор главных размеров	5
Электромагнитный расчет	35
Разработка конструкции (выполнение чертежей общих видов в тонких линиях)	30
Механические расчеты	5
Вентиляционный расчет	5
Тепловой расчет	5
Экономический расчет	5
Завершение чертежей и оформление пояснительной записки	10

В табл. 1.5 объем разделов курсового проекта указан ориентировочно и при индивидуальном задании корректируется в зависимости от темы проекта.

В качестве основного пособия для проектирования электрических машин общего назначения может быть использована настоящая книга. Однако для полноты проработки материала необходимо использовать также и другие источники. Так, при разработке конструкции машины следует обратиться к заводским чертежам аналогичных машин, близких по габаритам к заданной в проектном задании, каталогам и справочникам на электрические машины [16]. Примеры общей компоновки машин и конструкции их отдельных узлов и деталей, технология изготовления основных деталей и сборки, конструкция изоляции и изоляционные материалы, применяемые в электрических машинах различных назначений, рассмотрены в [2,16].

При работе над проектом следует использовать конструктивные исполнения, принятые в электрических машинах современных серий.

Расчеты машин проводят в последовательности, изложенной в соответствующих главах данной книги. Вначале выбирают главные размеры и выполняют электромагнитный расчет, в процессе которого определяют обмоточные данные и размеры машины. Электромагнитные расчеты заканчивают построением основных характеристик [6].

После электромагнитного расчета должны быть выполнены в тонких линиях чертежи машины. В процессе конструирования проверяются выбранные ранее размерные соотношения деталей и узлов.

Вентиляционный, тепловой и механические расчеты выполняют исходя из размеров, полученных в расчете и на чертеже. Содержание и объем этих расчетов определяются руководителем проекта в зависимости от требования технического задания.

Экономический расчет при учебном проектировании является заключительным. Его объем и методика проведения определяются кафедрой, ведущей проектирование. Вопросы экономики учитывают в течение всей работы над проектом.

К защите проекта представляются чертежи спроектированной машины и пояснительная записка.

Пояснительная записка ¹должна содержать окончательные варианты расчетов всех разделов проекта. Если в процессе работы выявилась необходимость изменения каких-либо первоначально принятых размеров или рассчитанных данных, потребовавшая пересчета ряда позиций, то первоначальные варианты расчета в текст пояснительной записки не включаются. К принятому окончательному варианту необходимо сделать краткое пояснение.

¹При оформлении пояснительной записки и графической части проекта рекомендуется использовать книгу Александрова К.К., Кузьминой Е.Г. Электротехнические чертежи и схемы. М.: Энергоатомиздат, 1990.

В тексте записки необходимые по ходу расчета пояснения и обоснования следует излагать кратко и ясно. При записи расчетов нужно обязательно привести расчетную формулу в общем виде, затем ту же формулу с заменой символов соответствующими числами и, наконец, численный результат с указанием единицы полученной величины. Результаты промежуточных вычислений могут быть опущены. Все расчеты проводят в системе СИ.

Текст пояснительной записки должен сопровождаться достаточным количеством иллюстраций – эскизов, графиков, в полной мере поясняющих принятые в расчете обозначения размеров и полученные размерные соотношения. Все рисунки должны быть выполнены с точным соблюдением масштаба, что позволяет вовремя заметить возможные ошибки в расчете. Пояснительная записка выполняется на стандартных листах писчей бумаги формата 11. Текст пишется чернилами. Оборотная сторона листа не используется. Страницы записки необходимо пронумеровать, рисунки выполнить на отдельных листах чертежей или миллиметровой бумаге того же формата и сброшюровать вместе с текстом.

Графическая часть проекта обычно состоит из двух-трех листов чертежей формата 24. Она содержит чертежи общих видов машин с необходимыми для пояснения конструкции разрезами и нескольких деталей, поперечные размеры пазов с расположенными в них проводниками и изоляцией обмотки, схему обмотки и основные характеристики спроектированной машины. Объем и содержание графической части проекта корректируются в зависимости от требований технического задания и времени, отведенного в учебных планах на выполнение курсового проекта.

Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 1208; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 12

Мы поможем в написании ваших работ!