Обзор технологических отказов асинхронных двигателей в сельскохозяйственном производстве

На основании проведенных исследований распределения магнитной индукции в межполюсном зазоре были сделаны следующие выводы:

1. В межполюсном зазоре сепаратора имеется градиентная зона, прилегающая к активному полюсу.

2. Магнитная индукция в межполюсном зазоре в градиентной зоне изменяется по экспоненциальному закону.

3. Увеличение градиентной зоны и ширины зоны сепарации, а соответственно и производительности установки, возможно за счет увеличения магнитной индукции в зазоре путем увеличения мощности, потребляемой катушкой намагничивания до значений, допускаемых из условия насыщения магнитной системы.

4. Максимальное значение магнитной индукции В, grad B и градиентной зоны dгр достигается при определенных соотношениях диаметра концентрирующих отверстий D, расстояния (промежутка) между отверстиями tn, межполюсного расстояния d и напряжения питания катушки.

5. Выполнение межполюсного зазора конусным позволяет значительно повысить величину магнитной индукции В, grad B, а также размер градиентной зоны.

Литература

1. Говорков, В.А. Электрические и магнитные поля / В.А. Говорков. - М.: Энергия, 1968. - 488 с.

2. Зуев, В.С. Электромагнитные сепараторы: теория, конструкция / В.С. Зуев, В.И. Чарыков. - Курган: Зауралье, 2002. - 178 с.

УДК 621.315 В.А. Кожухов, С.А. Стрижнев

ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОТКАЗОВ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

В статье рассмотрены условия эксплуатации асинхронного электродвигателя в сельском хозяйстве, основные особенности эксплуатации и влияние внешней среды на срок службы. Проведен анализ причин отказов электродвигателей. Показаны процентные соотношения основных отказов и приведена диаграмма распределения отказов с указанием причин их возникновения.

Эффективность научно-технического прогресса зависит не только от наращивания выпуска новейшей техники, но и лучшего использования основных фондов, увеличения объема продукции с каждой единицы оборудования. Разработка и широкое внедрение систем технической диагностики является одним из важнейших факторов повышения эффективности использования машин и оборудования, сокращения расходов на ремонт сельскохозяйственной техники.

Асинхронные двигатели (АД) занимают главенствующее положение в современном сельском хозяйстве, благодаря простоте и технологичности конструкции, высоким энергетическим показателям и эксплуатационной надежности. АД общего назначения мощностью от 0,3 до 75 кВт на напряжение до 1000 В - наиболее широко применяемые в сельском хозяйстве электрические машины. В общем парке электродвигателей они составляют по количеству до 90%, а по мощности - примерно 55%. Такое положение эти машины завоевали благодаря способности автоматически изменять момент вращения в соответствии с изменением момента сопротивления на валу, высокому КПД, относительной простоте и низкой стоимости по сравнению с другими видами электродвигателей.

Специфические и тяжелые условия эксплуатации электродвигателей в сельском хозяйстве ведут к снижению их надежности и долговечности. Микроклимат производственных помещений в сельском хозяйстве характеризуется высокой влажностью, непостоянством температуры. Имеют свои особенности и режимы работы электродвигателей. Как правило, АД используются сезонно, часто недогружены по мощности, а качество питающего напряжения не всегда соответствует установленным эксплуатационным параметрам.

Существует ряд причин, которые влияют на эксплуатационную надежность АД в этой отрасли народного хозяйства. Это относится к широкому использованию двигателей старых серий, парк которых в течение длительного времени практически не обновляется, а количество капитальных ремонтов для отдельных еди-

ниц составляет 2-5 и более. В свою очередь, даже централизованный ремонт вышедших из строя электродвигателей производится не всегда качественно, что еще больше сокращает срок эксплуатации. Основными средствами защиты АД на сельскохозяйственных предприятиях являются широко распространенные, зачастую устаревшие, устройства: плавкие предохранители, автоматические выключатели различных типов и тепловые реле. Поэтому даже незначительные нарушения режимов работы приводят к отказам. Технические средства диагностики и измерительные приборы, без которых невозможно провести текущее обслуживание и предупредительный ремонт АД, есть в наличии только на тех сельскохозяйственных предприятиях, где имеются соответствующие электротехнические службы.

Анализ состояния эксплуатации электродвигателей позволяет говорить о низкой их надежности. Если учесть, что АД участвуют в выполнении сложных и ответственных технологических операций и их отказы ведут к простою технологических линий или оборудования, то становится очевидным тот факт, что ущерб, причиняемый простоем, во много раз превышает стоимость новых электродвигателей. При этом следует отметить, что стоимость ремонта электродвигателя, как правило, высока и составляет около 80% стоимости нового электродвигателя при существенном ухудшении параметров отремонтированных двигателей.

Наибольшее распространение в современном сельскохозяйственном производстве получили асинхронные двигатели общепромышленных серий 4А, АО2, А2, специальные 4А...С, АО2...СХ, а также устаревших серий А, АО. Электродвигатели серии 4А и их модификации поступают в сельское хозяйство с 1972 года. Единая серия электродвигателей 4А включает в себя 32 ступени мощностей от 0,06 до 400 кВт с высотами осей вращения от 50 до 355 мм. По степени защиты от окружающей среды АД изготавливаются в защищенном (IР23) и закрытом обдуваемом (1Р44) исполнении по ГОСТ 17494-72. Изоляция класса нагревостой-кости В (1300 С) применяется для двигателей с высотами вращения 50-132 мм, а изоляция класса нагрево-стойкости Р (1550 С) - для двигателей с высотами вращения выше 160 мм. Материал обмоток АД следующий: в качестве корпусной (пазовой) изоляции, как правило, применяется пленка ПЭТФ, изофлекс толщиной

0,2-0,25 мм, тривольтерм, пленколакослюдопласт ГИП-ЛСП-ПЛ толщиной 0,36-0,4 мм; в качестве межфаз-ной и межвитковой изоляции используется эмаль обмоточного провода ПЭТМВМ, ПЭТВ, ПЭТМ, ПЭТ-155, а вся обмотка статора пропитывается компаундом КП-34, лаком МЛ-92, ПЭ-993 и в некоторых случаях покрывается (лобовые части) эмалью ГФ 92ГС, ЭП-91. Безотказная работа АД этой серии гарантируется при температуре воздуха 400С, запыленности воздуха не более 2 мг/м3 - для защищенных и 10 мг/м3 - для закрытых электродвигателей. Кроме этого, окружающая среда не должна содержать агрессивных газов, токопроводящей пыли, быть взрывоопасной, а влажность не должна превышать нормированную по ГОСТ 183-74. Непосредственно для сельскохозяйственного производства предназначены специальные серии электродвигателей 4А...С, 4А...СХ и АО2...СХ. Они имеют систему изоляции более совершенную, чем электродвигатели общепромышленной серии. Двигатели выпускаются в диапазоне высот оси вращения 50-180 мм со степенью защиты 1Р54. Электродвигатели АО2...СХ рассчитаны для работы при температуре окружающей среды от - 450С до +400С и влажности воздуха до 98% (+200 С). Они могут работать в помещениях, длительно содержащих в воздухе химически активные примеси и пыль, количественное содержание и концентрация которых не превышает норм, регламентированных по ГОСТ 15150-69. Процентное распределение вышеперечисленные серий АД и их модификаций среди общего количества эксплуатируемых электродвигателей на различных сельскохозяйственных предприятиях сложилось по-разному. Из общего количества АД около 24% специально предназначены для использования на предприятиях сельского хозяйства. Часть двигателей используется на предприятиях, где параметры микроклимата производственных помещений и режимы работы технологического оборудования являются нормальными (или близки к ним) для эксплуатации серий АД общепромышленного назначения (25%).

Проведенные исследования показывают, что более 50 % электродвигателей работают в условиях окружающей среды, параметры которой значительно отличаются от нормированных по ГОСТ 183-74[1]. Надежность электродвигателя, заложенная при проектировании, "расходуется" с момента начала его эксплуатации. В общем случае средний срок службы АД составляет 20000 часов (5 лет) и колеблется в зависимости от области применения. В сельском хозяйстве срок службы электродвигателей значительно меньше. Уровень надежности АД, в конечном счете, определяется вероятностью появления неисправностей, главным образом, в обмотке и подшипниках, отрицательно влияющих на его работоспособность. При проявлении определенных неисправностей наступает отказ - событие, после которого двигатель полностью или частично перестает функционировать. На протяжении срока службы АД вероятность появления отказа неодинакова. Так, например, начальный период эксплуатации, в течение которого интенсивность отказов электродвигателей со временем уменьшается, получил название периода приработки. В начале периода приработки отказы являются, как правило, следствием дефектов конструкции, технологии производства, эксплуатацион-

но-технической документации, ошибок обслуживающего персонала и т.д. В период нормальной эксплуатации, при условии использования АД по назначению и обеспечения нормированных параметров окружающей среды, вероятность отказа минимальна. Третий период - старение технического изделия - является закономерным и неизбежным процессом. Он связан, прежде всего, с утратой диэлектрических и других свойств изоляции обмоток и износом подшипников.

Чтобы сохранить длительное время работоспособность электродвигателя, необходимо проводить специальные мероприятия, связанные с поддержанием технических и эксплуатационных характеристик в пределах, необходимых для безотказной работы. В комплекс мероприятий по техническому обслуживанию входят: диагностика, контроль технического состояния, предупредительный ремонт, а также поиск дефектов, образовавшихся в результате отказа.

В таблице представлены процентные соотношения основных отказов электродвигателей. На рисунке приведена диаграмма распределения отказов с указанием причин их возникновения.

Процентные соотношения основных отказов АД

1 Повреждение обмотки статора 70-80%

2 Повреждение ротора 5-0%

3 Повреждение подшипников 5-10%

Аналогичные результаты можно встретить и в других источниках, где процент отказов по различным причинам повреждения обмотки колеблется от 60 до 97% [2]. Большой процентный разброс объясняется тем, что электродвигатели эксплуатируются в различных климатических зонах с повышенной или пониженной влажностью воздуха. В результате повреждений изоляции и возникновения коротких замыканий в обмотке выходит из строя до 80% электродвигателей. Неполнофазные режимы ведут к повреждению изоляции обмотки в результате перегрева, а их доля в общем количестве отказов составляет 40%.

Распределение причин отказов АД:

1 - замыкания в результате увлажнения; 2 - обрыв фазы; 3 - длительные перегрузки; 4 - заклинивание; 5 - перегрев; 6 - разрушение подшипников; 7 - прочие причины

Неполнофазный режим (потеря фазы) возникает в случае перегорания одного из предохранителей, обрыва провода питающей сети, нарушения контактных соединений. При этом происходит перераспределение токов и напряжений электродвигателя, которое приводит к его отказу. В зависимости от схемы обмоток, степени загрузки и места обрыва фазы может наступить остановка ротора электродвигателя, или же он будет продолжать работать, но по его обмотке будут протекать повышенные токи. Особенно чувствительны к неполнофазным режимам электродвигатели малой и средней мощности. Если для двигателей мощностью более 20 кВт опасность разрушения обмотки статора возникает при загрузке более 50%, то для двигателей меньшей мощности - начиная с нагрузки 25% [3].

Проведенный анализ технических неисправностей АД в сельскохозяйственном производстве позволит выделить основные диагностические параметры и разработать методы идентификации неисправностей в процессе технической эксплуатации.

Литература

1. Сташко, В.И. Диагностика изоляции электродвигателей в сельском хозяйстве на основе использования метода волновых затухающих колебаний в обмотке: автореф. дис. ... канд. техн. наук / В.И. Сташко. -Барнаул, 1998. - 32 с.

2. Овчаров, В.В. Эксплуатационные режимы работы и непрерывная диагностика электрических машин в сельскохозяйственном производстве / В.В. Овчаров. - Киев: Изд-во УСХА, 1990. - 168 с.

3. Гольдберг, О.Д. Проектирование электрических машин: учеб. / О.Д. Гольдберг - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2001. - 430 с.

УДК 621.327 П.П. Долгих, Я.А. Кунгс, М.А. Михайлов

ИНВЕРТОРЫ С ИНДУКТИВНО-ЕМКОСТНЫМ БАЛЛАСТОМ

В статье приводится методика расчета электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА). Для приближенного расчета системы «ЭПРА - лампа» используется метод гармонического анализа. Приведена эквивалентная схема инвертора, дан математический анализ ее характеристик.

Для приближенного расчета системы «ЭПРА - лампа» используется метод гармонического анализа. При этом лампа в квазиустановившемся режиме заменяется эквивалентным резистором, что является вполне допустимым.

Эквивалентная схема электронный балласт-лампа для приближенных расчетов имеет вид, представленный на рис. 1. Инвертор представлен генератором переменного прямоугольного напряжения в(ї) с амплитудой Е=0,5и (и - напряжение на входе инвертора). Лампа заменена резистором К подключенным к генератору через разделительный конденсатор Ср и токоограничивающий реактор і С - пусковой конденсатор.

Как в случае с индуктивным балластом, для расчета воспользуемся методом гармонического анализа. Для приближенного расчета анализ схемы можно провести для первой гармоники (ш=ш1) [2].

Рис. 1. Эквивалентная схема инвертора с индуктивно-емкостным балластом

для угла сдвига между напряжением генератора Е

Анализ схемы приводит к следующим выражениям: Для передаточной характеристики:

*0'ю) =

илЦ<»)

Ей со)

1-

йГ

_ _ч_

О),

о У

Г л \

V СОо А ~ У

б.

(О

со,

о

со

\С°о У

б

2

2