Надежность оборудования
ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТАЛЕЙ
IX. КОНСТРУКТИВНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ НАДЕЖНОСТИ
Б. Н. ВАНЕЕВ, канд. техн. наук (УкрНИИВЭ)
Учет надежности при оптимальном проектировании. Проблема учета надежности электрических машин при их оптимальном проектировании поставлена еще в 1946 г. В, А. Трапезниковым и Ю. С. Чечетом, причем уже в 1961 г. Н. А. Тищенко предложены - приемлемые выражения для критерия оптимизации по минимуму приведенных затрат. Из современной методики расчета таких затрат следует, что показателями надежности, учитываемыми в расчете оптимального варианта асинхронного двигателя (АД), являются средняя наработка на отказ Т0 и средний ресурс до первого капремонта Тр . Ресурс Тp рассчитывается в зависимости от параметров распределения пробивных напряжений Unp витковой, корпусной и межфазной изоляцией, волнового сопротивления обмотки, ее температуры Q в номинальном режиме и ряда других параметров по методике, приведенной в[1, 2].
Во взрывозащищенных АД наиболее аварийна обмотка их статора, доля отказов которой составляет в среднем: для всыпных обмоток - 0,88; для низковольтных с жесткими катушками - 0,66; для высоковольтных с жесткими катушками 0,58. Поэтому средняя наработка на отказ АД может быть рассчитана по формуле:
Т0= Tр(dk) 1/b, (1)
где Tр - средний ресурс АД, принимаемый равным средней наработке на отказ обмотки статора;
dk - доля отказов обмотки статора;
b - параметр формы распределения Вейбулла-Гнеденко.
Для определения зависимости параметров распределения Unp изоляции от конструктивных факторов АД было спланировано и проведено пять активных многофакторних экспериментов (АМФЭ) на макетах статоров, изготовленных на заводе "Электромаш" (Тирасполь), Новокаховском электромашзаводе (НКЭМЗ), НПО "Кузбассэлектромотор" (КЭМ, Кемерово), Опытно-экспериментальном заводе УкрНИИВЭ (Донецк) и Первомайском электромеханическом заводе им. К. Маркса (ПЭМЗ).
Наименование исследуемых факторов, их основные уровни Фi и интервалы варьирования dФi приведены в таблице (здесь l1- средняя длина сердечника статора для АД данной высоты оси вращения ВОВ). Все АМФЭ проводились по полному факторному плану или по его полуреплике. Откликами принято Удр элементов корпусной и витковой изоляции макетов при испытании в трансформаторном масле [З]. Данные обрабатывались на ЭВМ по программе, разработанной в соответствии с изданием [4].
По полученным в результате АМФЭ формулам определяют параметры распределения Uпр отдельных элементов витковой и корпусной изоляций статорной обмотки (пар витков, пазовых коробочек, катушек). Затем их приводят к условиям работы элементов изоляции в обмотке статора, учитывая изменение при повышении Q до номинальной, при старении изоляции в процессе эксплуатации и при переходе от отдельных элементов ко всей обмотке в целом; в итоге находят Tр [З].
| Условное обозначение фактора | Наименование фактора | Фi | dФi |
|---|
| Для низковольтных АД (со всыпн бмотками) типа B7I, В90 и В160 |
|---|
| Х1 | Длина сердечника статора, см | l1 |
|---|
0,75
| | Х2 | Величина, обратная числу полюсов | 0.375 |
|---|
0,125
| | Х3 | Диаметр медной проволоки, см | 0.088 |
|---|
0,047
| | Х4 | Односторонняя толщина пазовой изоляции, см | 0.04 |
|---|
0,01
| | Х5 | Коэффициент заполнения паза | 0.720 |
|---|
0,080
| | Х6 | Число элементарных проводников в одном эффективном, шт. | 1.5 |
|---|
0,5
| | Для низковольтных АД (с жесткими катушками) типа ВА0.315 |
|---|
| Х1 | Длина сердечника статора, см | l1 |
|---|
3.75
| | Х4 | Двухсторонняя толщина пазовой изоляции, см | 0.183 |
|---|
0,017
| | Х7 | Высота меди провода, см | 0.318 |
|---|
0,035
| | Х8 | Толщина прокладки между витками, см | 0.015 |
|---|
0,005
| | Для высоковольтных АД типа АВД 740 |
|---|
| Х1 | Длина сердечника статора, см | l1 |
|---|
12.5
| | Х2 | Двухсторонняя толщина пазовой изоляции, см | 0.472 |
|---|
0,052
| | Х7 | Высота меди провода, см | 0.197 |
|---|
0,038
| | Х9 | Толщина витковой изоляции провода, см | 0.13 |
|---|
0,02
|
Поскольку Тр обмотки статора уменьшается в 2 раза при повышении Q на каждые 8,6-10,8 С в зависимости от класса нагревостойкости электроизоляционной конструкции (ЭИК), то при поиске оптимального варианта ЭВМ увеличивает Тр и уменьшает превышение Q обмотки статора до тех пор, пока другие показатели, например коэффициент заполнения паза, не достигнут предельно допустимых значений, что в ряде случаев приводит к нежелательным последствиям. Поэтому на Тр было введено двухстороннее ограничение, равное, например, для всыпных обмоток:
1.15Tpn<=Tp'<=1.27Tpn
где Т1р- лимитируемое значение среднего ресурса АД;
Tрн - нормированное требование к среднему ресурсу АД.
Ранее в УкрНИИВЭ были разработаны методы расчета АД с оптимизацией только активных частей и затем дополнительно - с оптимизацией системы охлаждения [5]. Для проверки методик и оценки экономической эффективности АД. рассчитываемых по каждой из них, проведены поисковые расчеты 42 типоразмеров АД мощностью от 1,1 до 1000 кВт (без учета ущерба потребителя от отказов Су).
Таким образом, при учете надежности экономический эффект увеличивается в 1,9-4,1 раза по мере роста числа принимаемых во внимание при оптимизации параметров АД [б]. Учет Су позволит достичь нового повышения расчетного Энх. Дополнительный эффект может быть выявлен в том случае, если критерием оптимизации принять интегральный показатель качества по рекомендациям [7], т. е. приведенные затраты, деленные на комплексный показатель качества, рассчитанный по формуле средневзвешенной арифметической по шести основным параметрам технического уровня [8] с учетом их весомостей.
Повышение конструктивной надежности низковольтных двигателей. Низковольтные взрывозащищенные АД с короткозамкнутым ротором с ВОВ 63-355 мм в странах СНГ выпускаются в основном четырьмя заводами. На них в течение 60-8O-x годов были освоены шесть серий: BAO, BA02, В(ВР), 2В(2ВР), АИМ(АИУ) и ВАОЗ. Электрическая часть АД, особенно обмотка статора, - наиболее уязвимая сборочная единица, поэтому повышению ее надежности уделяется наибольшее внимание.
Конструктивные меры по обеспечению надежности обмоток статора АД, разработанные и внедренные УкрНИИВЭ и заводами-изготовителями еще с середины 60-х до начала 80-х годов, приведены в [1. 2]. Исходя из обратной зависимости Тр ЭИК от Q , одним из наиболее эффективных мероприятий по росту Тр было снижение превышения Q активных частей АД (предельные значения Q регламентированы ГОСТ 183-74). Основными конструктивными мерами по снижению Q являются:
- уменьшение электрических и механических потерь в АД, т. е. повышение его КПД и cos y;
- снижение скорости нарастания Q обмоток статора и ротора в режиме короткого замыкания (КЗ);
- увеличение теплоотвода от активных частей путем улучшения контакта между сердечником статора и станиной, применения эффективных систем охлаждения (внутренняя циркуляция воздуха, наружный обдув, ребра охлаждения на поверхности станины, водяное охлаждение, заполнение полости статора диэлектрической жидкостью) и более теплопроводных ЭИК.
Для АД привода конкретных горных машин (угольных и проходческих комбайнов, скребковых конвейеров и т. д.). нередко превышение Q устанавливается на один класс нагревостойкости изоляции ниже. Благодаря этому ЭИК получает дополнительный запас по Q в 20-25°С, что равносильно увеличению ее Тр в 4-5 раз. Для АД общего применения (для серий с полным рядом ВОВ) такой метод не используется, так как у них превышение q рассчитывается в ходе поиска оптимального варианта. Результат оптимального проектирования АД существенно зависит от применяемой ЭИК, т. е. исходного уровня ее параметров распределения Uпр и особенно скорости их регрессии. Поэтому для повышения надежности АД важен поиск таких ЭИК обмотки статора, надежность которых подтверждена испытаниями.
Анализ испытаний на надежность 56 выборок АД общим объемом 520 образцов, проведенных в 1983-1989 гг. в УкрНИИВЭ, НИИ КЭМ. Отделении УкрНИИВЭ на НКЭМЗ и СКБ "Электромаш" А. В. Брылевым, В. И. Буслюком, В. Д. Главным, В. М. Гостищевым, Е. Ф. Захарчуком, А. Г. Ручкиным и автором, позволил прийти к следующим выводам.
Обмотка статора АД типа В, ВР63-80 (провод ПЭТ-155 или ПЭТМ-155; пазовая изоляция ПЭТФ-0.19;
пазовый клин ПЭТФ-0,23; межфазные прокладки из плен-коэлектрокартона или пленкосинтокартона 0,3 мм; намотка механизированная с раздельной укладкой; пропитка компаундом КП-34 или КП-50 на установке ПОС-2-2) обеспечивает Тр не менее 57 тыс. ч и рекомендуется для перспективных серий.
Серийная ЭИК обмотки статора АД типа АИМ, АИУ 90-100 (провод ПЭТМ-155; намотка механизированная; бандажировка шнур-чулком АСЭЧ(Б)3,5 или полиэфирной нитью 9/3/3; пазовая изоляция из полиэти-лентерефталата ПЭТ-3-250 или пленкосинтокартона ПСК-А-125 с пленкой ПЭТФ; пазовый клин ПЭТ-3-350;
межфазная изоляция пленколакоткань ЛСЭ; пропитка лаком МЛ-92 на установке AVB-1) обеспечивает Тр не менее 53 тыс. ч и также перспективна. При изготовлении АД с ВОВ 90-132 мм на напряжение 1140 В предлагается другая ЭИК обмотки статора: провод ПЭТ-200;
пазовая изоляция имидофлекс-3; пропитка лаком КО-916К (при методе окунания - двукратно); покрытие лобовых частей лаком КО-935.
Большое беспокойство за надежность вызывали АД типа 4ВР225М4 со всыпными обмотками статора мощностью 45 кВт для скребковых конвейеров. На НКЭМЗ оптимизировали их конструкцию: повысили мощность до 55 кВт; вместо провода марки ПЭТ-155 применили ПЭТД-180 с двойным эмалевым слоем; установили съемную коробку выводов и ребра охлаждения на станине;
выполнили изоляторы из пресс-материала ПСК-5РМ, изоляцию из лакостеклослюдопласта ГИП-ЛСП-ПЛ. бандажировку лобовых частей каждой катушки --из стеклоленты; намотка и укладка ручная. Витковую изоляцию испытывали импульсным напряжением от аппарата БИВИ, разработанного ВНИИТэлектромашем (Харьков);
пропитка лаком УР-9144 или компаундом КП-50 - на установке AVB-1 или AVB-15T двукратно.
Двигатели получили обозначение АИУМ225М4. Их можно использовать для приводов горных машин с облегченными условиями работы. Для привода скребковых конвейеров разработана более надежная ЭИК с жесткими катушками из проводов марки ПСДК со стеклово-локнистой изоляцией. Дальнейшее увеличение надежности АИУМ225М4 ожидается в случае применения плоского обмоточного провода ППИПК с эмалевой изоляцией класса нагревостойкости С, позволяющей увеличить 7р еще в 1,4 раза.
Для АД с ВОВ 160-225 мм целесообразно повысить их надежность таким образом: при переходе на механизированную намотку обмоточные провода ПЭТ-200 заменять проводами с механически более прочной эмалевой изоляцией; в качестве пазовой изоляции применять имидофлекс 3-0,2 мм или аривсан-0,37 (пленкосинтокартон ПСК-А-0.4 менее желателен); перейти на жесткие катушки вместо всыпной обмотки, что увеличит Тр обмотки (в реверсах) в 2,3 раза; пропитывать обмотки на установке AVB-1 лаком КО-916К с регламентированным разбавлением его растворителем; использовать капсулирование лобовых частей всыпных обмоток компаундами на основе эпоксидной смолы ЭД-20 (23% по массе), пылевидного кварцевого песка ПКП (57,4%), отвердителя метилтетрагидрофталевого (16,1%), пластификатора полиэфирного (3,4%), ускорителя диметиламилина (0,03%). которое увеличивает Тр в 2-3 раза; для пайки контактных соединений в обмотках допускается использовать бессеребряный припой ПДОл5п7.
Серийная ЭИК обмотки статора АД типа 2ЭДКОФ250 для скребковых конвейеров (провод ПСДКЛ; межвитко-вая прокладка из стеклоткани ЛСК; гильзовая корпусная изоляция из стекломикаленты ЛФК-ТТ, пропитка в лаке КО-916К окунанием), выпускаемых ПЭМЗ, обеспечивает Тр. обмотки статора в режиме 84 более 6000 ч (в режиме S1 более 18 000 ч) и рациональна для применения в перспективной серии АД с жесткими катушками. Для них предлагаются такие варианты ЭИК:
- провод ПЭТП-200;
- пазовая коробочка из пленкосинтокартона ПСК-ЛЛ-0.3;
- пропиточный лак ПЭ-933; пропитка окунанием двукратно;
- провод ПЭТП-200;
- корпусная изоляция из ленты полиимидной Л-ПИК-7;
- пропиточный лак KO-9J6K;
- пропитка окунанием двукратно;
- покрытие лобовых частей лаком КО-935;
- различные варианты конструкции с проводом марки ППИПК.
Для АД с ВОВ 250-355 мм этого же завода рекомендуется одна из следующих ЭИК обмотки статора, гарантирующих Тр более 48 тыс. ч при ВОВ 250 мм и более 38 тыс. ч (до 50 тыс. ч) при 280 мм и выше - провод ПСДЛ или ПСД, непрерывная изоляция из ленты ЛCТ 0,13х20 (или ЛСТ 0,14х20 или ЛС-ЭН-526Т-ОЛ5):
- в три слоя вполнахлеста и стеклоленты ЛС 0.1 один слой встык, пропитка в лаке ПЭ-933;
- непрерывная изоляция из ЛСТ накладывается в один слой, используется пазовая коробочка из пленкосинтокартона ПСК-ЛП-0,3:
- на пазовую часть катушки накладывается гильзовая изоляция из ЛСТ в три с половиной слоя, а на лобовую - непрерывная изоляция из той же ленты в два слоя вполнахлеста.
Перечисленные рекомендации действительны при условии сохранения в будущих сериях АД превышения температуры обмоток статора на том же уровне, что и для существующих серий. Если этот параметр изменится, то Тр должен быть пересчитан.
В обмотке статора с жесткими катушками обязательна установка стеклотекстолитовых межкатушечных прокладок толщиной 0,5-1 мм, выступающих из паза внутрь лобовых частей на расстояние до места пересечения двух сторон катушек для предохранения их от перетирания одна о другую при частых пусках (в режиме S4 и т. п.).
Для АД с ВОВ 112 мм и более применяется встроенная температурная защита статорных обмоток с помощью реле ДТР-212, которые наклеиваются эпоксидной смолой непосредственно на лобовые части обмотки. Защита отключает АД при аварийных режимах и предохраняет обмотку от повреждения высокой температурой и токами КЗ. Поэтому контроль за правильным подключением ДТР - важное средство обеспечения надежности АД при эксплуатации.
В механической части АД наибольшее число отказов приходится на подшипниковые узлы. Для АД с ВОВ до 250 мм наиболее перспективны закрытые подшипники с постоянно заложенной смазкой серий 180200 и 180300, имеющие 90%-ный ресурс, что позволяет значительно упростить конструкцию узла и дает на АД с ВОВ 90-132 мм примерно по 8 кг экономии черных металлов на один образец.
Детали станины, коробки выводов и системы охлаждения АД нередко повреждаются в подземных условиях работы при падении на них кусков угля, руды или породы, при транспортировке волоком по выработке или погрузке-разгрузке "навалом". Доля повреждений зависит от марки материала, из которого изготовлены эти детали. По данным А. И. Сырцова, В. Н. Назаренко и А. А. Широбокова. замена серого чугуна сталью и затем высокопрочным чугуном привела к уменьшению доли подобных повреждений в среднем в 2,65 раза, а по отдельным видам повреждений - от 2.1 до 18,2 раза.
Литература
1. Надежность взрывозащищенного и рудничного электрооборудования / А. И. Быков, Б. Н. Ванеев, В. Д. Главный и др.- М.: Недра, 1979.
2. Надежность асинхронных электродвигателей / Б. Н. Ванеев, В. Д. Главный, В. М. Гостищев, Л. И. Сердюк.-К.: Техшка, 1983.
3. Влияние конструктивных параметров электродвигателей на пробивное напряжение изоляции обмотки статора / Б. Н. Ванеев. В. Ф. Горягин, В. М. Гостищев и др. // Взрывозащищенное электрооборудование (разработка и исследования) / ВНИИВЭ.-Донецк, 1980.
4. Налимов В. В., Чернова Н. А. Статистическое планирование экстремальных экспериментов.- М.: Наука, 1965.
5. Горягин В. Ф., Фиготина М. И., Акулыиина Л. И. Развитие метода оптимального проектирования взрыво-защищенных электродвигателей с учетом элементов системы охлаждения / / Разработка и исследования взрывозащищенного электрооборудования / ВНИИВЭ.- Донецк. 1981.
6. Ванеев Б. Н., Горягин В. Ф. Учет надежности при оптимальном проектирования взрывозащищенных асинхронных электродвигателей // Электротехника.- 1990.- № 9.
7. Ванеев Б. Н. Метод оценки качества взрывозащищенных электродвигателей // Электротехника.-1973.-№ 7.
8. Горягин В. Ф., Зинченко С. Д., Савин Б. В., Шорубалко Л. В. Прогнозирование изменения параметров асинхронных взрывонепроницаемых двигателей // Электротехника.- 1978.- № 4.
© Ванеев Б. Н. 1999
ВОЗВРАТ