The reliability analysis of electric motors used in modern electric drives

Burkov Aleksei Fedorovich Doctor of Technical Science Professor at the Department of Marine Energetics and Automatics of the Far Eastern Federal University  690950, Russia, Vladivostok, ul. Sukhanova, 8 burkov.22@mail.ru Kataev Evgenii Viktorovich Teaching Assistant at the Department of Marine Energetics and Automatics of the Far Eastern Federal University  690091, Russia, Vladivostok, ul. Sukhanova, 8 snike80@mail.ru Kuvshinov Gennadii Evgrafovich Doctor of Technical Science Professor at the Department of Marine Energetics and Automatics of the Far Eastern Federal University  690950, Russia, Vladivostok, ul. Sukhanova, 8 kuvshinov_gennady@mail.ru

Chupina Kira Vladimirovna PhD in Technical Science Associate Professor at the Department of Marine Energetics and Automatics of the Far Eastern Federal University 690095, Russia, Vladivostok, ul. Sukhanova, 8 chupina.kv@dvfu.ru

Надёжность является наиболее важным технико-экономическим показателем качества работы ЭД. Она, при прочих равных условиях, зависит от конструктивных особенностей ЭД, их режимов и условий эксплуатационных испытаний.

Для ЭП, как технических объектов, являющихся электромеханическими системами, представляются актуальными мониторинг, анализ и повышение их надёжности на стадии потребления «жизненного цикла» ^[1].

Несмотря на почти повсеместное применение асинхронных двигателей, ЭП постоянного тока продолжает применяться там, где требуется широкое плавное регулирование скорости вращения, высокие перегрузочные, пусковые и тормозные моменты.

Наиболее частой причиной отказов двигателей постоянного тока является неисправность коллекторно-щёточного узла. Износ коллектора имеет сложную природу и обусловлен влиянием ряда эксплуатационных факторов. Большое влияние на износ коллектора оказывает состояние политуры, характер коммутационного процесса, наличие подгара на коллекторе.

На надёжность коллекторно-щёточного узла существенно влияет износ щёток. Срок их службы зависит от физико-химических свойств, плотности тока под щётками и характерных особенностей процесса коммутации.

Коммутационная надёжность электрических машин зависит от правильной геометрии коллектора. Коллектор из-за воздействия технологических и эксплуатационных факторов изменяет форму своей поверхности. В процессе обработки и изготовления коллектора возникают технологические отклонения, обуславливающие такие дефекты, как эксцентричность, овальность, бой (в отдельных точках поверхности), которые прогрессируют в условиях эксплуатации под действием динамических и электромагнитных сил, а также в результате ослабления затяжки шпилек коллектора, усадки изоляции.

В целях устранения возникшей неисправности коллектор подвергается обточке, тщательной шлифовке и полировке до нужной чистоты.

К факторам, влияющим на износ коллекторов, относятся: давление щёток на коллектор, материал коллектора и щёток, их вибрация и биение коллектора, высокая скорость вращения и др.

Высокие температуры контактных поверхностей и нарушение постоянства контактов между коллектором и щётками вызывают дополнительное искрение и обгорание щёток и коллекторных пластин.

Износ коллектора зависит также и от химических факторов, к которым относятся: образование контактной плёнки на поверхности коллектора, состав и влажность окружающего воздуха, наличие активных газов и др. Наличие плёнки на поверхности коллектора снижает скорость его износа и способствует более благоприятному распределению тока под щётками. На износ коллектора оказывают влияние плотность тока под щётками, сопротивление переходных контактов щёток и коллектора, нарушение коммутации машины.

При вращении коллектора площади прилегания щёток изменяются. Это приводит к перемещению точечных контактов поверхностей щёток с коллектором с образованием в них чрезмерных плотностей токов и высоких местных нагревов. Размыкание и замыкание контактных точек на поверхности коллектора с образованием малых электрических дуг приводит к разрушению поверхности. Этот же процесс вызывает значительные изменения переходного сопротивления контактов щёток. На значение этого сопротивления большое влияние оказывают влажность  воздуха,  состояние контактной плёнки, скорость вращения коллектора.

Статистические данные показывают, что при правильной эксплуатации износ коллекторов при непрерывной работе машин составляет 0,1 – 2,0 мм в год.

Старение и разрушение изоляции в электрических машинах происходит под влиянием тепловых и механических воздействий, что приводит к повреждениям обмоток якорей машин постоянного тока в виде пробоя корпусной изоляции между обмоткой и пакетом стали якоря, межвитковым замыканиям. Кроме того наблюдаются распайки соединительных петушков коллекторных пластин с обмоткой, разрушения проволочных бандажей и др.

Важной механической частью машины постоянного тока является щёточная траверса с комплектами щёток. Повреждения щёточной траверсы проявляются в виде поломки кольца траверсы, расстройства регулировки положения щёткодержателей на пальцах траверсы, повреждения деталей щёточного узла.

Для повышения надёжности машин постоянного тока особое внимание обращается на улучшение конструкции и условий работы коллектора и щёточного узла. Важнейшим фактором, способствующим повышению надёжности работы коллектора, является тщательно разработанная технология его изготовления.

В целях увеличения надёжности скользящих контактов за счёт снижения износа электрощёток на коллекторе, в их углеродистые материалы при изготовлении вводится небольшое количество (2…4% от общей массы) фторопласта, а также применяют щётки с пропитывающими веществами ^[2].

Всех вышеуказанных недостатков машин постоянного тока лишены бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ). Отличие БДПТ от коллекторных двигателей традиционной конструкции состоит в том, что у них щёточно-коллекторный узел заменён полупроводниковым коммутатором (инвертором), управляемым сигналами, поступающими с бесконтактного датчика положения ротора. Рабочая обмотка двигателя расположена на сердечнике статора, а постоянный магнит — на роторе ^[5].

Трёхфазные асинхронные двигатели являются наиболее массовой продукцией электромашиностроения, однако их надёжность недостаточна. Основным видом отказа электродвигателей является повреждение его обмотки, что для электродвигателей со всыпной обмоткой требует капитального ремонта. В среднем в течение года капитальному ремонту подвергается около 20% установленных асинхронных двигателей.

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 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.

С точки зрения надёжности, обмотку асинхронных двигателей можно рассматривать как систему, состоящую из последовательно соединённых элементов. Такими элементами являются пары соседних проводников, композиция пазовой изоляции и композиция межфазной изоляции в лобовых частях обмотки. При двухслойной обмотке должна быть также учтена надёжность изоляции между секциями. Поскольку отказ любого перечисленного элемента приводит к отказу всей системы (обмотки), то надёжность обмотки (вероятность безотказной работы) может быть определена согласно теореме умножения вероятностей по формуле

                     ,                 (1)

где  – надёжность межвитковой изоляции пары проводников;   – надёжность композиции пазовой изоляции в одном пазу;  – надёжность композиции межфазной изоляции в лобовой части обмотки (одной межфазной прокладки);  – надёжность композиции межсекционной изоляции в пазу (при двухслойной обмотке).

В формуле (1) не все сомножители равноценны. Наименьшее значение имеет первый сомножитель , который в основном и определяет надёжность обмотки. Это обусловлено двумя факторами: относительно низкой надёжностью межвитковой изоляции и значительным числом пар проводников в асинхронных двигателях (n = 102…103). Надёжность композиции пазовой межфазной и межсекционной изоляций достаточно высокая.

Эта теория подтверждается материалами изучения опыта эксплуатации асинхронных двигателей. Отказы по характеру повреждения обмоток распределяются следующим образом: межвитковые замыкания – 93%, повреждение и пробои пазовой изоляции – 2%, пробои межфазной изоляции – 5%.

Иногда отказы происходят вследствие задевания ротора о статор из-за значительной неравномерности воздушного зазора, что приводит к недопустимым местным перегревам обмоток и витковым замыканиям.

Характерными повреждениями для обмотки ротора асинхронных короткозамкнутых двигателей являются трещины и обрывы стержней обмотки ротора в месте их входа в короткозамыкающие кольца. Обрывы стержней свидетельствуют о значительных динамических силах, действующих на ротор при пусках и переключениях частоты вращения ^[2].

Большей надёжностью обладают переключаемые реактивные двигатели (ПРД), которые в иностранной литературе  называют «Switched Reluctance Machines», а в отечественной, чаще всего, вентильно-индукторными, питаются от источника постоянного тока и снабжены коммутатором, переключающим обмотки статора. Статор и ротор выполнены из листовой магнито-мягкой стали. Ротор ПРД не имеет ни обмоток, ни постоянных магнитов. Обмотка каждой фазы статора состоит из надетых на противоположные полюсы двух последовательно соединённых катушек. Благодаря такой конструкции, при выходе из строя одной из катушек нет необходимости в перемотке всего двигателя. ^{[3, 4]}

Рассмотрев основные неисправности различных типов двигателей, можно сделать вывод, что наибольшей надёжностью обладают БДПТ и ПРД. Тем не менее, наиболее перспективным является ПРД, поскольку у них отсутствует постоянный магнит на роторе, что существенно снижает его стоимость. Кроме того, в схеме электропривода с БДПТ обязательным является наличие датчика положения ротора, надёжность которого недостаточно высока, в то время как существуют векторные системы управления ПРД без датчика положения ротора.