Повысить надежность асинхронных двигателей

[Admin]

Повысить надежность асинхронных двигателей

Для привода вспомогательных машин первых отечественных электровозов переменного тока использовали двигатели общепромышленного и специального назначения Электрические машины типов АС и АП имели улучшенные пусковые характеристики. Поэтому их применили для привода главных компрессоров (АС) и вентиляторов (АП) электровозов серии ВЛ60. Высокая надежность определялась запасом прочности

Первой трехфазной асинхронной машиной, разработанной в тяговом исполнении, т.е. специально для электровозов типа ВЛ80, был двигатель АЭ-92-402. При его разработке учли условия эксплуатации на электроподвижном составе. Однако кратность пускового тока у двигателя типа АЭ увеличилась с 5,5 до 7 6 по сравнению с двигателями типа АС и АП Это сделали, чтобы улучшить пусковые характеристики (кратность пускового момента увеличилась с 1,8 до 4, кратность максимального момента — с 2,2 до 4).

В начале 80-х годов специально для электрической тяги создали трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором AH3-225L4 УХЛ2 На этой машине были резко повышены технические требования по сравнению с двигателями АЭ-92-402. В частности, был увеличен нижний предел допустимой температуры окружающего воздуха (с 50 до 60 °С), снижена мощность на единицу массы

В конце 90-х годов на Владимирском электромоторном заводе приступили к изготовлению двигателей типа AH3-225L4 с улучшенными технико-экономическими и технологическими показателями Кратность пускового тока была снижена с 7 7 до 7,5 кратность максимального момента повышена с 4 до 4 8 а пускового момента — с 4 до 4,6. Последняя модернизация двигателей АНЭ-225 была проведена в соответствии с пожеланиями эксплуатационников повысить их надежность

Однако напряжение в контактной сети изменяется в широком диапазоне что существенно влияет на работу асинхронного двигателя Кроме того для подвижного состава переменного тока качество питающего напряжения ухудшается процессами, происходящими в силовых и вспомогательных цепях электровозов в зависимости от режимов их работы

Поэтому пределы изменения напряжения на обмотке трансформатора, от которой через фазорасщепитель питаются двигатели, оказываются больше, чем на токоприемнике. Например, напряжения питания асинхронных двигателей в результате воздействия указанных факторов колеблется от +22 до -39 % номинального в то время как согласно стандарту допустимые изменения +16 . -24 %. Из-за этого условия работы трехфазных асинхронных двигателей в приводе вспомогательных механизмов отличаются от нормальных

Питающее напряжение в системе «источник питания — асинхронный электропривод — вспомогательные машины» может находиться в пределах от +13 до 27 %, несимметрия фазных напряжений достигает 10 % при максимальном напряжении и 5 % при минимальном. Поскольку в эксплуатации колебания напряжения значительно выходят за рам ки регламентируемых величин, наступает рассогласование в системе «источник питания — асинхронный привод», и элементы системы выходят из строя. При изменении напряжения в сети кратности пускового и максимального моментов изменяются пропорционально квадрату напряжения, а кратность пускового тока — пропорционально напряжению в первой степени.

Статистические данные о надежности оборудования электровозов переменного тока на Восточно-Сибирской дороге свидетельствуют, что отказы асинхронных двигателей (АД) достигают 21,3 %. Например на локомотивах ВЛ85, которые выполняют большую часть работы в грузовом движении, отказы АД распределились следующим образом: 82 % — неисправности трехфазных асинхронных двигателей АНЭ привода компрессоров КТб-Эл, около 14,4 % — повреждения двигателей приводов 1 2 и 3-го вентиляторов, 2,8 % — отказы двигателей 4 5-го вентиляторов и расщепителей фаз (также АНЭ-225), 1,2 % — отказы других АД. Из этих повреждений 66,7 % приходится на обмотки статоров, 22,2 % вызваны выплавлением или обрывом стержней роторов, 11,1 % — прочими причинами (в основном, повреждениями подшипниковых узлов).

Более низкая надежность асинхронных двигателей локомотивов по сравнению с сетевой, а также увеличенное число отказов АД привода КТб-Эл электровозов ВЛ85 потребовала тщательного анализа их работы. Для этого были проведены испытания асинхронных машин одного из локомотивов ВЛ85 на тракционных путях ПТОЛ «Запад» депо Иркутск-Сортировочный и на перегонах Выдрино — Кедровая — Переёмная, где наблюдаются провалы напряжения в контактной сети ниже стандартных значений. Кроме этого, выполнили стендовые эксперименты и проанализировали значительное число отказов асинхронных двигателей.

Так, на электровозах ВЛ85 повышены частота вращения компрессора КТб-Эл (с 440 до 560 об/мин), производительность (с 2,75 до 3,5 м3/мин). Это привело к увеличению входной мощности приводных двигателей компрессоров с 22,8 (электровозы ВЛ80) до 30 кВт (ВЛ85) В 70. 75 % случаев движения поездов на перегонах с консольным питанием отмечалось снижение напряжения сети менее 21 кВ. В отдельных случаях напряжение уменьшалось до 14 кВ.

При этом наблюдались.

- чрезмерная неравномерность фазных напряжений и токов АД, вызывающая перегревы двух фаз статорной обмотки и преждевременное старение их изоляции;

- повышенное скольжение, приводящее к резкому увеличению температуры роторов, их валов и подшипников. Последнее вызывает интенсивное изменение свойств смазки повреждение поверхности качения подшипников, сепараторов заедание и заклинивание подшипников и выплавление роторов

- затяжные (до 7... 10 с и более) пуски мотор-компрессоров (МК), приводящие к аналогичным последствиям

Кроме того на локомотиве не контролируется давление масла, подводимое к подшипникам компрессоров Отмечены также случаи, когда из-за повреждения масляного насоса или вращения двигателя в обратном направлении (смена фаз приводного АНЭ-225) компрессор КТб-Эл работает при сухом трении в баббитовых подшипниках. При этом существенно увеличивается момент сопротивления вращению, повышается температура статора и ротора резко возрастает износ трущихся элементов.

В зимний период компрессоры зачастую работают при температуре масла существенно меньше допустимой (-15 °С) из-за неисправности или пониженной мощности нагревателей. Нередко в редукторах используют масло с температурой замерзания -25 °С вместо -40 °С по стандарту. В обоих случаях резко увеличивается момент сопротивления вращению мотор-компрессора. Отмечены обрывы цепей питания или повреждения разгрузочных клапанов, что также повышает момент сопротивления вращению двигателя при пуске.

Выявлено завышение входной мощности мотор-вентиляторов МВ1... МВЗ из-за нарушений регулирования вентиляции электровозов. При расчетной входной мощности 32,5 кВт, соответствующей номинальному напряжению контактной сети, фактическая величина может превышать 50 кВт и более. При напряжении сети менее 21 кВ перегреваются статорные обмотки и роторы.

Защита асинхронных вспомогательных двигателей несовершенна: низка чувствительность тепловых реле и чрезмерно большое время их срабатывания (при токах 600 А оно составляет более 10 с).

На части электровозов ВЛ85 установлены тепловые реле только в двух фазах вместо необходимых по условиям работы трех. Поэтому !Трехэлектромагнитный контактор по сигналам реле разрывает только две фазы. В ходе испытаний выявили многочисленные случаи сварки контактов электромагнитных контакторов в одной из фаз.

Наиболее часто подобное наблюдается у электромагнитных контакторов приводных двигателей компрессоров. В этих случаях, несмотря на срабатывание тепловых реле и потерю питания электромагнитным контактором, включающим двигатель, трехфазный асинхронный двигатель работает как однофазный с чрезмерной перегрузкой двух фаз. В большинстве таких случаев перегревается или возгорается статорная обмотка. Разрыв трех фаз после срабатывания тепловой защиты при применении трехполюсных контакторов более надежно защитит оборудование.

Разрывная мощность электромагнитных контакторов оказалась недостаточной. Аппараты, рассчитанные на мощность до 40 кВт при достаточно равномерной загрузке фаз (изменения напряжения сети в пределах стандарта 21... 29 кВ), не обеспечивают надежное отключение двигателей мощностью 55... 57 кВт или выше при чрезмерной (в два раза и более) неравномерности фазных токов в случае, если напряжение сети менее его нижнего предела.

Приведенные данные свидетельствуют о сложных условиях работы АД электровозов ВЛ85. Положение усугубляется отсутствием систем симметрирования напряжения и непрерывного температурного контроля важнейших узлов вспомогательных механизмов. По оценке эксплуатационников и ремонтников, надежность машин типа АНЭ-225 ниже двигателей машин АЭ-92-4.

Статистические данные об отказах АД типа АНЭ-225 в депо Нижнеудинск (более 50 % выходов из строя из-за выплавления ротора) указывают на конструктивные просчеты при проектировании данных машин. На рис. 1 приведены фрагменты конструктивного исполнения листов ротора машин АЭ-92-4 и АНЭ-225. Устранение в АНЭ-225 осевых вентиляционных каналов в листах ротора и специального вентилятора для охлаждения статора и ротора способствует перегреву обмотки ротора и выплавлению ее поверхностного слоя при ненормальных режимах.

Анализ механических характеристик двигателей типа АНЭ-225, приведенных на рис. 2, показывает, что при снижении напряжения до 280 В и отсутствии симметрирующих устройств вращающий момент двигателя уменьшается почти в 4 раза.

Надо также отметить, что проектирование АД для привода вспомогательных машин с повышенными пусковыми характеристиками без учета влияния токов прямой и обратной последовательности при несимметрии приложенного напряжения на параметры вторичной цепи весьма рискованно. Известно, что активное и индуктивное сопротивления ротора для токов прямой и обратной последовательности различны, так как их частоты неодинаковы, и влияние вытеснения тока будет сказываться по-разному.

Можно предполагать, что при значительной несимметрии приложенного напряжения влияние токов во вторичной цепи существенно выше, чем в первичной. Это приводит к расплавлению поверхностных слоев обмотки ротора. Повышение надежности асинхронных вспомогательных двигателей за счет внедрения системы симметрирования напряжения и многомерной трехуровневой системы непрерывного контроля температуры сулит значительные технико-экономические выгоды.

Подходы к решению этой задачи могут быть различными. В случае отсутствия фазорасщепителей симметричную трехфазную систему напряжений на обмотках асинхронного двигателя при его питании от однофазной сети можно создать с помощью катушки индуктивности и конденсатора. Соответствующие расчетные формулы выведены на основании принципиальной схемы включения и векторной диаграммы.

Д-р техн. наук A.M. ХУДОНОГОВ, кандидаты технических наук В.П. СМИРНОВ, В.В. МАКАРОВ,
Иркутский государственный университет путей сообщения

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin