ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

Дао Фи Шанг

(В’єтнам)

УДК 621.313.019.3

Моделі дефектів і методика оцінки надійно-сті

всипних обмоток асинхронних двигунів

Спеціальність 05.09.01 – “Електричні машини і апарати”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електромеханіки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” МОН України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, проф. Вакуленко Костянтин Миколайович, професор кафедри електромеханіки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, проф. Мішин Володимир Іванович, професор кафедри електричних машин і експлуатації електрообладнання Національного аграрного університету Кабінету Міністрів України, м.Київ;

- кандидат технічних наук, с.н.с. Антоненко Анатолій Іванович, старший науковий співробітник відділу електромеханічних систем Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.

Провідна установа - Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” МОН України (кафедра “Електричні машини”).

Захист відбудеться “25” лютого 2003 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.187.03 при Інституті електродинаміки НАН України (03680, Київ-57, пр. Перемоги, 56, тел. 456-91-15)

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України (03680, Київ-57, пр. Перемоги, 56)

Автореферат розіслано “23” січня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.І. Титко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Надійність обмоток завжди була і лишається важливою та складною проблемою в електричних машинах будь-якого типу. Для асинхронних двигунів (АД) із всипними обмотками це тим більш важливо, оскільки це найбільш масовий тип двигунів, які потребують великих витрат на їх виробництво та експлуатацію.

З цієї проблеми відомі: формули ВНДІЕМ (О.Д. Гольдберг, І.М. Комлєв) для розрахунку імовірності безвідмовної роботи (ІБР) та урахування перемішування проводів; роботи науковців Томського політехнічного інституту (Е.К. Стрель-бицький, Ю.П. Похолков та ін.) з багатьох проблем надійності електричних машин; наукові роботи співробітників Київського політехнічного інституту (М.О. Реуцький, К.М. Вакуленко) про механізми відмов та роль високочастотних напруг у процесі відмови обмоток.

Актуальність роботи визначається тим, що зараз вимоги до надійності обмоток зростають у зв’язку з перспективою широкого використання частотно-регульованих приводів, розробка та продаж яких гальмується, серед інших причин, низькою надійністю обмоток АД.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з державною програмою 04.06 “Підвищення експлуатаційної надійності та модернізація електротехнічного та енергетичного обладнання електростанцій та автономних енергокомплексів”, проект 04.06/05039 “Розроблення методів та інструментальних засобів діагностики технічного стану ізоляції гідро- і турбогенераторів, двигунів власних потреб, працюючих в умовах АЕС, ТЕС, ГЕС”, НДР НТУУ “КПІ”, ФЕА “Розроблення виставкового зразка пристрою неруйнівних випробувань обмоток електродвигунів власних потреб електростанцій та методологій прогнозування залишкового ресурсу ізоляції двигунів” (номер державної реєстрації 0199U003663). Участь здобувача у виконанні зазначеної НДР полягала у тому, що він проводив серії експериментів з організації комутаційних процесів на реальних зразках.

Мета та задачі дослідження. Метою дисертації є уточнення процесів розвитку відмов всипних обмоток та розробка методики розрахунку надійності АД по відношенню до комутаційних явищ. Для досягнення цієї мети поставлені такі задачі: розробити та експериментально перевірити робочу гіпотезу про процес відмови, моделюючи дефекти; вивчити комутаційні явища та оцінити небезпечність комутаційних перенапруг (КП); виконати аналіз технологічного експерименту та вибрати модель для оцінки перемішування проводів у пазах; розробити математичні моделі для розрахунку імовірності безвідмовної роботи (ІБР) обмотки.

Об’єкт дослідження. Загально промислові АД з короткозамкненим ротором потужністю від 0,1 до 10 кВт.

Предмет дослідження. Надійність виткової ізоляції всипних обмоток по відношенню до комутаційних явищ.

Методи дослідження. Для розв’язування поставлених задач використовувались наступні методи: системно-цільовий підхід, загальний науковий метод рішення проблем – аналіз і синтез, планування експериментів, лабораторні експерименти, статистичний аналіз та імовірнісне моделювання, синтез методики розрахунку ІБР.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному.

1. Експериментами на моделях дефектів у лабораторії уточнені процеси комутаційної відмови виткової ізоляції обмоток і запропонована робоча гіпотеза про механізм відмови виткової ізоляції. Доведено, що для відмови не обов’язкові КП з великою амплітудою, що приймається за головний фактор існуючими методиками розрахунку ІБР виткової ізоляції АД.

2. Багаторазові експерименти підтвердили робочу гіпотезу про процес відмови та про три критерії відмови: необхідно і достатньо, щоб між двома проводами обмотки (або моделі дефекту) був наскрізний дефект в ізоляції, відбувся малопотужний пробій від високочастотної складової КП та була робоча напруга Uд > Uкр (в екс-перименті Uкр20 В), достатня для загорання дуги та зварювання проводів.

3. Удосконалена модель, яка розроблена ВНДІЕМ для врахування перемішування, шляхом введення в неї коефіцієнта ККУ якості укладки.

4. Отримані нові математичні моделі для розрахунку ІБР виткової ізоляції всипних обмоток по відношенню до КП.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблена методика та алгоритм розрахунку ІБР всипних обмоток АД по відношенню до комутаційних явищ з використанням результатів прискорених випробувань двигуна-аналога. Методика придатна для оптимізаційних багатофакторних розрахунків на етапах конструювання та розробки нових серій АД. Для її використання в кожному конкретному випадку необхідно мати (за ресурсними випробуваннями або іншими оцінками) значення ІБР АД-аналогу.

Наукові результати автора використовують в учбовому процесі на кафедрі „Електромеханіки” КПІ: при читанні лекцій з курсу „Ресурсозбереження в регульованих електромеханічних системах”, в бакалаврських та дипломних роботах студентів, при наукових дослідженнях.

Особистий внесок здобувача. Здобувач безпосередньо вивчив і уточнив процес комутаційної відмови виткової ізоляції, розробив та реалізував фізичні моделі дефектів, методики та схеми експериментів, провів експерименти з використанням сучасної вимірювальної апаратури, виконав обробку та аналіз результатів, розробив математичні моделі та методику розрахунку ІБР обмотки статора по відношенню до комутаційних явищ.

В роботах, опублікованих у співавторстві, особисто здобувачеві належать: у [1] – статистична обробка первинного матеріалу, науковий аналіз та формулювання висновків, у тому числі пропозиція спростити математичну модель О.Д. Гольдберга для врахування перемішування проводів; у [2] - розробка та реалізація фізичної моделі дефекту виткової ізоляції, експериментальної схеми, багатофакторні експерименти по вивченню комутаційних перенапруг та комутаційних відмов у дефектах, аналіз та формулювання критерію комутаційних відмов; у [3] - розробка методики розрахунку надійності обмоток на основі відомих моделей та критерій комутаційних відмов, що сформульовані на основі його особистих експериментів; у [4] - експериментальна перевірка формули для розрахунку частоти резонансних коливань дефектів обмоток до вібраційного явища, опис відомих методів розрахунку надійності всипних обмоток.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи були оприлюднені, обговорені і схвалені 21 жовтня 2000 р. у м. Харкові на Міжнародному симпозіумі “Проблеми удосконалення електричних машин та апаратів. Теорія і практика.” (SIEMA'2000); 24 квітня 2001 р. у м. Луганську на Міжнародній науково-технічній конференції "Інформаційна техніка та електромеханіка на порозі ХХІ-го століття" (ІТЕМ-2001); 23 жовтня 2001 р. у м. Києві на науковому семінарі з міжнародною участю “Тех-нологии энергетики и экономическая безопасность государства”.

Публікації. Основний зміст дисертації відображений у чотирьох статтях, опублікованих у фахових наукових виданнях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 7 розділів, висновків, списку використаних першоджерел та додатків.

Загальний обсяг роботи становить 143 сторінки, в тому числі основного тексту 125 сторінки, 43 рисунки, 16 таблиць, список використаної літератури із 30 найменувань та 5 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність та необхідність виконання дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, викладено наукову новизну, практичне значення та реалізацію результатів дисертаційної роботи, наведено відомості про апробацію та публікації.

Розділ 1. Огляд літератури з надійності обмоток. Публікації останніх років з надійності свідчать, що, не дивлячись на 20-річну перерву, інформація попередніх публікацій не застаріла. Але методики для розрахунку ІБР всипних обмоток, яка була б визнана та застосовувалась, немає. Одна з причин полягає в тому, що в методиках неправильно враховували процес відмови, вважаючи, що тільки великі амплітуди КП призводять до відмови. Аналіз літературних джерел 20-річної давності показав, що для досягнення поставленої у вступі мети корисна математична модель, розроблена ВНДІЕМ для оцінки імовірності того, що поряд опиняться два провідника з різницею номерів, що дорівнює ?

,

, (1)

де - коефіцієнт перемішування; s - кількість проводів у пазу статора АД; ? – різниця номерів проводів, що знаходяться у пазу поруч. Дуже цінним є система понять та формул ТПІ. Порівняння всієї літературної інформації показало, що словесно описані моделі КПІ дозволять уточнити процес комутаційної відмови та розрахунок ІБР обмотки.

Розділ 2. Загальні методи, гіпотези та задачі. Мета цього розділу – обґрунтування основної робочої гіпотези, вибір конкретних задач та методів їх розв’язку для експериментальної перевірки та аналізу.

Для пояснення процесу комутаційних відмов пропонується гіпотеза, в якій підкреслюється роль електричної дуги – в початковий період її виникнення, коли провідники закорочуються і дуга гасне, або в наступний період часу, коли дуга не гасне і провідники руйнуються. Схожість між автоматичним процесом зварювання та гіпотезою про комутаційну відмову обмотки дозволяє сформулювати таку основну робочу гіпотезу, яку можна пояснити ілюстрацією на рис.1. Комутаційна відмова відбувається, коли в якому-небудь місці між двома проводами обмотки взаємодіють три фактори: з’являється наскрізний дефект виткової ізоляції, відбувається іскровий пробій і є критична напруга, достатня для загорання електричної дуги і зварювання або руйнування проводів.

Рис.1. Схема, яка пояснює

процес комутаційної відмови виткової ізоляції

Визначені такі задачі дослідження: розробити та реалізувати схеми з дефектами обмотки статора; провести експерименти, варіюючи умови комутаційних відмов; створити математичні моделі та розробити методику розрахунку ІБР обмотки.

Розділ 3. Моделювання дефектів та відмов. Мета цього розділу – розробка та дослідження моделей дефектів і процесів комутаційних і вібраційних відмов.

Розроблені експериментальна установка, електрична схема якої зображена на рис.2, фізична модель дефекту (рис.3) та методика експерименту, які дозволяють ефективно вивчати процеси комутаційних відмов спеціально підготовлених двигунів з відводами від обмотки.

Рис.2. Електрична схема для проведення експерименту

з метою підтвердження робочої гіпотези

Виконано велику кількість дослідів та експериментів, які можна назвати налагоджувальними, пробними. Описуються остаточно прийнята методика дослідів та результати одного з найбільш вдалих експериментів, який дозволяє обґрунтувати критерії (умови, ознаки, правила для рішення – буде відмова чи ні) комутаційних відмов.

Рис. 3. Макет дефектів:

1 - ручка для регулювання відстані між електродами; 2 - провідники,

що відіграють роль електродів і підключаються до відводів котушок

Експеримент складався із 9-ти дослідів. Вивчався вплив двох факторів на трьох рівнях. Перший фактор – робоча напруга на котушці (і дефекті) – варіювався на трьох рівнях: 10, 20 і 30 В. Другий фактор – тип комутуючого апарата – теж варіювався на трьох рівнях, але рівні не визначені кількісно – вони “якісні”.

Результати експерименту з варіацією двох факторів наведені в табл.1.

Таблиця 1

Результати експерименту при комутації АД вимикачами

одноконтактного (К1), геркона (К2) и двохконтактного (К3) типу

Експеримент показав, що при робочій напрузі на дефекті всі три типи комутуючих апаратів не призводять до відмови. При напрузі на дефекті і два типи (К1 и К3) комутуючих апаратів призвели до відмови. Геркон не призвів до відмов при всіх рівнях напруг, що перевірялись.

Моделювання дефекту та комутаційних відмов експериментально підтвердили три критерії відмови – необхідно, щоб між двома проводами обмотки, які знаходяться найближче, з’явився наскрізний дефект в ізоляції, під дією КП відбувся іскровий пробій, у момент пробою була достатня робоча напруга (в умовах експерименту ). Безпечна робоча напруга в умовах експерименту – .

Моделювання дефектів та вібраційних відмов показали, що можна вважати експериментально підтверджену формулу, яка отримана за відомими теоретичними співвідношеннями з теорії опору матеріалів. Для випадку кріплення з обох кінців провідників формула дає правильні результати, якщо приймати модуль пружності мідних проводів Е=8,5*1010 Н/м2. Похибка методики дослідів по відношенню до розрахунку складає від 2 до 12%.

Розділ 4. Комутаційні перенапруги. Метою цього розділу є експериментальне вивчення високочастотних КП – одного з необхідних умов комутаційної відмови виткової ізоляції. Повторення експериментів, що виконані раніше співробітниками КПІ на АД з моделями дефектів, може краще підтвердити основну робочу гіпотезу.

Проведено два експерименти: відключення постійного струму обмотки при варіації його величини (однофакторний експеримент) та відключення струму холостого ходу АД (трифакторний експеримент).

Однофакторний експеримент з варіацією трьох невеликих (0,05; 0,08; 0,125 А) постійних струмів, що відключаються двоконтактним комутатором від обмотки АД, показав, що такі режими утворюють великі напруги (200..1000 В) з тривалістю фронтів менше 0,1 мкс. Такі напруги, незважаючи на їхню короткочасність та малу потужність, можуть пробити наскрізні дефекти виткової ізоляції.

Трифакторний експеримент з варіацією на трьох рівнях - струмів, що відключаються (0,2; 0,5; 0,8 А), типу комутуючого апарата (К1, К2, К3) та місця виміру КП ( початок, середина, кінець обмотки) - показав, що максимальні КП значною мірою залежать від типу комутуючого апарата, зростають при збільшенні струму та зменшуються з віддаленням від місця комутації до кінця обмотки. Осцилограми КП в трифакторному експерименті, у порівнянні з однофакторним, більш різноманітні за формою. Це можна пояснити нестабільністю умов згасання дуги на контактах, що спонтанно впливає на струм зрізу.

Експерименти показали ефективність застосування осцилографічної приставки PCS65 для дослідницьких та практичних задач.

Розділ 5. Перемішування проводів у пазах. Метою цього розділу є порівняння нових даних технологічного експерименту, виконаного співробітниками КПІ, з відомими формулами для врахування перемішування проводів у пазах обмотки АД. Випадкове перемішування проводів може суттєво (в 5-10 разів) збільшити робочу напругу між сусідніми проводами, у порівнянні з упорядкованим розміщенням та знизити надійність обмотки.

Розгляд різних методик розрахунку ІБР обмоток показав, що їх автори застосовували різноманітні моделі - формули для врахування перемішування проводів. У перших методиках (автор – И.М. Комлєв) рекомендували лінійну модель (пряма 1 на рис.4). Для покращення результатів розрахунку ІБР деякі автори випробували другу лінійну (пряма 4 на рис.4) і квадратичну (лінія 5 на рис. 4) моделі, також перевіряли моделі з посиланням на експериментальні дані (лінія 2 на рис.4).

Експериментальна ламана 3 (рис.4), яка отримана в роботі, не збігається з жодною з рекомендованих моделей повною мірою. Залежності 1 и 4 дають суттєво значно вищі значення у порівнянні з кривою 2.

Результати аналізу приводять до таких висновків:

- моделі (1) дають оцінки перемішування, близькі до технології ручної укладки у пакети при високій кваліфікації обмотників;

Рис. 4. Порівняння різних моделей (1), (2), (4), (5) для обліку перемішування

проводів всипних обмоток з експериментальними даними (3)

- рекомендується ввести в модель (1) ще один множник - коефіцієнт якості укладки ККУ

, (2)

причому модель є вірною при .

Найбільш “небезпечні” технології такі, застосування яких створюють велике перемішування. Воно має характеризуватися нахиленням кривої в області великих значень . Для очевидного уявлення та порівняння технології укладання зручно застосувати найпростішу модель - пряму, яка торкається кривої за формулою (2) у точці ().

Її рівняння таке

,

де слід назвати коефіцієнтом небезпечного перемішування (коефіцієнтом перемішування). Чим більше перемішування при великих значеннях , тим більше значення цього коефіцієнта, тим більша імовірність того, що великі робочі напруги між сусідніми витками виникають в обмотці - при інших рівних умовах. Робоча напруга між витками – обов’язковий критерій відмови. Така логіка зв’язку коефіцієнта з надійністю. Можна сформулювати також наступні висновки:

- поки що нема більш точних експериментальних характеристик, і тому в методиці розрахунку надійності слід передбачити коефіцієнт якості укладки (0,5; 1; 2) та залишити формулу (1) як базову;

- для підвищення ІБР обмоток та уточнення методики її розрахунку потрібно вивчати технологічний процес, розроблювати та використовувати прилади діагностики якості укладки.

Розділ 6. Математичні моделі надійності. Метою цього розділу є логічно пов’язане складання моделей для розрахунку ІБР всипних обмоток на основі всієї інформації попередніх розділів.

У розділі виконано синтез моделей для розрахунку ІБР всипних обмоток по відношенню до комутаційних явищ. В основу моделей прийнято структурне ділення виткової ізоляції на елементи, вузли та ланцюги. Враховані імовірності трьох подій: утворення наскрізного дефекту, виникнення пробивної високочастотної напруги та наявність небезпечної робочої напруги. У процесі синтезу використані структурно-логічні схеми, що ілюструють два типи з’єднань: основне та резервне.

Прийняті такі визначення термінів конструктивних складових обмотки:

елемент – це один шар ізоляції зразка одного проводу довжиною ; вузол – це два шари ізоляції двох елементів (довжиною ), що лежать поруч у котушці; ланцюг – це два шари ізоляції двох сусідніх проводів довжиною половини витка котушки; обмотка складається з ланцюгів:

. (3)

Отримана така система взаємопов’язаних моделей.

Дефектність елемента – ізоляції одного проводу – визначаємо як відношення дефектних площин навколо наскрізних дефектів до площини ізоляції проводу. Формула (співробітників ТПІ) для у співвідношенні з цим визначенням має такий вигляд:

,

де , см - радіус дефект-ної площини з урахуванням площин ковзних розрядів; - число дефектів на зразку; , см - діаметр проводу обмотки; , см - довжина зразка проводу (звичайно менша або дорівнює довжині половини витка котушки).

Імовірність утворення наскрізного дефекту вузла (на довжині )

.

Імовірність відсутності наскрізного дефекту вузла (на довжині )

.

Імовірність відсутності наскрізного дефекту ланцюга (на довжині )

. (4)

Якщо ланцюг довший вузла (), то розрахунок згідно з (4) дає меншу імовірність у порівнянні з імовірністю .

Імовірність утворення наскрізного дефекту ланцюга ( на довжині )

.

Імовірність того, що елемент опиниться під високочастотною напругою, яка утворюється комутуючим апаратом, залежить від багатьох факторів навантаження та характеристик ділянок мережі, що близько лежать, комутуючого апарата та двигуна.

При комутації двигуна АОЛ2-12/4 трифазними пускачами 3-х габаритів типу ПМА за час прискорених випробувань на надійність переконливо (отримано тисячі осцилограм) встановлено, що затухання крутих фронтів високочастотних напруг при відключенні малих струмів холостого ходу було невеликим. Високочастотні напруги з крутими фронтами близько 300 В діяли на всі елементи усіх фаз однаково.

У трифакторному лабораторному експерименті (Розділ 4) при комутації одного лінійного струму АД апаратом з двома розривами було встановлено зменшення величини комутаційних напруг від початку фазної обмотки до її кінця. Таку відмінність результатів у порівнянні з більш ранніми дослідженнями КПІ можна пояснити фільтруючою функцією біфілярних відводів від котушок фазної обмотки АД, що комутується. Тому у прикладі (див. далі) розрахунку ІБР двигуна АОЛ2-12/4 прийнято . Для інших конкретних умов та виробів може бути меншим.

Імовірність того, що ланцюг знаходиться під небезпечною робочою напругою , визначається формулами

,

,

де - коефіцієнт, що враховує якість укладки проводів у пази - при їх всипанні ручним способом (=1...2) або при втягуванні на обмотковому верстаті (=0,5); - гранична різниця номерів між проводами, між якими робоча напруга більша, ніж небезпечна гранична , достатня для переходу іскри в електричну дугу; - фазна напруга трифазного двигуна.

Для ланцюга вірні моделі резервного з’єднання згідно з трьома критеріями відмови

, (5)

. (6)

Результуючі формули для розрахунку ІБР обмотки

або після підстановки (3), (5) та (6)

. (7)

Формула (6) враховує імовірності трьох подій за основною робочою гіпотезою та загальне число ланцюгів обмотки.

Розділ 7. Методика розрахунку ІБР. Результуюча формула, що враховує всі попередні, має вигляд

.

За цією формулою можна розраховувати надійність тільки для таких обмоток, які не просочують лаком. Для цього потрібно спеціальними експериментами визначати еквівалентний радіус rД дефекту ізоляції проводу за методикою ТП І та число лt дефектів на зразку при різних ступенях зносу.

ІБР обмоток, які просочуються лаком, розраховують за наведеною нижче методикою, згідно з якою врахування зносу виткової ізоляції виконують за відомими значеннями ІБР аналогічного АД. Цю методику можна застосовувати на етапі проектування для багатоваріантних техніко-економічних порівнянь та оптимізації конструкції і технології. Всього можна варіювати 7 факторами, з них 4 – конструкційні (, , , ). Можна змінювати робочу напругу , враховувати якість укладки коефіцієнтом та умови загорання електричної дуги . Її можна застосовувати, якщо є значення ІБР АД-аналога, отримані з експлуатаційних статистичних даних, ресурсними або прискореними випробуваннями на надійність. Конструкція, технологія виготовлення та експлуатація АД, що вивчається, та АД-аналога (для тих факторів, які не враховані методикою) мають бути однаковими. Це питання вирішують експертними опитуваннями.

Методику можна розвивати та видозмінювати для різних машин, враховувати відмінності нагріву, дефектності проводів, режимів навантаження і т.п.

В описаній нижче методиці та прикладі прийнято, що якість ізоляції одиночних проводів (імовірність ) досліджуваного АД така сама, як і у аналога. Це означає, що прийнято .

Приведемо додаткові відомості про двигун-аналог (з матеріалів кафедри електромеханіки КПІ). Двигуни АОЛ2-12/4 виготовлені на Харківському електротехнічному заводі. Вони мали корпусну та міжфазну ізоляцію з лавсанової плівки (половина – з опроміненого поліетилену), просочені лаком ПФЛ8В класу Е, обмотку – з проводу ПЕТВ класу В, без паралельних гілок, число елементарних проводів .

Прискорені випробування на надійність проводили в лабораторії КПІ на вибірці з 9-ти двигунів, які пройшли прироблені випробування реверсами (25 тис.). Кожний цикл випробування складався з старіння ізоляції статорів у термостаті при 190оС протягом 24 год., зволоження в гідростаті протягом 2-х діб, складання, навантаження комутаційними напругами та вібрації реверсами (по 2,5 тис.) індивідуальними пускачами ПМА 3-го габариту. Перерахунок напрацювання від циклів у випробуваннях до робочого режиму (від колонки 2-ї до 9-ї, табл.3) зроблений за наближеним правилом додатку 2 стандарту: [ГОСТ 10518-72. Материалы электроизоляционные и конст-рукции изоляции. Методы ускоренного определения нагрево-стойкости. - М.- 1972.- 29с.]. А саме – доба старіння при 190оС відповідає 98 добам роботи у розрахунковому номінальному режимі – при температурі ізоляції 120оС.

Розрахунок значень (колонка 3, табл.3) двигуна-аналога виконаний за методикою PL-оцінки (Каплана-Маєра), що викладена у додатку 10 стандарту [ГОСТ 27.504-84. Надежность в технике. Методы оценки пока-зателей надежности по цензурированным выборкам.- М.- 1985. - 41с.]. У розрахунку враховано, що у зразках двигунів, відмови яких зафіксовані у 5-, 6-, 8- та 9-му рядках табл.3, виткова ізоляція не відмовляла. Тому відповідні числа циклів та наробок (колонки 2 та 9, табл.3) є наробками не до відмови, а до цензурування (припинення спостереження за будь-якої причини крім відмови). При обробці даних враховують загальне число АД, що проходять випробування, але при наробці до цензурування не зменшують значення ІБР.

Формули та послідовність розрахунку ІБР. Позначення всіх величин аналога мають додатковий індекс “a”. Прийнято також

За даними аналога розраховують його показники и .

Загальна кількість ланцюгів обмотки АД-аналога

. (8)

Критична різниця номерів між проводами АД-аналога

. (9)

Імовірність того, що ланцюг АД-аналога знаходиться під небезпечною робочою напругою:

. (10)

Імовірність утворення наскрізного дефекту ланцюга АД-аналога

. (11)

Число дефектів на зразку АД-аналога

. (12)

Виконують перерахунок показників та для досліджуваного АД.

Число дефектів на зразку

. (13)

Критична різниця номерів між проводами

. (14)

Імовірність того, що ланцюг знаходиться під небезпечною робочою напругою

. (15)

Дефектність елемента - ізоляції одного проводу

. (16)

Імовірність утворення наскрізного дефекту ланцюга

. (17)

Загальна кількість ланцюгів обмотки

. (18)

Імовірність відмови ланцюга

.

Імовірність безвідмовної роботи обмотки

. (19)

Для першого прикладу розрахунку взяті конструктивні дані та інші значення факторів АД-аналога та АД, що вивчається, (табл.1), а також результати прискорених випробувань АД-аналога (колонки 1, 2, 3, 9, табл.3).

Таблиця 2

Конструктивні, режимні та технологічні показники двигунів

Таблиця 3

Результати прискорених випробувань двигуна-аналога АОЛ2-12/4

на надійність та розрахунку ІБР двигуна 4А80А4 по відношенню

до комутаційних явищ

Результати розрахунку, які наведені в колонках 4...8 табл.3, розраховані за формулами (8)–(19) за допомогою програми, що складена у додатку Windows-Excel.

Другий приклад. Розрахунок ІБР обмоток різних АД на період випалювання дефектів (t=10000 год. роботи) за даними гарантії заводу-виробника.

Дані двигуна-аналога: = 0,95 (прийнято за гарантійними даними заводу-виробника: 2-й рядок, табл.4); довжина зразка - = 10 см; радіус дефекту - = 0,153 см; число проводів у пазу - =46; довжина половини витка - = 20 см; діаметр проводу - =0,1 см; число пазів =24; фазна напруга - =220 В; коефіцієнт перемішування - =0,0172 (з розділу 5). Небезпечна (критична) напруга, при якій загорається дуга та зварюються проводи, прийнята = 20В.

Розрахуємо показники и АД-аналога.

Число пар сусідніх провідників у пазу

.

Критична різниця номерів проводів сусідніх проводів

.

Імовірність того, що ланцюг АД-аналога знаходиться під небезпечною напругою за формулою (10)

0,2164.

Імовірність утворення наскрізного дефекту ланцюга АД-аналога за формулою (11)

.

Число дефектів у зразку АД-аналога за формулою (12)

.

Перерахунок показників и для АД.

Вхідні дані та результати перерахунку , АД, що розглядається, введені в табл.4:

s - число проводів у пазу;

, см - довжина половини витка;

, см - діаметр проводу;

- число пазів;

, В - фазна напруга.

Коефіцієнт перемішування -.

Число дефектів у зразку - .

Таблиця 4

Показники АД-аналога та інших АД

Розраховуємо , за формулами (14),(15), імовірності утворення наскрізного дефекту ланцюга АД, що розглядається, за формулою

та ІБР обмоток за формулою

.

Результати розрахунків наведені в табл.5.

Таблиця 5

Дані та ІБР різних АД на час t=10.000 тис.год.

Порівняння даних розрахунку Р(t=10000 тис.год.) для різних АД підтверджує можливість визначення впливу конструктивних даних на їх безвідмовність.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі уточнено процес комутаційних відмов обмоток та розроблено нові математичні моделі, що придатні для розрахунку ІБР виткової ізоляції АД зі всипними обмотками. Це допомагає вирішенню задачі підвищення надійності експлуатації АД загально промислового застосування, яка в даний час є актуальною. З цією метою використано ідеї співробітників КПІ про роль комутаційних напруг у процесі відмови та деякі ідеї й моделі ВНДІЕМ (О.Д.Гольдберг) та ТПІ (Е.К.Стрельбицький, Ю.П.Похолков та ін.).

1. Здійснено моделювання дефектів та багаторазове повторення відмов у них (при підключенні їх до відводів обмотки). Це підвищило достовірність експериментів: здійснено понад 10 тис. комутацій та понад 1000 відмов дефектів, знято 200 осцилограм. В результаті не було жодної відмови двигуна.

2. Сформульована основна робоча гіпотеза щодо процесу комутаційної відмови. Вона отримана шляхом порівняння наслідків відмов виткової ізоляції з процесом та наслідками звичайного електрозварювання. В результаті дослідження на фізичних моделях доказано, що для відмови необхідні три умови: щоб між двома проводами обмотки (або моделі дефекту) був наскрізний дефект в ізоляції, відбувся малопотужний пробій, була робоча напруга (в експерименті ). Отримано експериментальне підтвердження основної робочої гіпотези про процес відмови та про три критерії відмов.

3. Вивчені комутаційні перенапруги за допомогою цифрової приставки PCS64, що працює в парі з персональним комп'ютером. Перенапруги більше 1500 В рідко спостерігалися. Виявлені високочастотні малопотужні напруги з високою крутизною фронтів. Саме вони утворюють первинні пробої у дефектах. Важливу роль в утворенні високочастотних напруг має комутуючий апарат.

4. Дослідження перемішування проводів у пазах всипної обмотки, як важливого фактора, що впливає на надійність, показали на необхідність уточнення моделі, яка розроблена ВНДІЕМ для визначення впливу перемішування, врахуванням якості укладки. Відмічено доцільність розробки та використання пристроїв для оцінки якості укладки.

5. Розроблено нові моделі ІБР виткової ізоляції всипної обмотки АД по відношенню до комутаційних явищ. В основу моделей закладено врахування трьох імовірностей, відповідних трьом критеріям відмови, ділення виткової ізоляції обмотки на елементи, вузли, ланцюги та відомі моделі основного і резервного з'єднання взаємонезалежних об'єктів. Вплив перемішування проводів у пазу враховано не у зв'язку з максимальною амплітудою хвиль КП, як це прийнято у відомих методиках, а у зв'язку з робочою напругою у момент пробою між сусідніми витками обмотки.

6. Запропоновано методику розрахунку ІБР обмотки. Вона придатна для багатоваріантних розрахунків на етапі розробки АД та для перерахунку результатів оцінки ІБР на інші типорозміри за даними АД-аналога.

Для подальшого покращення моделей та методик є багато шляхів, які залежать від особливостей конкретних машин та умов. Наприклад, можливо уточнювати вплив на старіння дефектів та загорання електричної дуги різних факторів: температури, умов тепловіддачі, параметрів схеми заміщення, режимів навантаження, взаємозв'язку між високочастотною та робочою напругою та ін.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Вакуленко К. Н., Дао Фи Шанг. Изучение перемешивания про-водов всыпных обмоток для оценки надежности электриче-ских машин // Вестник Национального технического университета “ХПИ”. –2001. - № 16’. – С. 23-27.

2. Вакуленко К. Н., Дао Фи Шанг. Критерии коммутационных от-казов межвитковой изоляции всыпных обмоток асинхронных двигателей // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2002. - № 1[47]. - С. 151-157.

3. Вакуленко К. Н., Дао Фи Шанг. Методика расчета надежности обмоток электрических машин по отношению к коммутационным явлениям // Енергетика. -2001. -№2. -С.44-48.

4. Вакуленко К. Н., Дао Фи Шанг. Моделирование надежности об-моток асинхрон-ных двигателей мощностью до 50 кВт, напря-жением 220/380 В // Вестник Национального технического университета “ХПИ”. – 2000. - № 84’. - С. 33-36.

Дао Фи Шанг. Моделі дефектів і методика оцінки надійно-сті всипних обмоток асинхронних двигунів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 – електричні машини і апарати. – Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2003.

Дисертація присвячена питанням підвищення надійності ізоляції електричних машин, насамперед уточненню процесів відмов всипних обмоток і розробки методики розрахунку ймовірності безвідмовної роботи асинхронних двигунів із всипними обмотками по відношенню до комутаційних явищ.

Експериментами на моделях дефектів уточнені процеси комутаційної відмови виткової ізоляції обмоток та доведено, що для відмови не обов'язкові перенапруги з великою амплітудою. Сформульовано та експериментально доведено таку гіпотезу. Комутаційна відмова виткової ізоляції відбувається тільки тоді, коли в обмотці існують три умови: існує наскрізний дефект виткової ізоляції; відбувається малопотужний іскровий пробій; існує робоча напруга на дефекті, яка перевищує критичне значення, якого досить для загорання електричної дуги та зварювання або руйнування проводів. Розроблено методику розрахунку імовірності безвідмовної роботи (ІБР) виткової ізоляції просочених всипних обмоток. Її можна застосовувати, якщо є значення ІБР двигуна-аналога, отримані з експлуатаційного досвіду ресурсними або прискореними випробуваннями на надійність.

Ключові слова: виткова ізоляція, всипна обмотка, дефекти, комутаційна відмова, імовірність безвідмовної роботи.

Дао Фи Шанг. Модели дефектов и методика оценки надежности всыпных обмоток асинхронных двигателей. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 – электрические машины и аппараты. – Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2003.

Диссертация посвящена вопросам повышения надежности изоляции электрических машин, прежде всего уточнению процессов отказов всыпных обмоток и разработки методики расчета вероятности безотказной работы асинхронных двигателей со всыпными обмотками по отношению к коммутационным явлениям.

Экспериментами на моделях дефектов уточнены процессы коммутационного отказа витковой изоляции обмоток. Многократным моделированием отказов (более 500) доказано, что для отказа не обязательны перенапряжения с большой амплитудой.

Сформулирована и экспериментально доказана такая гипотеза. Коммутацион-ный отказ происходит только тогда, когда в каком-нибудь месте между двумя проводами обмотки взаимодействуют три фактора: имеется сквозной дефект витковой изо-ляции, происходит искровой пробой и есть некоторое критическое рабочее напряжение, достаточное для зажигания электрической дуги и сварки или разрушения про-водов.

Разработана методика расчета вероятности безотказной работы витковой изоляции всыпных обмоток. Ее можно применять, если есть значения ВБР двигателя-аналога, полученные эксплуатационными, ресурсными или ускоренными испытаниями на надежность.

Ключевые слова: витковая изоляция, всыпная обмотка, дефекты, коммутационный отказ, вероятность безотказной работы.

Dao Phi Sang. Models of defects and reliability evaluation of loose-fill windings of asynchronous motors. – Manuscript.

Thesis of the candidate of sciences by speciality 05.09.01 – electrical machines and apparatus. -The Institute of Electrodynamics of National academy of sciences of Ukraine, Kyiv, 2003.

The process of commutation failures were specified by using physical models of defects. It was proved by multiple modeling of failures (over 500) that surge voltage with large amplitude is not the principal reason for turn insulation failures. Calculation methods were developed to estimate the probability of failure free operation (PFFO) for loose-fill windings.

The results of research analysis of turn insulation failures show two possible modes of failures: vibration and commutation ones. The analogy between welding automatic process and assumption about winding commutation failure allows formulating the following main working hypothesis. Commutation failure is the result of three factors interaction in any spot between two winding leads: through gap defect of turn insulation is available there, sparking breakdown is going on and there is some critical voltage, which is rather sufficient for arcing, welding or wire destruction. Experimental circuits, physical models of defects mentally explored and experiment technique were developed that allow investigating failures processes occurring in specially prepared motors with bifilar tapping from winding.

The process of commutation (switching) failure were specified by using experimental models of defects. It was proved by repeated (multiple) modeling of failures (over 500) that surge voltage with total (large) amplitude is not the single reason (factor) to cause failures. Calculation methods were developed to estimate the probability of failure free operation (PFFO) for loose-fill windings.

The results of research analysis of turn insulation failures show two possible modes of failures: vibration and commutation ones. The analogy between welding automatic process and asssuinption about winding commutation failure allows formulating the following main working hypothesis. Commutation failure is the result of three factors interaction in any spot between two winding leads: through gap defect of turn insulation is available there, sparking breakdown is going on and there is some critical voltage, which is rather sufficient for arcing, welding or wire destruction. Experimental circuits, physical models of defects rimentally explored and experiment technique were developed that allow investigating failures processes occurring in specially prepared motors with bifilar tapping from winding.

Defect modeling of vibration failures showed that the formula of metal strength theory can be considered experimentally corroborated if to assume the modulus of elasticity of copper wires to be , the formula provides sufficiently accurate values of resonance frequency for the case of wire rigid fastening on the both sides. Practice error accounts for 2% to 12% relatively to design (estimated) one.

Applied test technique and results of one and three factors experiments are described, these allow to check up the criteria (conditions, characteristics, rules) to predict commutation failures.

Defects modeling was realized by use of two close – spaced leads? which were connected to winding taps. When idle current of one phase of winding was switched out the breakdown took place though defect. If the operating voltage through defect exceeded 20 V, the wires were welded and motor noise appreciably increased. The availability of multiple failures in defects models and their lack in motor winding corroborate working hypothesis.

High-frequency voltage, as one of necessary condition for commutation failure has been experiment explored. The results of experiments have demonstrated promoted effectiveness of applying PCS64 oscillograph attachment for research and practical problems. Oscillograms are different in forms and don’t coincide with ones, formerly and don’t coincide with ones, formerly obtained using another motor at another laboratory of KPI (Kyiv polytechnical institute). But principle results are the same. The surge voltage above 1500V was really observed. Breakdown defect models were going on under effect of high-frequency components of commutation voltage with sharp edges.

Random intermixing (misarrangament) of wires during their laying earn significantly (to 5-10 times) increase the operating (working) voltage between nearby (juxtaposed) wires and to reduce winding reliability in comparison with ordered arrangement of wires.

In this connection analysis and comparison of unpublished data of KPI technological experiment were fulfilled at Kharkov electrotechnical works by use well-known formulae which take into consideration intermixing (misarrangement) of wires in winding slots. As a result of analysis author suggests to put one more cofactor. In order to increase PFFO of winding and to make calculation technique more precise it is necessary to study technological