Неисправности электрических машин и их проявление кратко

Обновлено: 02.07.2024

В этом обзоре мы рассмотрим типичные неисправности трехфазных асинхронных электродвигателей и способы их предупреждения и устранения.

Электрические неисправности электродвигателя

Электрические неисправности двигателя всегда связаны с обмоткой.

  1. Межвитковое замыкание может возникнуть при ухудшении изоляции в пределах одной обмотки. Возможные причины: перегрев обмотки, некачественная изоляция, износ изоляции вследствие вибрации. Определить межвитковое замыкание бывает сложно. Основной метод диагностики – сравнение сопротивления и рабочего тока всех трех обмоток. Первые симптомы межвиткового замыкания – повышенный нагрев двигателя и падение момента на валу. При этом по одной из фаз ток больше, чем по двум другим.
  2. Замыкание между обмотками происходит из-за смещения обмоток, механической вибрации и ударов. При отсутствии должной электрической защиты может возникнуть короткое замыкание и пожар.
  3. Замыкание обмотки на корпус. При данной неисправности электродвигатель может продолжать работать, если неправильно выполнены заземление и защита от короткого замыкания. Однако в работе он будет смертельно опасен, так как его потенциал будет находиться под фазным напряжением.
  4. Обрыв обмотки. Эта неисправность равносильна пропаданию фазы. Если обрыв происходит в работе, то двигатель резко теряет мощность и начинает перегреваться. При правильно выполненной защите двигатель отключится, поскольку ток по другим фазам будет повышен.

Для устранения большинства из этих поломок требуется перемотка двигателя.

Механические неисправности электродвигателя

Механические неисправности электродвигателя связаны с его конструкцией.

  1. Износ и трение в подшипниках. Проявляется в повышении механической вибрации и шума при работе. В этом случае требуется замена подшипников, иначе неисправность приведет к перегреву и падению производительности двигателя.
  2. Проворачивание ротора на валу. Ротор может вращаться в магнитном поле статора, а вал будет неподвижен. Требуется механическая фиксация ротора на валу.
  3. Зацепление ротора за статор. Эта проблема связана с механической поломкой подшипников, их посадочных мест или корпуса двигателя. Кроме того, подобная неисправность приводит к повреждению обмотки статора. Практически не подлежит ремонту.
  4. Повреждение корпуса двигателя. Может происходить из-за ударов, повышенных нагрузок, неправильного крепления или низкого качества двигателя. Ремонт является трудоемким из-за трудностей соосной установки переднего и заднего подшипников.
  5. Проворачивание или повреждение крыльчатки обдува. Несмотря на то, что двигатель продолжит работать, он будет перегреваться, что существенно сократит срок его службы. Крыльчатку необходимо закрепить (для этого используется шпонка или стопорное кольцо) или заменить.

Аварийные ситуации при работе электродвигателя

Существуют неисправности, не связанные непосредственно с двигателем, но влияющие на его работу, характеристики и срок службы. Большинство этих неисправностей вызваны механической перегрузкой, увеличением тока, и, как следствие, перегревом обмоток и корпуса.

  1. Увеличение нагрузки на валу вследствие заклинивания привода либо приводимых механизмов.
  2. Перекос напряжения питания, который может быть вызван проблемами питающей сети либо внутренними проблемами привода.
  3. Пропадание фазы, которое может произойти на любом участке питания двигателя – от питающей трансформаторной подстанции до обмотки двигателя.
  4. Проблема с обдувом (охлаждением). Может возникнуть из-за повреждения крыльчатки двигателя при собственном охлаждении, из-за останова вентилятора внешнего принудительного охлаждения или вследствие значительного повышения температуры окружающей среды.

Способы защиты электродвигателя

Для защиты электродвигателя от внутренних и внешних неисправностей, а также для минимизации дальнейших трудозатрат по его ремонту применяют различные устройства.

1. Мотор-автоматы и тепловые реле

Мотор-автоматы (автоматы защиты двигателя) и тепловые реле используют для обнаружения превышения тока по одной или всем фазам двигателя. В случае превышения через некоторое время происходит отключение привода.

В отличие от мотор-автомата, у теплового реле нет силовой коммутации. Оно имеет только управляющий контакт, который размыкает питание силовой цепи. Мотор-автомат является самостоятельным коммутационным устройством, способным выключать двигатель.

Минус теплового реле заключается в отсутствии защиты от короткого замыкания. Мотор-автомат имеет защиту от перегрузки и электромагнитную защиту от короткого замыкания, которая мгновенно срабатывает и выключает двигатель при превышении тока уставки в 10-20 раз.

Данные устройства используются наиболее широко и при правильной установке и настройке способны с большой долей вероятности защитить электродвигатель и оборудование от поломки и других негативных последствий.

2. Электронные реле защиты двигателей

Данный вид защиты обеспечивает большой выбор различных защит. Основным элементом таких реле является микропроцессор, который анализирует мгновенные значения напряжения и тока и принимает решения на основе заданных настроек. Это может быть выдача сигнала на индикацию либо на отключение двигателя.

3. Термисторы и термореле

Когда по какой-то причине не сработала тепловая защита по перегрузке, последний рубеж обороны — термозащита. Внутрь обмотки устанавливается термочувствительный элемент (как правило, термистор или позистор), который меняет свое сопротивление в зависимости от температуры. При пересечении порога срабатывает соответствующая защита, и двигатель отключается.

Возможно применение более простых дискретных термореле (термоконтактов), которые размыкают контрольную или тепловую цепь, что приводит к аварийной остановке электродвигателя.

4. Преобразователи частоты

Также производители частотных преобразователей рекомендуют устанавливать защитный автомат на входе ПЧ, тепловое реле на выходе и термисторную защиту.

На практике приходится встречаться с различными неполадками в работе электрических машин, причем причины одной и той же неисправности в разных случаях могут оказаться разными.

Чтобы установить причину неисправности, требуется известный навык, который приобретается с течением времени в процессе повседневного обслуживания судовых электрических машин и ухода за ними.

К характерным неисправностям в работе электрических машин надо отнести: искрение на коллекторе, недопустимый нагрев всей машины или отдельных ее частей (подшипников, коллектора, якоря, магнитов), ненормальный шум во время работы, ненормальное напряжение генератора (генератор не развивает напряжения при пуске, дает напряжение меньше или больше нормального при пуске или во время работы), ненормальное число оборотов электродвигателя (двигатель не приходит во вращение при пуске, развивает число оборотов меньше или больше нормального) и чрезмерное потребление тока при пуске.

Недопустимый нагрев

Равномерный перегрев всей машины вызывается в большинстве случаев перегрузкой ее, реже — засорением вентиляционных каналов. В соответствии с этим средствами устранения перегрева являются снижение нагрузки и очистка вентиляционных каналов (продувка их сжатым воздухом).

Перегрев подшипников может происходить вследствие недостаточной смазки или неудовлетворительного их состояния. Следует проверить количество и качество масла или смазки, вращение смазочных колец, осмотреть и заменить износившиеся шарико- и роликоподшипники, проверить зазоры между шейкой вала и вкладышами, пришабрить вкладыши и, если необходимо, перезалить их; иногда приходится проверить и установить правильное положение вала (редкий случай).

Перегрев коллектора вызывается искрением, сильным нажатием щеток, применением слишком мягких щеток или загрязнением коллектора (образующийся при этом налет на коллекторе увеличивает переходное сопротивление между пластинами коллектора и щетками, что ведет к увеличенному выделению тепла), передачей тепла коллектору от других ненормально нагретых частей машины (подшипников или якоря), перегрузкой машины. В зависимости от причины необходимо устранить искрение, отрегулировать нажатие щеток, заменить щетки, почистить коллектор, устранить перегрев соседних частей машины или снизить нагрузку.

Перегрев обмотки возбуждения. Причинами может быть плохая изоляция обмотки, что ведет к междувитковому замыканию (надо высушить катушки), или полное короткое замыкание обмотки катушки (надо устранить короткое замыкание или заменить поврежденную катушку запасной).

Ненормальный шум во время работы машины происходит чаще всего вследствие износа подшипников или если вентилятор задевает за корпус машины. Следует осмотреть и привести в порядок подшипники и вентилятор. В очень редких случаях (при отсутствии должного наблюдения за величиной междужелезного пространства) якорь начинает задевать за расположенные внизу полюсы магнитов. Такое повреждение, сопровождающееся характерным шумом, может окончиться серьезной аварией машины, поэтому необходимо постоянно следить за величиной междужелезного пространства.

Ненормальное напряжение генератора

Для создания напряжения на зажимах генератора необходимо, чтобы он был приведен во вращение каким-либо первичным двигателем и получил возбуждение (т. е. чтобы по обмотке его магнитов был пропущен ток).

Поэтому, если приведенный во вращение генератор, несмотря на включение регулятора возбуждения, не развивает напряжения, необходимо искать причину этого в системе возбуждения.

Прежде всего проверяют мегомметром, нет ли обрыва в цепи возбуждения, и если обрыв имеется, тщательно осматривают всю цепь (регулятор возбуждения, междуполюсные соединения, катушки); обнаруженные при этом неисправности следует устранить. Если окажется, что обрыв имеется внутри той или иной катушки (редкий случай), необходимо заменить ее запасной, а поврежденную сдать в ремонт.

Если имеют дело с многополюсным генератором (с числом полюсов более шести), вывод которого из работы нежелателен, то временно можно вывести поврежденную катушку из цепи, закоротив ее проволочной перемычкой. Для обеспечения нормального напряжения иногда приходится несколько повышать число оборотов двигателя генератора. Вывести из действия поврежденную катушку можно и у электродвигателя, если возросшее при этом число его оборотов не вызовет перегрузки. Во всяком случае при работе машины с выведенной катушкой необходимо усилить наблюдение за машиной.

Если установлено, что обрыва в цепи возбуждения нет, необходимо проверить, правильно ли соединена обмотка возбуждения с якорем, не противоположно ли действие намагничивающего тока действию остаточного магнетизма, и, если надо, пересоединить обмотку.

При потере остаточного магнетизма, если нет возможности намагнитить машину от сети или от постороннего источника, следует дать генератору повышенные обороты или применить мгновенное короткое замыкание генератора тонким проводником между двумя смежными рядами щеток или клеммами генератора. При этом один конец проводника присоединяют к одной клемме, а другим концом на короткое время касаются второй клеммы или пальца соседнего ряда щеток.

Если генератор при холостом ходе дает напряжение ниже нормального, прежде всего надо проверить, развивает ли первичный двигатель должное число оборотов (не занижено ли оно), правильно ли поставлена рукоятка регулятора возбуждения (выведено ли сопротивление полностью) и точно ли на нейтрали стоят щетки. Если все это в порядке, то причиной неисправности может быть междувитковое или короткое замыкание в одной или нескольких катушках возбуждения. В этом случае надо проверить вольтметром напряжения на зажимах катушек; при исправных катушках эти напряжения должны быть одинаковыми; в случае замыкания в катушке напряжения на ее зажимах будет меньше, чем у неповрежденных; поврежденные катушки следует заменить запасными.

Если генератор при холостом ходе дает напряжение больше нормального, то, как и в предыдущем случае, необходимо прежде всего проверить, развивает ли первичный двигатель должное число оборотов (не завышено ли оно), правильно ли поставлена рукоятка регулятора возбуждения и точно ли на нейтрали стоят щетки. Если все это в порядке, то причиной неисправности может оказаться уменьшение зазора (междужелезного пространства) под главными полюсами.

Если генератор при нагрузке развивает напряжение ниже нормального, то причиной этого чаще всего является перегрузка генератора или смещение щеток с нейтрали. Иногда причиной неисправности является неправильное (встречное) соединение параллельной и последовательной обмоток возбуждения (необходимо пересоединить их так, чтобы они действовали согласно).

При достаточно жестком фундаменте и правильно выполненном монтаже машины корпус ее во время работы неподвижен, т. е. не испытывает никаких колебаний (не дрожит), а якорь совершает вращательное движение без биений. Дефекты в устройстве фундамента (недостаточная жесткость) и в монтаже машины (плохая центровка, неуравновешенность якоря и др.), а также получающиеся с течением времени износ подшипников и шеек вала, неравномерная осадка фундамента, ослабление бандажей якоря и т. п. приводят к тому, что машина во время работы начинает вибрировать. Если своевременно не устранить вибрации, она может повлечь за собой серьезные повреждения машины (искривление вала, быстрый износ подшипников и др.). Поэтому при первых же признаках вибрации необходимо установить ее причины и принять меры к их устранению.

Электрические машины чаще всего повреждаются из-за недопустимо длительной работы без ремонта (износ), из-за плохого хранения и обслуживания, из-за нарушения режима работы, на который они рассчитаны.

Все отказы можно разделить на две категории (по причине, повлекшей отказ) — электрические, механические.

К электрическим отказам относятся отказы по причине пробоя изоляции на корпус и между фазами, обрыва проводников в обмотке, замыкания между витками обмотки, нарушения контактов и соединений (паяных и сварных), недопустимого снижения сопротивления изоляции вследствие ее старения или чрезмерного увлажнения, нарушения межлистовой изоляции магнитопроводов, чрезмерного искрения в коллекторных машинах.

К механическим отказам относятся отказы по причине выплавки баббита в подшипниках скольжения, разрушения сепаратора, шариков или роликов в подшипниках качения, деформации вала ротора, образования глубоких дорожек на поверхности коллектора или контактных колец, ослабления крепления сердечников полюсов и статоров к станине, обрыва бандажей или их сползания, ослабления прессовки сердечников, ухудшения охлаждения машины из-за засорения охлаждающих каналов.

Неисправности и повреждения электрических машин, вызывающие отказ, не всегда удается обнаружить путем внешнего осмотра, так как некоторые из них (в основном электрические) носят скрытый характер и могут быть обнаружены только после соответствующих испытаний и разборки машины. Работа по предремонтному выявлению неисправностей и повреждений электрических машин называется дефектацией.

Рассмотрим характерные причины отказа электрических машин.
Пробой изоляции обмотки ротора на корпус приводит к медленному увеличению частоты вращения при пуске асинхронного двигателя. Ротор сильно нагревается даже при небольшой нагрузке. К тем же явлениям приводит нарушение изоляции между контактными кольцами и валом ротора.

Пробой изоляции между фазами приводит к короткому замыканию в обмотке. При коротком замыкании обмотки статора наблюдаются сильные вибрации двигателя переменного тока, которые прекращаются после отключения его от сети, сильное гудение, несимметрия токов в фазах, быстрый нагрев отдельных участков обмотки. В случае короткого замыкания обмотки фазного ротора наблюдается такой же эффект, как при нарушении изоляции между контактными кольцами и валом.

Обрыв проводников обмотки статора асинхронного двигателя вызывает несимметрию токов и быстрый нагрев одной из фаз (в крайнем режиме — обрыв фазы, ротор не вращается или его частота вращения мала, наблюдается сильный шум и быстрый нагрев двигателя).

Обрыв стержня короткозамкнутой обмотки ротора приводит к повышенным вибрациям, уменьшению частоты вращения под нагрузкой, пульсациям тока статора последовательно во всех фазах.

Витковое короткое замыкание обмотки статора или ротора приводит к чрезмерному нагреву электрической машины при номинальной нагрузке.

Нарушение контактов, паяных или сварных соединений в асинхронных двигателях эквивалентно по своему проявлению обрыву витков, стержней короткозамкнутых обмоток или фазы обмотки в зависимости от места нахождения данного соединения.

Нарушение контакта в цепи щеток приводит к повышенному искрению между контактными кольцами и щетками.

Недопустимое снижение сопротивления изоляции может быть следствием сильного загрязнения изоляции, увлажнения и частичного разрушения, вызванных старением изоляции.

Нарушение межлистовой изоляции сердечников магнитопроводов приводит к недопустимому повышению температуры отдельных участков магнитопровода и всего магнитопровода в целом, повышенному нагреву обмоток, выгоранию части магнитопровода (пожар в стали).

Выплавка баббита в подшипниках скольжения и чрезмерный износ подшипников качения приводят к нарушению соосности валов электрической машины и механизма, к появлению эксцентриситета ротора. Выплавка баббита вызывает повышение вибраций электрической машины, которые не исчезают после отключения ее от сети.

Износ подшипников качения приводит к появлению больших сил одностороннего притяжения, в результате чего двигатель не развивает номинальной скорости, а его работа сопровождается сильным гудением.

Повышенные вибрации могут являться также следствием нарушения уравновешенности вращаюшихся частей (ротора, полумуфт или шкива).

Деформация вала ротора приводит к появлению эксцентриситета ротора и больших сил одностороннего притяжения.

Ослабление крепления полюсов и сердечников статоров приводит к повышенным вибрациям, исчезающим после отключения машины от сети.
Ослабление крепления листов магнитопровода вызывает шум и повышенные вибрации двигателя.

Засорение охлаждающих (вентиляционных) каналов приводит к недопустимому нагреву электрической машины или отдельных ее частей.

Выработка коллектора и контактных колец приводит к ухудшению коммутации, быстрому износу щеток и повышенному нагреву контактных колец и коллектора.

Как видно из анализа приведенных возможных неисправностей электрических машин и их влияния на рабочие свойства машин, одни и те же эффекты могут быть вызваны различными причинами. Это часто не позволяет однозначно назвать неисправность электрической машины по ее внешнему проявлению, а вынуждает ограничиться перечнем возможных неисправностей, которые будут уточняться при дефектации с целью последующего их устранения.

Источник: Справочник по электрическим машинам. Том 1. Под ред. И.П. Копылова, Б.К. Клокова.

Неисправности электрических машин можно подразделить на неисправности электрических и механических частей. К наиболее существенным неисправностям по электрическим и токоведущим частям относятся: понижение сопротивления изоляции, пробои, механические разрушения, старение изоляции; у токопроводящих проводов - трещины и надломы, износ, перегрев и расплавление контактных соединений; по механическим частям: трещины валов якорей и подшипниковых щитов, ослабление посадки малого зубчатого колеса на конусной части вала и внутренних колец подшипников на шейках вала якоря тягового двигателя, разрушение сепараторов подшипников, деформация горловин остовов и ослабление подшипниковых щитов в остовах, износ вкладышей и деформация деталей моторно-осевых подшипников, ослабление болтов, крепящих полюсы, щеткодержатели, крышки моторно-осевых подшипников, просадка и поломка пружин подвески тяговых двигателей.

Понижение сопротивления изоляции токопроводящих частей часто вызывается увлажнением и загрязнением поверхностного слоя, из-за попадания в электрическую машину пыли, масла, влаги. Хорошая очистка поверхностного слоя изоляции с последующим покрытием эмалью восстановит защитные свойства изоляции, более глубокое проникновение влаги потребует дополнительной сушки.

Пробои изоляции обмоток на корпус чаще всего возникают при значительном понижении сопротивления изоляции, но могут также появиться при механических повреждениях изоляции, межвитковых замыканиях в катушках, замыкании между двумя изолированными проводниками или старении изоляции. Для устранения неисправности требуется ремонт или замена катушки (обмотки).

Искрение на коллекторе может быть различной интенсивности вплоть до кругового огня (образование на коллекторе мощной дуги, замыкающейся между разноименными щетками). При этом может быть переброс дуги на корпус с оплавлением деталей машины, попавших в область горения дуги. Он возникает при неудовлетворительном обслуживании коллекторно-щеточного узла, загрязнении и замасливании коллектора, скоплении угольной пыли в межламельных канавках, при механических повреждениях или неравномерной выработке коллектора. Меры, необходимые для устранения последствий перекрытия, зависят от его интенсивности. В некоторых случаях достаточно очистить и промыть коллектор и щеточный аппарат, сменить вышедшие из строя шетки и продуть коллекторную камеру сухим сжатым воздухом; в других требуется ремонт и замена вышедших из строя деталей или узлов.

Небольшие подгары и неглубокие задиры устраняются зачисткой и шлифованием коллектора брусками или мелким шлифовальным полотном, укрепленным на деревянной колодке с профилем, соответствующим диаметру коллектора. Необходимо помнить, что при любой механической обработке поверхности коллектора с нее снимается оксидная пленка (политура), что приводит к ухудшению коммутации. Поэтому рабочую поверхность коллектора зачищают и полируют, если не удается удалить загрязнение или подгар чистой салфеткой, смоченной в авиационном бензине или техническом спирте. Состояние коллектора считается нормальным, если все коллекторные пластины имеют одинаковый цвет от светло-коричневого до блестяще-черного с различными оттенками, которые зависят от марки меди и щеток, плотности тока, частоты вращения якоря, температуры коллектора, относительной влажности воздуха и др. Политура нарабатывается несколько часов или суток в зависимости от шероховатости поверхности коллектора и марки щеток.

Следует отметить, что двухходовые обмотки, применяемые на тяговых генераторах, могут создавать на поверхности коллектора разную расцветку коллекторных пластин - две темные и одна светлая или одна светлая и одна темная. Р.сли коллектор имеет глянцевую политуру, то чередующаяся расцветка не вызывает подгара, а если поверхность коллектора становится матовой, то неизбежно появятся подгары коллекторных пластин. Во избежание сильных подгаров и износа щеток при появлении даже незначительного подгара рекомендуется шлифование коллектора.

На коллекторах тяговых электродвигателей также может возникать чередующееся потемнение коллекторных пластин (например, для двигателя ЭД-118)- три светлых и одна темная. Чередующееся потемнение вызывается неравномерной нагрузкой параллельных ветвей обмотки якоря.

Нарушение коммутации может возникнуть по причинам электрического и механического характера. К первым относятся сдвиг щеток с нейтрали, нарушение цепи обмотки добавочных полюсов, в частности ослабление межкатушечных соединений, работа при неисправных (сколотых или сильно изношенных) щетках, вибрации щеток и др. В эксплуатации износ щеток допускается примерно наполовину. Причины механического характера сводятся обычно к нарушению в процессе эксплуатации правильной формы коллектора (местные биения, эллиптичность, эксцентричность), а также к его повреждениям при попадании посторонних предметов. Меры устранения плохой коммутации зависят от причины ее возникновения. При нарушении формы или повреждении коллектора требуется его проточка.

Межвитковые замыкания в обмотках возникают при нарушении целостности изоляции. Необходимо заменить обмотки (катушки). Размотка бандажей (обычно на тяговых электродвигателях) часто связана с превышением максимально допустимой частоты вращения при боксовании; устраняется при ремонте якоря.

Распайка петушков коллектора возникает во время чрезмерного перегрева машины (нарушение вентиляции, длительные перегрузки) или как следствие перекрытия. Повреждение можно устранить только при ремонте якоря.

Межкатушечные соединения, выводные провода и перемычки осматриваются на целостность, надежность соединений и крепления. Целостность и надежность соединений определяют визуально по состоянию и цвету изоляции, так как подвижность (тряска и вибрации) нарушает покровную изоляцию, а ослабление контакта изменяет цвет изоляции вследствие нагрева.

Читайте также: