От надежной работы всего электрооборудования кранов, особенно электродвигателей, зависит ритмичность технологических процессов в цехах большинства промышленных предприятий.
Современные электродвигатели имеют достаточно высокие расчетные показатели надежности. Однако в процессе эксплуатации даже при правильно выбранных режимах возможно повышение температуры обмоток электродвигателей сверх допустимых значений вследствие отклонений условий эксплуатации от нормальных и возникновения аварийных режимов.
Например, электроприводы большинства работающих механизмов мостовых кранов характеризуются повторно-кратковременным режимом работы при большой частоте включений (120 - 240 включений в час), значительной продолжительностью включения (ПВ = 40 - 60 %), широким диапазоном регулирования частоты вращения (5:1) и перегрузками, постоянно возникающими в процессе разгона и торможения механизмов.
Практикой установлено, что отказы крановых электродвигателей переменного тока происходят в 2—3 раза чаще, чем электродвигателей прочих механизмов. Замеры показывают, что после каждого капитального ремонта электродвигателей их к. п. д. снижается на несколько процентов и примерно в 1,5 раза сокращается длительность работы до следующего повреждения изоляции.
С целью получения объективной информации о повреждаемости крановых электродвигателей был собран и обработан статистический материал об их отказах за 5 лет работы кранов на предприятии.
За исследуемый период из 112 электродвигателей, установленных на различных механизмах мостовых кранов предприятия, 77 (68,75 %) вышли из строя и были направлены в электроремонтный цех.
Анализ данных позволяет сделать следующие общие выводы.
Наибольшее число отказов крановых электродвигателей (75,3%) произошло из-за пробоя изоляции на корпус, между витками или фазами. Далее следуют отказы вследствие перекрытий контактных колец ротора электрической дугой (7,8%), распайки и обрыва соединений (6,5), понижения сопротивления изоляции обмоток (5,2) и механического разрушения отдельных узлов электродвигателя (5,2).
Как свидетельствуют полученные данные, пробой изоляции происходит по самым различным причинам, но чаще всего из-за недопустимого перегрева обмоток ротора (36,4%) и статора (31,2%).
Крановые электроприводы работают в условиях колебаний частоты и напряжения питающей сети, запыленности, несимметрии напряжения питания, неполнофазных режимов работы и т. д. Влияние перечисленных факторов и температуры окружающей среды приводит к перегреву изоляции обмоток двигателей и ее преждевременному износу.
Это подтверждается и тем, что наибольший выход из строя крановых электродвигателей происходит в жаркие месяцы года (июнь — сентябрь), когда из-за необходимости выполнения определенных видов работ в экстремальных температурных условиях перегревы обмоток достигают наибольших значений, что приводит к нарушению регламентируемого режима работы привода.
Многочисленные перегрузки двигателей при неблагоприятных условиях охлаждения способствуют резкому повышению температуры нагрева роторной и статорной обмоток. Это связано с тем, что, с одной стороны, при нагрузках, близких к максимальным, потери в меди возрастают во второй степени и выше, а с другой — ухудшается теплопередача от обмотки к стали сердечника при выделении большего количества тепла.
Поэтому, если, например, при номинальной нагрузке температура статора и ротора асинхронных машин повышается со скоростью 0,2 °С в секунду (что соответствует колебаниям температуры около 30 °С в течение стандартного десятиминутного цикла), то при нагрузке, равной 0,8 максимальной (2Мном), скорость нарастания температуры обмоток увеличивается в 30 раз.
При больших маховых моментах инерции механизмов (например, механизма передвижения моста) для перегрева обмоток может быть достаточно двух — четырех пусков, следующих один за другим, при эквивалентной нагрузке в цикле, не превышающей допустимую.
Учитывая перечисленные факторы, при эксплуатации кранов не следует допускать превышения номинального момента асинхронных двигателей (при ПВном = 40%) более чём в 1,7 раза. Кроме того, максимальный пиковый момент не должен быть более 2,5 Мном.
Неисправности тормозных устройств также приводят к перегрузке и отказу крановых электродвигателей.
Существующие тормозные устройства имеют большие тормозные моменты, выбираемые в соответствии с требованиями безопасности при останове механизмов, что обусловливает резкое замедление их движения и интенсивное раскачивание груза, приводящее к снижению производительности крана. При этом из-за разных значений тормозных моментов, действующих на приводные колеса, происходит их неодинаковый износ и, как следствие, "рез кромки колес" и "подклинивание" в механизмах передвижения.
Для устранения этих недостатков замедление кранов целесообразно реализовывать электродвигателями, работающими в режиме динамического торможения, а механические тормоза использовать только для останова и в случае аварий.
В механизмах передвижения моста целесообразно применение системы электрического вала с динамическим торможением, что позволит снизить перегрузки электродвигателей, улучшить управление краном, уменьшить число включений электродвигателей при пуске и торможении.
При регистрации реальных длительностей режимов нагружения электродвигателей кранов на предприятии установлено, что 20,8 % их отказов наблюдается в условиях, когда фактическая продолжительность включения превышает нормированную, при этом передаваемая механизму мощность не снижается. Особенно это характерно для двигателей привода передвижения моста и тележки.
Применение тепловой защиты на биметаллических реле в данном случае неэффективно, так как характер нагрузки — повторно-кратковременный, интервал изменения температуры окружающей среды — значительный и, кроме того, существует разность температур в местах установки электродвигателей и тепловых реле.
Как показывает опыт, тепловые реле при больших перегрузках обычно отключают электродвигатель и при неопасных температурах обмоток, вызывая излишние простои крана, при малых же перегрузках (меньше 2,5Мном), приводящих к опасному нагреву обмоток, двигатель может быть не отключен.
Число отказов электродвигателей из-за нарушения вентиляции невелико (5,2 %). Обычно считается, что именно по этой причине выходят из строя двигатели в летние месяцы. Однако следует отметить, что объективно этот фактор влияет и на многие другие причины отказов.
Увеличение в этот период отказов в 1,5—2 раза обусловлено совокупным неблагоприятным воздействием ряда таких факторов, как перегрузка электродвигателей вследствие их более интенсивной работы, механического "подклинивания" механизмов передвижения, ухудшения условий охлаждения обмоток электродвигателей и т. д.
Анализ отказов крановых электродвигателей из-за нарушения целостности цепи ротора, показал, что они составляют около 13 % общего числа отказов.
Введение специального реле контроля обрыва фаз цепей ротора наряду с другими видами защит, очевидно, усложнило бы схему управления краном. Однако применение такой защиты совместно, например, с защитой от перегрева изоляции обмоток электродвигателя и последующей сигнализацией крановщику было бы целесообразно.
При обрыве цепи в месте токоподвода к ротору, в частности в области контактных колец, в реостате или токоподводе через троллеи, указанная комплексная защита позволила бы предупреждать обслуживающий персонал о наличии неисправности, и таким образом предотвращался бы выход электродвигателя из строя из-за перегрева при работе в двухфазном режиме на "упор".
Анализ показывает, что основная причина повреждений электродвигателей — их длительная работа с перегрузкой без надлежащего контроля основных электрических, тепловых и механических параметров.
Приведенные фактические данные свидетельствуют о том, что одним из реальных направлений повышения эксплуатационной надежности и увеличения межремонтных сроков эксплуатации крановых электродвигателей является применение более совершенной температурной защиты или специального комплекта защитных устройств.
Наиболее эффективный способ повышения эксплуатационной надежности электродвигателей состоит в применении защитных устройств, которые могут отключать двигатель при любых режимах, приводящих к чрезмерному перегреву обмоток, позволяют полностью использовать перегрузочную способность в пределах допустимых перегревов, имеют достаточное быстродействие и минимальное время возврата в исходное состояние после устранения неисправности или перегрузки.
Такие защиты реагируют на температуру нагрева обмотки с помощью заложенных при ее изготовлении или встроенных температурных индикаторов или реле, установленных в наиболее нагретых точках обмоток. В этом случае исключается также влияние температуры окружающей среды на функционирование защитного устройства.
Из опыта разработки тепловых защит известно, что наиболее совершенной является температурно-токовая, реагирующая одновременно на два параметра: температуру обмотки и ток, потребляемый электродвигателем.
Наиболее перспективной в этом направлении является встроенная температурно-токовая защита с применением в качестве термодатчиков позисторов (полупроводниковых терморезисторов с положительным температурным коэффициентом возрастания электрического сопротивления).
В заключение, на основе наших исследований и анализа данных за последние пять лет, мы видим, что неисправности крановых электродвигателей остаются актуальной проблемой для многих промышленных предприятий. Несмотря на высокие расчетные показатели надежности современных электродвигателей, условия эксплуатации и аварийные ситуации могут привести к их повреждению.
Благодаря анализу данных, мы можем выделить ключевые тренды и паттерны неисправностей, что позволяет предпринимать своевременные меры по предотвращению аварийных ситуаций.
Важно подчеркнуть, что регулярное техническое обслуживание и мониторинг состояния электродвигателей могут значительно повысить их надежность и продолжительность службы. Также, инвестиции в современные системы автоматизации и мониторинга могут помочь предотвратить множество потенциальных проблем.
Яков Кузнецов
