Протокол №3 от 28. 11. 2019 г. Рецензенти

ВСТУП
Незважаючи на активне впровадження в практику роботи вітчизняних підприємств гірничо-видобувної та металургійної промисловості, транспорту нових сучасних типів електроприводів (ЕП), очікувана ефективність їх роботи продовжує залишатися проблемою, яка вимагає свого вирішення.
Перш за все, цепов язано з такою важливою складовою проблеми, як надійність електроприводів.
Щорічно виходить з ладу і ремонтується до 30% парку електричних двигунів (ЕД, що використовуються в промисловості, і до 70%, що використовуються на транспорті. В переважній більшості, після ремонту електричні двигуни повертаються на підприємства, де продовжують експлуатуватися до наступного виходу з ладу.
Кількість ремонтів може становити 3..4 при значному зменшенні часу напрацювання на відмову до 0,5..1,5 року. Дана ситуація пояснюється тим, що електротехнічна сталь в процесі ремонту піддається механічних пошкоджень, і електричні двигуни, які знову надійшли на виробництво, мають реальні експлуатаційні показники значно нижче, ніж задекларовані заводом-виробником. Крім того, імпульсний характер напруги живлення, який властивий сучасним перетворювачів, без прийняття допоміжних заходів, також прискорює процес виходу електричного двигуна з ладу. При виборі підходів до визначення раціональних шляхів зниження аварійності ЕД слід мати на увазі ту обставину, що будь-який вихід з ладу електричної машини або її частини є результатом взаємовпливу певних факторів,

6
що проявляються у формі електромагнітних впливів і полів, механічних вібрацій та ін. По суті, саме аналіз таких факторів використовується для оцінки надійності електродвигунів у вигляді констатації перевищення температури, тривалості її впливу. Однак все, що стосується енергетичної сторони цього процесу, розглядається, як правило, з точки зору процесів перетворення енергії. При
існуючих підходах ЕД, по-перше, аналізується як об’єкт з відомими електричними характеристиками, обумовленими безпосередньо технологією його виробництва, якістю електротехнічних матеріалів, комплектуючих деталей, що входять в його конструкцію, а подруге, як складова комплексу з хаотичним взаємозв'язком складових. При цьому факт старіння ЕД в цілому не аналізується як технічне явище, пов'язане, з одного боку, зі зміною характеристик елементів в ході експлуатації, аз іншого – з експлуатаційними відмовами.
Відомо, що показники надійності ЕД є характеристикою методів і підходів господарювання у відповідному електротехнічному підрозділі, ділянці тощо. На жаль, насиченість парку електричних машин двигунами, які пройшли ремонт, не завжди, а точніше ніколи не враховується при аналізі та оцінці показників надійності електромеханічних систем (ЕМС). З огляду на ту обставину, що ЕД, що пройшли ремонт, мають характеристики, що відрізняються від заводських номіналів, можна раз стверджувати про неминучість високої аварійності систем електроприводів в умовах відсутності систем моніторингу
їх стану. Очевидно, що домогтися радикального підвищення

7
працездатності електричних машин, як невід'ємної складової електротехнічного комплексу, можна, якщо основним критерієм їх ціннісних характеристик буде не очікувана надійність, що є досить усередненими параметром, а працездатність, виражена через фізичний контрольований параметр, наприклад, опір ізоляції, вібрацію, шум і т.п. Розглядаючи працездатність як параметр, що характеризує надійність, відзначимо, що згаданий параметр є деякою змінною, що знижується в міру роботи агрегату до очікуваного виходу з ладу в результаті аварії і залежить як від характеристик електромеханічного агрегату, так і від якості енергії живлення і якості її перетворення. Не відкидаючи інших вагомих об'єктивних моментів в цій проблемі, слід зазначити, що для електроприводу, як електромеханічної системи, головним, безумовно, є необхідність постійного контролю як параметрів, так і їх коливань, змін, взаємовпливу складових системи "перетворювач - електричний двигун - робочий механізм "в процесі експлуатації.
Аналіз методів оцінки параметрів електричних двигунів електроприводів вказує на необхідність пошуку принципово нових науково-технічних рішень, які відрізняються від відомих простотою і можливістю часткової або повної автоматизації безпосередньо в складі електромеханічної системи.
Зазначена проблема може бути вирішена за умови, якщо електропривод буде обладнаний системою моніторингу, яка контролює зміна характеристик і приймає рішення щодо виведення з експлуатації електричних

8
двигунів, якщо параметри ЕМС змінюються настільки
інтенсивно, що його аварійний вихід з ладу можливий раніше настання терміну планового відключення для технічного огляду. Для цього необхідне створення математичного апарату, що дозволяє визначати параметри електродвигунів і ймовірності їх безвідмовної роботи на основі інформації про доступні безпосередньому контролю миттєвих значеннях змінних стану в процесі експлуатації.
Рішення проблеми саме в такій постановці і розглядається в цьому посібнику. Матеріал посібника це елементи лекцій і практичних занять навчального курсу
«Моделювання та діагностика електромеханічних об'єктів», який автори викладають студентам-магістрантам, что навчаються за спеціальністю 141 - Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка у Кременчуцькому національному університеті
імені
Михайла
Остроградського.

9
РОЗДІЛ 1.
ОСОБЛИВОСТІ ПОБУДОВИ СИСТЕМ
МОНІТОРИНГУ СИСТЕМ ЕЛЕКТРОПРИВОДА
1.1. Аналіз стану
електромеханічних
перетворювачів
енергії в системах
електроприводів
Аварійність електричних приводів на підприємствах
України і особливо в гірничій промисловості вкрай висока.
Домінуючим фактором є надійність роботи електричних двигунів електроприводів, яка за останні роки знизилася в окремих випадках в десятки разів. Аналіз причин виходу з ладу електричних машин дозволяє виділити наступне:
 неякісне, некваліфіковане обслуговування електроустаткування з боку обслуговуючого виробничого персоналу, що призводить до порушення регламентованих вимог і, в кінцевому підсумку, виходу машини з ладу
 відсутність в практиці експлуатації уніфікованих пристроїв захисту, які дозволяли б не тільки виконувати регламентні вимоги до експлуатованих режимам, але і, що найголовніше, виключити технічну некомпетентність з боку обслуговуючого персоналу.
Якщо перша причина в якійсь мірі асоціюється з некомпетентним обслуговуванням, то друга - повязана з нерозумінням і ігноруванням правил і норм експлуатації. Парк електричних машин насичений електродвигунами

10
різних конструкцій, більшість з яких багаторазово знаходилося в ремонті. Висока аварійність таких машин, як правило, обумовлена не поганою якістю ремонту, а відсутністю технічної документації та інформації, з якої можна було б судити про навантажувальну здатність електричної машини, що вийшла з ремонту [1-3]. Досвід показує, що в умовах, що склалися, а також з-за певних технічних особливостей і причин, електрична машина що виходить з ремонту має інші паспортні дані в порівнянні з тими, які визначені заводом-виробником.
Електричні машини різних типів, як правило, ремонтуються в умовах спеціалізованих цехів і підприємств. В окремих випадках, при незначних пошкодженнях або в разі використання великих електричних машин, їх ремонтують на місці.
Технологічна різноманітність і складність ремонту залежить від виду електрообладнання. Так, в умовах складних систем електроприводу, обладнаних, наприклад, тиристорними перетворювачами, основна частина електроремонтних робіт виконується на місці: відмови тиристорних перетворювачів встановлюються відповідними службами, логічні і релейно-контакторні системи ремонтуються або піддаються заміні. З огляду на значний термін служби електричних машин, стає очевидним, що щорічно ремонтується в кілька разів більше електричних машин, ніж випускається на електромашинобудівних підприємствах. Можна вважати, що потужність електричних машин і їх тип, умови експлуатації і інші чинники визначають можливий розкид показників надійності систем електроприводів.

11
Більше 80% електроремонтних підприємств і цехів входять в структуру відповідної галузі, решта - в структуру електротехнічної промисловості.
Технічний рівень електроремонтних підприємств, як правило, нижче відповідного показника, характерного для електромашинобудівних заводів, з кількох причин в системі підприємств електромеханічної промисловості електроремонтні підприємства не є основними, тобто базовими, і їм уваги приділяється менше; в структурі інших галузей промисловості немає реальних можливостей створити умови, хоча б частково відповідають умовам електромашинобудівних заводів.
Показником надійності електричної машини є
інтенсивність відмов. Теорія надійності розрізняє три характерні типи відмов, які є внутрішньо притаманними машині і проявляються незалежно від обслуговуючого персоналу. До них відносяться відмови:
 що відбуваються протягом раннього періоду експлуатації машини
[4]. Вони називаються прироботочними відмовами і в більшості випадків відбуваються внаслідок поганої технології виробництва і низької якості контролю деталей машини при виготовленні і складанні;
 викликані зношенням окремих частин машини [1, 4].
Відмови за рахунок зношення деталей – ознака старіння машин. У багатьох випадках відмови в роботі машини можуть бути обмежені шляхом заміни їх новими під час ремонту машини;
 раптові – в період нормальної експлуатації машини, що виникають в результаті стрибкоподібного зміни

характеристик або параметрів машини під впливом раптових перевантажень або інших факторів [1, 4]. Ці випадкові відмови підкоряються певним загальним закономірностям, їх інтенсивність протягом досить великого періоду експлуатації машини приблизно постійна. Не дивлячись на вдосконалення технологій виготовлення конструкційних матеріалів і технологій ремонту, у всьому світі показники надійності електрообладнання приблизно такі. Із загальної кількості пошкоджених електродвигунів, близько 78% ремонтується і 22% замінюються резервними. Типи аварій включають пробый і коротке замикання на землю (28%), електричні несправності (32%) і механічні ушкодження (31%). У більшій частині пошкодження проявляються в ізоляції обмоток (50%) і підшипникових вузлах (29%). В якості причин аварій можна виділити: пробій ізоляції (30%), перегрів (26%) і механічні ушкодження (20%). Причини аварій викликані нормальним фізичним старінням і зносом
(34%), незадовільним мастилом (15%), підвищеною вологістю (10%). Відповідальність за аварію лягає на недостатнє профілактичне обслуговування (17%), Дана ситуація обумовлена тим, що з кожним роком парк електричних машин і електромеханічного устаткування фізично все більше і більше застаріває так як випуск нових електричних машин істотно знизився. Це добре видно з аналізу статистичних даних випуску електричних двигунів[5] (рис. 1.1), шт. за період 1940-2002 рр.
Приватизація промислових підприємств, переведення
їх з державної в «відкриті акціонерні товариства», «закриті

13
акціонерні товариства» та інші форми власності не сприяє оновленню парку електрообладнання.
1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 1 10 3
1 10 4
1 10 5
1 10 6
1 10 7
2
k
1
k
шт.
год
Рисунок 1.1 – Статистичні дані з випуску електричних двигунів:
1
k
- електромашини, включаючи заглибні електродвигуни,
2
k
- вибухобезпечні електродвигуни В переважній більшості, підприємства прагнуть створювати власні ремонтні цехи, що призводить до зниження надійності електрообладнання через недостатню кваліфікацію ремонтного персоналу, відсутність необхідного випробувального та діагностичного обладнання, порушення технології відновлення і ремонту, тощо.
Така ситуація призводить до зниження загальної надійності всіх вузлів і елементів електромеханічного обладнання - магнітної системи, обмоток статора і ротора, підшипників, колектора або контактних кілець і щіткового пристрою. Вихід з ладу будь-якої з цих частин призводить до відмови в роботі машини. Слід зазначити, що відмови

14
зазвичай передують внутрішні зміни в машині, як-то: зростання втрат, температури нагріву, споживаної потужності. Як показує досвід експлуатації численного парку електричних машин загального застосування і спеціального призначення, виділяють два види надійності машини: конструкційну і експлуатаційну.
Конструкційна надійністьбудь-якої електричної машини в цілому залежить від числа і якості застосованих в ній вихідних активних і конструкційних матеріалів, виготовлення або ремонту її основних вузлів і деталей. Для надійності електричної машини необхідно підвищення якості вихідних матеріалів, збільшення точності і поліпшення якості виготовлення деталей, вдосконалення технології складання і приймально-здавальних випробувань електричної машини. Найважливіше з цих заходів – підвищення якості та нагрівостійкості корпусної та провідникової ізоляції обмотувальних проводів (оскільки більшість пошкоджень в електричних машинах в процесі їх експлуатації відноситься до обмоток статорів і якорів), а також підшипникових вузлів машин [6-9]. В процесі експлуатації великого числа електричних машин в них періодично з'являються випадкові несправності в роботі і вимушені зупинки. Маючи в своєму розпорядженні статистичні дані про відмови в роботі машин і використовуючи теорію ймовірностей і методи математичної статистики, можна встановити деякий середній час безвідмовної роботи цих машин між двома несправностями або відмовами, яке служить одним з важливих кількісних показників експлуатаційної надійності

15
машини.
Електроприводи з двигунами постійного струму.
Накопичено достатньо достовірний статистичний матеріал, що стосується експлуатаційної надійності електричних систем електроприводу. Дослідження в даному напрямку, як правило, дублюють відомі результати, і необхідності в їх проведенні немає [1, 10, 11].
Найбільше число відмов в машинах постійного струму припадає на колекторно-щітковий вузол і на підшипники [3,
4]. У системах електрифікованого транспорту згадані відмови складають 44-66%, в екскаваторному приводі - понад 60%. До характерних пошкоджень колектора відноситься зміна його форми через нерівномірного зносу, підгоряння і оплавлення пластин колектора при несприятливій комутації.
Пошкодження корпусної ізоляції хоча менш об'ємні, однак наслідки, як правило, більш важкі. В основному, це порушення ізоляції між провідниками секції; розпаювання з'єднувальних півників з колекторними пластинами руйнування бандажів, що утримують обмотку якоря.
Тяжкість наслідків таких пошкоджень пояснюється невчасністю відключення через недосконалість захистів, з одного боку, а також неможливістю миттєвої зупинки двигуна в переважній більшості механізмів через
інерційності обертових частин, з іншого.
Пошкодження обмотки збудження, додаткових полюсів і компенсаційної обмотки, в основному, пов'язані з пробоєм корпусної ізоляції. Характерно те, що компенсаційні обмотки виходять з ладу порівняно частіше