Дополнительная литература:

1. Волынский Б.А., Зейн Е.Н., Шатерников В.Е. Электротехника. Учебное пособие, М., Энергоатомиздат, 1987.

2. Борисов Ю. М., Липатов Д. Н. Общая электротехника, М., энергоатомиздат, 1985.

3. Обща электротехника (под ред. В.С. Пантюшина), 1970.

Лабораторная работа 6 Техническое обслуживание и диагностика электродвигателей переменного и постоянного тока.

Цель работы:

1. Изучить основные приемы диагностики и подготовки к пуску двигателей переменного и постоянного тока.

2. Ознакомиться со способами обнаружения электрических повреждений в двигателях и маркировкой выводов обмоток.

3. Ознакомиться со схемами включения двигателя в сеть.

4. Изучить основные виды неисправностей двигателей и их признаки.

5. Провести проверку механической и электрической части электродвигателя.

6. Научиться определять начала и концы обмоток статора электродвигателя различными способами.

7. Научиться определять по внешнему признаку неисправность двигателя при пуске или работе.

Двигатели переменного тока.

В сельском хозяйстве широко применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. В настоящее время промышленность нашей страны выпускает серию электродвигателей – 4А.

Электрический двигатель при выполнении условий эксплуатации должен проработать 12 000 часов до списания.

При эксплуатации в условиях сельского хозяйства электродвигатели не специальной (сельскохозяйственной) серии служат до выхода из строя в течение 250…600 часов. Чтобы увеличить срок службы необходимо выполнять требования, предъявляемые к электродвигателю при его эксплуатации и периодически проводить техническое обслуживание в соответствии с планом – графиком.

Все основные характеристики электродвигателя представлены на его паспортной табличке. Например: 4А280М2У3 цифры и буквы по порядку означают: 4 – четвертая серия; А – асинхронный двигатель; 280 – высота оси вала от плоскости установки; М – установочный размер по длине статора (S – короткий, M – средний, L – длинный), 2 – число полюсов (в данном случае два); У – климатическое исполнение (для умеренного климата); 3 – категория размещения (всего пять категорий).

Если электродвигатель сельскохозяйственного назначения, то после обозначения числа полюсов пишется буква «С» (например 4А160L4СУ4).

Во время работы двигателя происходит преобразование электрической энергии в механическую. При этом возникают потери:

• магнитные – в стали (на перемагничивание и вихревые токи);

• электрические – потери в меди обмоток статора;

• механические – за счет трения в подшипниках и вращающихся частей о воздух.

Эти потери определяет КПД двигателя – отношение полезной механической мощности, развиваемой электродвигателем, к электрической мощности, потребляемой из сети и определяется по формуле

, (1)

где P_H – номинальная мощность электродвигателя, Вт;

U_H – номинальное линейное напряжение, В;

I_H – номинальный линейный ток, А;

сosφ_H – коэффициент мощности.

Все данные принимаются из паспорта двигателя.

Согласно правилам эксплуатации сельских установок, длительным перерывом при эксплуатации электродвигателя считается срок более одного месяца. При установке двигателя, полученного со склада или вновь приобретенного, следует произвести те же операции, которые предусматриваются правилами при включении его в сеть после длительного перерыва.

Подготовка к пуску после длительного перерыва и техническое обслуживание электродвигателя предполагает проверку механического и электрического состояния двигателя без полной разборки и снятия его с рабочей машины. Проверка технического состояния электродвигателя включает: внешний осмотр, проверку технического состояния подшипников, проверку состояния электроизоляции обмоток статора.

Внешний осмотр – выявление трещин, отколов, ослабление болтовых креплений, исправность вентилятора, его крепления, наличие кожуха вентилятора.

Неисправности электрической части – механические повреждения, трещины, обугливание изоляции подводящих проводов, ненадежность заземления, ослабление крепления проводов и заземления.

Проверка состояния подшипников включает в себя определение осевого и радиального люфта (его не должно быть). Смазку подшипников заменяют на новую.

Неисправности двигателей переменного тока.

1). Двигатель при пуске не разворачивается или скорость его вращения не соответствует паспортной. Причинами указанной неисправности могут быть механические или электрические неполадки.

К электрическим неполадкам относятся: внутренние обрывы в обмотке статора или ротора, обрыв в питающей сети, нарушения нормальных соединений в пусковой аппаратуре. При обрыве обмотки статора в нем не будет создаваться вращающееся магнитное поле, а при обрыве в двух фазах ротора (для двигателей с фазным ротором) в обмотке последнего не будет тока, взаимодействующего с вращающимся полем статора, и двигатель не сможет работать. Если обрыв обмотки произошел во время работы двигателя, он может продолжать работать с номинальным вращающим моментом, но скорость вращения сильно снизится, а сила тока настолько увеличится, что при отсутствии максимальной токовой защиты может перегореть обмотка статора или ротора.

Рис.1. Обрыв в одной фазе обмотки статора,

соединенной в треугольник (а), нахождение обрыва при помощи мультимметра (б).

В случае соединения обмоток двигателя в треугольник и обрыва одной из его фаз ротор двигателя начнет разгоняться, так как обмотки статора окажутся соединенными в открытый треугольник, при котором образуется вращающееся магнитное поле; сила тока в фазах будет неравномерной, а скорость вращения ротора — ниже номинальной. При этой неисправности ток в одной из фаз в случае номинальной нагрузки двигателя будет в 1,73 раза больше, чем в двух других. Когда у двигателя выведены на клеммную колодку все шесть концов его трех фаз, обрыв в фазах определяют мультимметром (рис. 1, б). Обмотку разъединяют и измеряют сопротивление каждой фазы.

Если обмотка статора имеет три вывода, обнаружить обрыв можно путем измерения сопротивления обмотки методом моста. При этом сопротивления между точками 1 - 2 и 2 - 3 (рис. 1, а) должны быть одинаковыми, а между точками 1—3 сопротивление равно сумме сопротивлений обмоток двух фаз. Обрыв в цепи статора, обмотка которого соединена в звезду, может быть определен мультимметром (рис. 2). При этом мультимметр включают поочередно между фазами обмотки 1—2, 2—3 и 1—3. При обрыве в фазе 1 мультимметр, включенный между фазами 2 и 3, покажет нуль, а между фазами 1—2 и 1—3 покажет наличие сопротивления.

Рис.2. Определение обрыва в фазе обмотки статора,

соединенной в звезду, с помощью мультимметра.

2). Двигатель при пуске вращается с неполной скоростью и сильно гудит. (Для двигателя с фазным ротором). Эта неисправность возникает при обрыве в одной из фаз ротора. Обрыв может быть как внутри обмотки ротора, так и в пусковом сопротивлении или в кабеле, соединяющем щетки с пусковым сопротивлением. Двигатель необходимо остановить и с помощью мультимметра найти повреждение.

3). Двигатель плохо разворачивается и сильно гудит, ток во всех фазах неодинаков, а при холостом ходе превышает номинальное значение.

Это возможно при неправильном соединении обмоток двигателя между собой. На рисунках 3 и 4 показаны правильное и неправильное соединения фаз обмотки статора в звезду и треугольник. Как видно из рисунков, одна из фаз оказалась «перевернутой».

Рис. 3. Соединение в звезду. Рис. 4.Соединение в треугольник.

а – правильное, б – неправильное.

Для того чтобы правильно соединить фазы обмотки статора, необходимо знать начало и конец каждой фазы этой обмотки. Если маркировка концов обмотки отсутствует, ее можно восстановить, пользуясь схемой, приведенной на рис.5.

Рис.5. Определение начала и концов фазных обмоток.

Маркировка концов, т.е. определение «начал» и «концов» фаз обмотки, определяется методом трансформации (см. рис 5.). При этом соединяют две любые фазы обмотки последовательно и подключают их в сеть переменного тока на пониженное напряжение, а к свободной фазе подключают электрическую лампочку или вольтметр и замеряют показания вольтметра или степень накала лампочки.

Если вольтметр дает показания или лампочка загорается ярко, то это соответствует соединению между собой двух разноименных выводов («конец» с «началом» или «начало» с «концом»). Если лампочка имеет слабый накал или показания вольтметра отсутствуют (либо малы), то это соответствует соединению между собой двух одноименных выводов фаз («конец» с «концом» или «начало» с «началом»). Следовательно, можно нанести на две последовательные фазы обмотки маркировку («н» - начало, «к» - конец), при этом безразлично, которые из них назвать началами, которые – концами. Для маркировки третьей фазы обмотки нужно повторить опыт, соединив последовательно немаркированную фазу обмотку с любой маркированной. Чтобы избежать перегрева обмотки, этот опыт нужно проводить быстро (в течение 10…15 с).

В производственных условиях, если по какой-либо причине метод трансформации трудно осуществить, разметку концов (выводов) фаз можно произвести методом последовательных включений. Для этого на одной из фаз обмотки проставляют произвольно маркировку «начало-конец». Затем произвольно три вывода разноименных фаз соединяют в одну точку, а три свободных конца кратковременно подключают в сеть под трехфазное напряжение.

Если двигатель не разворачивается или работает ненормально, начинают последовательно менять местами вводы двух немаркированных фаз (переворачивать). Меняя местами концы второй фазы и снова подключают двигатель под напряжение. При неудаче меняют концы третьей фазы. Если и при этом двигатель не работает, снова меняют концы второй. Наибольшее число проб равно трем (при этом первую фазу обмотки не следует менять).

4) Скорость вращения двигателя при полной нагрузке ниже номинальной может быть из-за пониженного напряжения сети, плохих контактов в обмотке ротора, а также из-за большого сопротивления в цепи ротора у двигателя с фазным ротором. При большом сопротивлении в цепи ротора снижается ток ротора, возрастает скольжение двигателя и уменьшается скорость его вращения.

Сопротивление в цепи ротора увеличивается из-за плохого контакта в щеточном устройстве ротора, пусковом реостате, соединениях обмотки с контактными кольцами, а также недостаточного сечения кабелей и проводов между контактными кольцами и пусковым реостатом.

Плохие контакты в обмотке ротора можно выявить, если в статор двигателя подать напряжение, равное 20—25% номинального. Заторможенный ротор медленно поворачивают вручную и проверяют силу тока во всех трех фазах статора. Если ротор исправен, то при всех его положениях сила тока в статоре одинакова, а при обрыве или плохом контакте будет изменяться в зависимости от положения ротора.

5) Двигатель разворачивается (вращается) при разомкнутой цепи фазного ротора. (Для двигателя с фазным ротором).

Причина неисправности — короткое замыкание в обмотке ротора. При включении двигатель медленно разворачивается, а его обмотки сильно нагреваются, так как в замкнутых накоротко витках вращающимся полем статора наводится ток большой величины.

Короткие замыкания возникают между хомутиками лобовых частей, а также между стержнями при пробое или ослаблении изоляции в обмотке ротора. Это повреждение определяют тщательным внешним осмотром и измерением сопротивления изоляции обмотки ротора.

Если при осмотре не удается обнаружить повреждение, то его определяют по неравномерному нагреву обмотки ротора на ощупь, для чего ротор затормаживают, а к статору подводят пониженное напряжение.

6) Равномерный нагрев всего двигателя выше допустимой температуры может возникнуть в результате длительной перегрузки или ухудшения условий охлаждения.

Повышенный нагрев вызывает преждевременный износ изоляции обмоток. Для обеспечения нормальных сроков службы двигателей (10—15 лет) необходимо, чтобы рабочая температура отдельных частей обмоток не превышала рабочих величин, т.е. нагрузка не должна превышать номинальное значение длительное время.

7)Местный нагрев обмотки статора, который обычно сопровождается сильным гудением, уменьшением скорости вращения двигателя и неравномерными токами в его фазах, а также - запахом перегретой изоляции.

Рис. 6. Неисправности в обмотке статора.

Эта неисправность может возникнуть в результате неправильного соединения между собой катушек в одной из фаз (рис. 6, а), замыкания обмотки на корпус в двух местах (рис. 6, б), замыкания между двумя фазами (рис. 6, в), короткого замыкания между витками в одной из фаз обмотки статора (рис.6, г).

При замыканиях в обмотках статора двигателя вращающимся магнитным полем в короткозамкнутом контуре будет наводиться э. д. с., которая создаст ток большой величины, зависящий от сопротивления замкнутого контура. Поврежденная обмотка может быть найдена по величине измеренного сопротивления, при этом поврежденная фаза будет иметь меньшее сопротивление, чем исправные.

8) Местный нагрев активной стали статора происходит из-за выгорания и оплавления стали при коротких замыканиях в обмотке статора, а также при замыкании листов стали вследствие задевания ротора о статор во время работы двигателя или вследствие разрушения изоляции между отдельными листами стали. Признаками задевания ротора о статор являются дым, искры и запах гари; активная сталь в местах задевания приобретает вид полированной поверхности; появляется гудение, сопровождающееся вибрацией двигателя.

Причиной задевания служит нарушение нормального зазора между ротором и статором (рис.7.) (который определяют щупом). Нарушение зазора является следствием износа подшипников, неправильной их установки, большого изгиба вала, деформации стали статора или ротора, одностороннего притяжения ротора к статору из-за витковых замыканий в обмотке статора, сильной вибрации ротора. Измерения зазора меду ротором и статором повторяют три-четыре раза, каждый раз сдвигая ротор на 90°. Средним зазором считается среднее арифметическое значение всех измеренных зазоров. Наибольшие отклонения не должны превышать ±10% средней измеренной величины. Чтобы устранить неисправность, двигатель отправляют в ремонт.

Рис.7. Допустимые зазоры между ротором и статором.

9) Ненормальный шум в двигателе.

Нормально работающий двигатель издает равномерное гудение, которое характерно для всех машин переменного тока. Возрастание гудения и появление в двигателе ненормальных шумов может являться следствием ослабления запрессовки активной стали, пакеты которой будут периодически сжиматься и ослабляться под воздействием магнитного поля. Для устранения дефекта необходимо перепрессовать пакеты стали.

Сильное гудение и шумы в машине могут быть также результатом неравномерности зазора между ротором и статором (рис.8).

Рис. 8.Взаимное расположение статора и ротора.

а – при правильном монтаже машины, б – при неподвижном состоянии в случае несовпадения магнитных осей статора и ротора, в – при смещении ротора до упора в подшипник.

1 – статор, 2 – ротор, 3 – ось статора, 4 – ось ротора.

10) Повреждение изоляции обмоток может произойти из-за длительного перегрева двигателя, увлажнения и загрязнения обмоток, попадания на них металлической пыли, стружек, а также в результате естественного старения изоляции. Повреждение изоляции может вызвать замыкание между фазами и витками отдельных катушек обмоток, а также замыкание обмоток на корпус двигателя.

Увлажнение обмоток происходит в случае длительных перерывов в работе двигателя, при непосредственном попадании в него воды или пара, в результате хранения двигателя в сыром, неотапливаемом помещении и т. д.

Металлическая пыль, попавшая внутрь машины, создает токопроводящие мостики, которые постепенно могут вызвать замыкание между фазами обмоток и на корпус. Необходимо строго соблюдать сроки осмотров и планово-предупредительных ремонтов двигателей.

Сопротивление изоляции сильно зависит от температуры изоляции. Правилами устройства электроустановок (ПУЭ-76) сопротивление изоляции измеряется при температуре окружающей среды 10…30°С. Качество изоляции считается хорошим и электродвигатель разрешается эксплуатировать, если сопротивление изоляции по отношению к корпусу будет больше 1000 Ом на каждый вольт напряжения сети, т.е. для низковольтных двигателей (до 500 В) наименьшим допустимым сопротивлением изоляции считается 500000 Ом (0,5 МОм).

Если сопротивление изоляции окажется меньше допустимого, но замыканий на корпус нет, двигатель должен быть подвергнут сушке. Сушка производится при температуре 70…100°С. Заканчивать сушку желательно не тогда, когда сопротивление изоляции достигнет значения выше минимальной допустимой величины, а сушить до момента, когда дальнейшее увеличение сопротивления изоляции прекратится. Измерение сопротивления изоляции мегомметром производится при устойчивом положении стрелки прибора, для чего рукоятку прибора вращают со скоростью 120 мин^-1. Определить сопротивление изоляции можно также при помощи мультиметра.

Замыкание обмотки на корпус двигателя обнаруживают мультиметром, а место замыкания — способом «прожигания» обмотки или методом питания ее постоянным током. Способ «прожигания» заключается в том, что один конец поврежденной фазы обмотки присоединяют к сети, а другой — к корпусу двигателя. При прохождении тока в месте замыкания обмотки на корпус образуется «прожог», появляются дым и запах горелой изоляции.

Заводская маркировка имеет следующие обозначения: С₁, С₂, С₃ – начала первой, второй и третьей фаз обмотки; С₄, С₅, С₆ - концы первой, второй и третьей фаз обмотки. Для возможности правильного пуска двигателя надо знать напряжение в сети и номинальное напряжение двигателя и помнить, что меньшее напряжение в паспорте двигателя соответствует схеме соединения обмоток в треугольник, а большее - звезде.

Короткозамкнутые двигатели обычно пускаются прямым включением в сеть. При этом получают «толчки» тока, достигающие пяти-семи кратного значения от номинального. Эти толчки при кратковременном протекании безопасны для двигателя.

Характер изменения величины тока статора при переключении с треугольника на звезду виден из следующего. Если обозначить сопротивление фазы двигателя через z, то ток фазы при звезде:

, (2)

а при соединении в треугольник

, (3)

Ток, потребляемый двигателем из сети (линейный ток),

, , (4)

откуда: (5)

Следовательно: , т.е. переключением двигателя с треугольника на звезду достигается снижение пускового тока в три раза. Однако и момент, развиваемый электродвигателем уменьшается в три раза, т.к. напряжение фазы двигателя при звездеU_фY=U_л/, а при треугольнике U_ф∆=U_л. Поскольку , то:

; (6)

Такой величины момент может в некоторых случаях оказаться недостаточным для разбега агрегата. Поэтому прежде чем решить вопрос о применении этого способа уменьшения пускового тока, необходимо оценить, достаточен ли будет получающийся при этом момент на валу двигателя для привода рабочей машины.