В чём причины выхода из строя электродвигателя и как это предотвратить?

Как вам, конечно же, известно, электродвигатели в промышленности используются повсюду. С точки зрения технологии они представляют собой довольно сложные устройства, что иногда затрудняет их работу с максимальными техническими характеристиками.

Очень важно помнить, что причины поломок электродвигателя и системы его запуска не ограничиваются одной областью техники. К отказу двигателя могут привести как механические, так и электрические причины. Поэтому грамотное обслуживание электродвигателей требует разносторонних знаний и способно снизить вероятность возникновения дорогостоящего простоя, а также увеличить время автономной работы агрегата. 
Когда электродвигатель выходит из строя, выбор действий невелик. Но до его отказа вы много чего можете сделать для того, чтобы предотвратить возможную неисправность или снизить тяжесть ее последствий. Известно, что наиболее распространенными поломками электродвигателя являются пробой изоляции обмотки и износ подшипников. Однако это всего-лишь следствия большого количества причин.
Далее мы покажем, как заранее обнаружить наиболее распространенные причины отказов, какие для этого потребуются инструменты и дадим рекомендации по выбору стратегии для успешной эксплуатации ваши электродвигателей.

Причины выхода из строя электродвигателей

1. Качество электроэнергии

1.1. Переходное напряжение
1.2. Дисбаланс напряжения
1.3. Гармонические искажения

2. Частотно-регулируемые приводы

2.1. Отражения ШИМ-сигналов на выходе привода
2.2. Сигма-ток
2.3. Перегрузки при эксплуатации

3. Механические

3.1. Несоосность электродвигателя
3.2. Дисбаланс вала
3.3. Люфт вала
3.4. Износ подшипника

1. Качество электроэнергии

1.1 Переходные процессы

Переходные напряжения и токи могут возникать из различных источников, располагающихся как внутри, так и за пределами установки. Включение и выключение смежных нагрузок, работа блоков конденсаторов коррекции коэффициента мощности и даже погодные условия могут создавать переходные процессы в распределительных сетях. Подобные отличающиеся по амплитуде и частоте явления могут приводить к разрушению или пробою изоляции обмоток электродвигателя.

Обнаружение источника подобных помех может быть затруднено из-за их редкого появления и разнообразного проявления. Например, переходные процессы могут возникать в цепях управления. Это не обязательно может привести к повреждению оборудования напрямую, но может нарушать его работу.

Переходные процессы могут возникать из различных источников, располагающихся как внутри, так и за пределами установки

1.2 Дисбаланс напряжения

Трехфазные распределительные сети используют и для подачи питания на однофазные нагрузки. Несбалансированность импеданса или распределения нагрузки может способствовать дисбалансу всех трех фаз. Потенциальные неисправности могут возникать в подводящих кабелях электродвигателя, в концевой заделке кабеля на двигателе и, возможно, в самих обмотках. Подобный дисбаланс способен приводить к возникновению перенапряжений в фазных цепях трехфазной энергосистемы. На простейшем уровне напряжения всех трех фаз всегда должны иметь одинаковую величину.

Дисбаланс напряжения в импедансе или распределении нагрузки может способствовать дисбалансу всех трех фаз

1.3 Гармонические искажения

Если говорить просто, гармоники представляют собой любой нежелательный дополнительный источник высокочастотных переменных напряжений или токов, энергия которого подается в обмотки электродвигателя.

Эта дополнительная энергия не используется для вращения вала электродвигателя, но циркулирует в обмотках и, в конечном итоге, выделяется в виде тепла внутри двигателя. Дополнительный нагрев со временем ухудшает изоляционные качества обмоток.
Однако, некоторое количество гармоник является нормальным. Для исследования гармонических искажений используйте анализатор качества электроэнергии, который позволит проконтролировать уровни электрического тока и температуры на трансформаторах и убедиться, что они не перегружены. Каждая гармоника имеет приемлемый уровень, который определяется такими стандартами, как IEEE 519-2014.

Гармонические искажения – электродвигатель

2. Импульсное регуляторы приводов

2.1. Помехи в цепях ШИМ-регуляторов

В приводах для регулировки частоты вращения используется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Помехи в цепях питания ШИМ-регуляторов возникают в случае несогласованности источника питающего напряжения и цепей регулятора. Все это приводит к превышению уровня помех выше уровня напряжения питания.

1. Захваченная форма сигнала
2. Допустимая огибающая
3. Форма сигнала напряжения

2.2 Блуждающие токи

Блуждающие токи циркулируют через системы защитного заземления, вызывая спонтанные отключения или, в некоторых случаях, перегрев обмоток. 

2.3 Перегрузки при эксплуатации

Когда электродвигатель находится под чрезмерной нагрузкой, возникает его перегрузка. Перегрузку электродвигателя сопровождают такие основные симптомы, как чрезмерный ток потребления, недостаточный крутящий момент и перегрев. Основной причиной отказа электродвигателя является его перегрев.
В случае перегрузки отдельные компоненты электродвигателя, включая подшипники, обмотки и другие компоненты, могут работать нормально, но сам электродвигатель будет продолжать нагреваться. По этой причине имеет смысл начать поиск неисправностей с проверки перегрузки электродвигателя. Поскольку 30% отказов электродвигателей вызваны их перегрузкой, важно понять, как измерять и идентифицировать перегрузку двигателя.

Когда электродвигатель находится под чрезмерной нагрузкой, возникает его перегрузка

3. Механические причины выхода из строя электродвигателя

3.1. Несоосность электродвигателя

Несоосность возникает когда приводной вал электродвигателя неправильно совмещен с нагрузкой или смещен компонент, который обеспечивает соединение электродвигателя с нагрузкой. Многие специалисты считают, что несоосность можно устранить и компенсировать гибким соединением, но такое соединение защищает только от смещения.

Даже с гибким соединением смещенный вал будет передавать на электродвигатель вредные циклические усилия, что приведет к избыточному износу самого электродвигателя и увеличению кажущейся механической нагрузки.

Кроме того, несоосность может передавать вибрацию как на нагрузку, так и на приводной вал электродвигателя. Существует несколько типов несоосности:

1. Угловая несоосность – осевые линии валов пересекаются
2. Параллельная несоосность – осевые линии валов параллельны, но не концентричны.
3. Комбинированная несоосность – комбинация параллельной и угловой несоосности.

Примечание. Почти все случаи несоосности относятся к комбинированным, однако специалисты, говоря о несоосности, рассматривают два отдельных типа, потому что несоосность легче корректировать, работая с угловыми и параллельными компонентами по отдельности.

Угловая несоосность

Параллельная несоосность

Несоосность возникает, когда приводной вал электродвигателя неправильно совмещен с нагрузкой, или смещен компонент, который обеспечивает соединение электродвигателя с нагрузкой.

3.2 Дисбаланс вала

Дисбаланс – это состояние вращающейся детали, когда центр массы не совпадает с осью вращения. Другими словами, где-то на роторе имеется точка дисбаланса. Хотя полностью устранить дисбаланс электродвигателя практически невозможно, можно определить, не выходит ли он за пределы нормального диапазона, и принять меры для устранения проблемы.

Дисбаланс может быть вызван многочисленными факторами, включая:

• накопление грязи;
• отсутствие\разрушение балансировочных элементов;
• брак при производстве;
• неравномерное распределение массы в обмотках электродвигателя и другие факторы, связанные с износом.

Определить, сбалансирована ли вращающаяся машина, поможет тестер или анализатор вибрации.

1. Большой пик 124 ВдБ при скорости вращения 1Х вызван дисбалансом.
2. Причинами других пиков являются различные явления в машине.

Дисбаланс – это состояние вращающейся детали, когда центр массы не совпадает с осью вращения.

3.3 Люфт вала

Люфт возникает, когда между деталями имеется чрезмерный зазор. Он может появляться в нескольких местах:
Причиной возникновения люфта при вращении является чрезмерный зазор между вращающимися и неподвижными элементами машины, например, в подшипнике.
Не связанный с вращением люфт возникает между двумя обычно неподвижными деталями, например, между ножкой и основанием, или корпусом подшипника и машиной.

Как и в случае других источников вибрации, чтобы не терять деньги, важно знать, как обнаружить люфт и устранить проблему. Тестер или анализатор вибрации поможет определить, страдает ли вращающаяся машина от люфта.

Люфт возникает, когда между деталями имеется чрезмерный зазор

3.4 Износ подшипника

Неисправный подшипник имеет увеличенное сопротивление, выделяет больше тепла и имеет более низкую эффективность из-за механических проблем, недостаточной смазки или большого износа.

Неисправность подшипника может возникать, когда:

1. Нагрузка превышает ту, на которую рассчитан подшипник.
2. Смазка подшипника недостаточная или неправильная.
3. Уплотнение подшипника неэффективное.
4. Вал имеет несоосность.
5. Подшипник неправильно посажен.
6. Подшипник имеет нормальный износ.
7. Индуцируется напряжение на концах вала.

Когда подшипник начинает выходить из строя, то создает каскадный эффект, который ускоряет поломку электродвигателя!

Порядка 13% отказов электродвигателей вызваны неисправностью подшипника, и более 60% механических неисправностей в установках вызваны износом подшипников, поэтому важно знать, как устранить эту проблему.

Неисправный подшипник имеет увеличенное сопротивление, выделяет больше тепла и имеет более низкую эффективность из-за механических проблем, недостаточной смазки или большого износа.

Как предотвратить поломку электродвигателя?

Четыре стратегии успеха

В критических процессах на всех производственных предприятиях используются системы управления электродвигателями. Выход оборудования из строя может привести к высоким финансовым потерям, выражающимся как в расходах на замену электродвигателя или его деталей, так и в потерях от простоя оборудования.

Вооружение инженеров-технологов и техников необходимыми знаниями, распределение приоритетов рабочей нагрузки и управление профилактическим обслуживанием для мониторинга оборудования и устранения случайно возникающих, практически неуловимых проблем поможет в некоторых случаях избежать поломок из-за нормальных рабочих нагрузок системы и сократить общие потери из-за простоев.

Существуют четыре основные стратегии, которые можно использовать для восстановления или предотвращения преждевременных повреждений электродвигателя:

1. Документирование рабочего состояния, технических характеристик машины и допустимых диапазонов  рабочих характеристик.
2. Измерение и документирование критически важных параметров при установке двигателя, до и после его обслуживания и на регулярной основе.
3. Создание архива измерений, облегчающего анализ тенденций и определение ступенчатых изменений состояния.
4. Планирование индивидуальных измерений для определения базовых тенденций. Любые изменения более чем на 10-20% (или любое другое значение в процентах, определяемое на основе характеристик или критичности вашей системы) должны исследоваться для выяснения причины возникновения проблемы.

Если вам нужна профессиональная консультация по анализу качества электроэнергии, просто отправьте нам сообщение!

Примеры оборудования:

Смотрите также:

Контроль качества электроэнергии: проблемы и способы их решения

Влияние работы завода на качество электроэнергии в сети электроснабжения общего пользования

Как мониторинг энергопотребления помог заводу МДФ сократить расходы на энергию

Как избавиться от гармоник в энергосистеме

Кейс: диагностика частичных разрядов на концевой заделке кабелей трансформатора 110 кВ в рабочем режиме

Как инфракрасные окна помогают экономить при тепловизионном контроле электрооборудования?