книги / Надежность электрических машин
..pdfФедеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»
А.И. Судаков, Е.А. Чабанов
Надёжность электрических машин
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского государственного технического университета
2008
УДК 621.313 С89
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор Ф.Н. Сарапулов (Уральский государственный технический университет – УПИ);
д-р техн. наук, профессор Е.Ф. Беляев (Пермский государственный технический университет)
Судаков, А.И.
С89 Надёжность электрических машин: учеб. пособие / А.И. Судаков, Е.А. Чабанов. – Пермь: Изд-во Перм. гос.
техн. ун-та, 2008. – 332 с.
ISBN 978-5-88151-958-2
На базе основ теории вероятностей и математической статистики рассмотрены количественная оценка надёжности и часто встречающиеся законы распределения отказов электрических машин, а также методика проведения определительных, контрольных и ускоренных испытаний на надёжность электрических машин малой мощности. Представлены варианты расчёта надёжности электрических машин с акцентом на конструктивную надёжность при их проектировании, а также разработано задание по освоению критериев Пирсона, Колмогорова с использованием вероятностно-статистических методов исследований по опытным данным переходных процессов синхронных машин с впервые введенным новым случайным признаком.
Предназначено для студентов старших курсов очного, заочного и дистанционного обучения по направлению 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».
|
УДК 621.313 |
ISBN 978-5-88151-958-2 |
ГОУ ВПО |
|
«Пермский государственный |
|
технический университет», 2008 |
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Общеизвестно, что теория надёжности любых технических устройств, в том числе электрических машин, базируется на случайных отказах, поэтому даже наилучшие конструкции машин, совершенная технология их изготовления и правильная эксплуатация не исключают полностью возникновения отказов в работе, которые внутренне присущи техническим устройствам и проявляются без всякой вины со стороны обслуживающего персонала.
В предлагаемом пособии основное внимание уделено практическому применению основ теории вероятностей и математической статистики к решению вопросов надёжности электрических машин. В связи с этим уместно привести профессиональное мнение специалистов в области методов статистического анализа, представленное в книге «Анализ данных на компьютере»*, предназначенной
вкачестве учебного пособия по курсу прикладной статистики для студентов вузов. В частности, в книге говорится, что, к сожалению,
внашей стране «в средней школе методы статистического анализа данных (хотя они очень просты и весьма полезны) не упоминаются вовсе, а в высшей школе, даже в тех вузах и университетах, программы которых были просто перегружены математикой, методам анализа данных отводилось очень небольшое место. При этом обычно предметом изучения являются не столько эти методы, сколько формальные конструкции теории множеств, теории меры, функционального анализа и теории вероятностей, которые, может быть, нужны для строгих доказательств, но абсолютно не способствуют освоению и бесполезны при применении этих методов. Таким
образом, российские специалисты и менеджеры, исследователи и студенты, желающие применять методы анализа данных, находятся в гораздо более затруднительном положении по сравнению со своими западными коллегами…». Несколько выше в этой же книге
* Анализ данных на компьютере / под ред. В. Ф. Фигурнова. – М.: Финансы и статистика, 1995. – С. 384.
4
говорится о том, что для осмысленного применения даже готовых статистических пакетов для ПЭВМ всё же пользователи должны обладать определённой подготовкой: понимать, в каких ситуациях применимы различные статистические методы, знать, каковы их свойства, уметь интерпретировать результаты. На Западе такая подготовка обеспечивается обучением основам анализа данных практически всех студентов и менеджеров: в программы университетов, школ бизнеса, технических и других колледжей входят систематические курсы прикладной статистики. Разработаны и широко используются курсы основ теории вероятностей и статистики и для старших классов средней школы. В достатке имеется специальная и популярная литература по анализу данных, её всегда можно найти в книжных магазинах, торгующих научно-технической литературой. А при затруднениях можно лично или по телефону обратиться в одну из сотен консультационных фирм и получить там квалифицированную консультацию по постановкам задач, использованию статистических пакетов и т. д.
В нашей стране такого пока нет, поэтому в данном учебном пособии основное внимание уделено основам теории вероятностей и математической статистики применительно к надёжности электрических машин. Авторами поставлена задача распространения вероятностно-статистических методов исследования на переходные процессы электрических машин, в частности синхронных. На этапе изучения основ надёжности электрических машин первоначально предлагается освоение критериев согласия для подтверждения параметрических гипотез о нормальном распределении случайного признака при статистических исследованиях переходных процессов синхронных машин.
Следует отметить, что выбор и обоснование случайного признака в теории переходных процессов синхронных машин для практического проведения вероятностно-статистических исследований является непростой задачей. Поэтому в учебное пособие включено освоение критерия согласия Пирсона при вероятност- но-статистических исследованиях на примере переходных процессов синхронных машин.
5
Кроме того, рассматривается применение вероятностностатистических методов исследования и обработки результатов испытаний электрических машин, поскольку информация о машинах, полученная в процессе испытаний, например, синхронных машин в переходных процессах, является органическим продолжением теоретической разработки вопросов надёжности при проектировании и изготовлении новых изделий.
Такой подход к использованию вероятностно-статистических методов в электромашиностроении продиктован повсеместным развитием новых технологий на базе бурно развивающихся мощных по быстродействию и машинной памяти ПЭВМ и микропроцессорной техники.
6
Надёжность электрических машин имеет для практики такое же значение, как их пусковыеирабочиехарактеристики.
ВВЕДЕНИЕ
Электрические машины (ЭМ) от момента зарождения в виде идеи или какого-либо проекта до непосредственного выполнения определённых функций проходят довольно длительный путь: проектирование, изготовление, модернизацию, эксплуатацию, ремонт, повторное использование.
Машины постоянного тока (МПТ) появились раньше машин переменного тока (в первой половине XIX столетия). В конце того же столетия появился трёхфазный асинхронный двигатель (АД) переменного тока, позже появилась синхронная машина (СМ) переменного тока. Бурное развитие мировой экономики в XX столетии привело к существенному наращиванию парка ЭМ. По оценкам ведущих специалистов, потребление энергии лишь АД уже составляет около 30 % всей выработки, а электромашиностроение развивается ускоренными темпами среди других отраслей машиностроения.
В современном электроприводе, представляющем собой сложный комплекс электромеханических устройств, средств автоматического управления на базе достижений электромашиностроения, силовой полупроводниковой техники, средств современной электроники и микроэлектроники, основное место всё же остаётся за ЭМ. Аудио-, видео- и мультимедийная техника с персональными компьютерами, сложные бытовые устройства, используемые практически повсеместно в современном обществе, комплектуются электрическими машинами малой мощности и микромашинами. Так как технический уровень производства любой отрасли в значительной степени определяется надёжно-
7
Рис. 1. Виды испытаний электрических машин
8
стью работы и долговечностью ЭМ в процессе их эксплуатации, то на современном этапе развития промышленного производства проблема повышения надёжности ЭМ приобретает огромное государственное и хозяйственное значение и является одной из наиболее актуальных проблем современного электромашиностроения.
Практические данные показывают, что увеличение срока службы и повышение надёжности машин даёт относительно больший экономический эффект, чем улучшение других техни- ко-экономических показателей (КПД, cos ϕ, коэффициента использования и т. д.).
Проектирующий машину должен решать две основные задачи:
–качественно спроектировать машину с заданными техническими характеристиками для выполнения ею своих функций;
–создать её конструктивно надёжной, чтобы она не отказала
впроцессе эксплуатации.
При реализации указанных задач огромное место отводится испытаниям ЭМ, так как потребность в них возникает практически на всех её этапах, в частности и при решении проблем надёжности.
На рис. 1 представлен исчерпывающий набор возможных видов испытаний ЭМ.
9
I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОНЯТИЯ НАДЁЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
При рассмотрении работоспособности любого технического устройства или изделия различают три периода его «жизни»
(рис. 2):
–период приработки, когда при испытании изделия происходит отбраковка конструктивных, технологических и производственных дефектов;
–период нормальной эксплуатации, характеризующийся внезапными отказами постоянной интенсивности;
–период старения, когда проявляются отказы возрастающей интенсивности, вызываемые износом изделия.
Рис. 2. Кривая интенсивности отказов для трех периодов работы технического устройства
Из этих периодов «жизни» изделия, в том числе и ЭМ, важнейшим является период нормальной эксплуатации, с которым в основном связывают понятие надёжности. Два других периода «жизни» машины также представляют определённый интерес для теории надёжности, но обычно в меньшей степени.
10
Под надёжностью ЭМ или любой её части понимается способность машины безотказно работать с неизменными техническими характеристиками в течение заданного промежутка времени и при определённых условиях применения.
Договоримся под основными частями ЭМ как сложного устройства понимать:
–магнитную систему (МС);
–обмотки статора и ротора (ОС, ОР);
–подшипники (П);
–коллектор или контактные кольца (К, КК);
–щёточное устройство (ЩУ).
Мерой надёжности оборудования является интенсивность отказов в работе. Если отказы отсутствуют, оборудование обладает 100%-ной надёжностью, но если интенсивность отказов высока, то оборудование ненадёжно.
Под отказом в теории надёжности понимается событие, с появлением которого изделие утрачивает способность выполнять заданные функции. Понятие отказа в действии ЭМ при рассмотрении её надёжности является условным. Под отказом следует понимать не только непредвиденную остановку машины из-за случайной неисправности её, но также все остановы машины для проведения необходимого капитального или профилактического ремонта и наладки по любым причинам.
С появлением и развитием электроники, авиации, ракетнокосмической техники интуитивные и эмпирические подходы к повышению надёжности оборудования уступили место новому подходу, при котором определения, оценки и расчёты надёжности стали базироваться на теории вероятностей и методах математической статистики.
Хорошо спроектированная, тщательно изготовленная, детально испытанная и правильно эксплуатируемая ЭМ не должна отказывать в работе. Однако опыт показывает, что даже наилучшие конструкции машин, совершенная технология их изготовления и правильная эксплуатация не исключают полностью воз-