Провід та ізоляція в електродвигунах - Школа для електрика все про електротехніку та електроніку
Призначення ізоляції обмотувальних проводів – попередження міжвиткових замикань. В асинхронних двигунах низької напруги міжвиткова напруга зазвичай становить кілька вольт. Однак при включеннях та вимкненнях виникають короткочасні імпульси напруги, тому ізоляція повинна мати великий запас електричної міцності. Поява ослаблення в одній точці може спричинити електричний пробій та пошкодження всієї обмотки. Пробивна напруга ізоляції обмотувальних. проводів має становити кілька сотень вольт.
Обмотувальні дроти зазвичай виготовляють з волокнистою, емальволокнистою та емалевою ізоляцією.
Волокнисті матеріали на основі целюлози мають значну пористість і високу гігроскопічність. Для підвищення електричної міцності та вологостійкості волокнисту ізоляцію просочують спеціальним лаком. Однак просочення не оберігає від зволоження, а лише знижує швидкість поглинання вологи. Через ці недоліки дроти з волокнистою та емальволокнистою ізоляцією в даний час майже не застосовують для обмоток електричних машин.
Провід, що застосовується для виготовлення обмоток електродвигунів
Основні типи проводів з емалевою ізоляцією, що застосовуються для виготовлення обмоток різних електродвигунів та електричних апаратів, - полівінілацеталеві проводи ПЕВ та проводи підвищеної нагрівальностійкості ПЕТВ на поліефірних лаках. Достоїнство цих проводів полягає в невеликій товщині їхньої ізоляції, що дозволяє збільшити заповнення пазів електродвигуна. Для обмоток асинхронних двигунів потужністю до 100 кВт переважно застосовують дроти ПЕТВ.
Струмопровідні частини також повинні бути ізольовані від інших металевих деталей електродвигуна. Насампереднеобхідна надійна ізоляція проводів, укладених у пазах статора та ротора. З цією метою використовують лакоткани і стеклоткани , що є тканини з урахуванням бавовняних, шовкових, капронових і скляних волокон, просочених лаком. Просочення підвищує механічну міцність і покращує ізоляційні властивості лакотканів.
У період експлуатації ізоляція піддається впливу різних чинників, що впливають її характеристики. Головними з них слід вважати нагрівання, зволоження, механічні зусилля та хімічно активні речовини у навколишньому середовищі. Розглянемо вплив кожного із цих факторів.
Як нагрівання впливає на властивості ізоляції електродвигунів
Протікання струму провідником супроводжується виділенням тепла, яке нагріває електричну машину. Інші джерела тепла - втрати сталі статора і ротора, викликані дією змінного магнітного поля, і навіть механічні втрати тертя у підшипниках.
Загалом близько 10 - 15% всієї споживаної з мережі електричної енергії так чи інакше перетворюється на тепло, створюючи перевищення температури обмоток двигуна над навколишнім середовищем. У разі збільшення навантаження на валу електродвигуна струм в обмотках зростає. Відомо, що кількість тепла, що виділяється у провідниках, пропорційно квадрату струму, тому навантаження двигуна призводить до зростання температури обмоток. Як це впливає на ізоляцію?
Перегрів змінює структуру ізоляції та різко погіршує її властивості. Цей процес називається старінням. Ізоляція стає крихкою, її електрична міцність різко знижується. На поверхні виникають мікротріщини, в які проникає волога та бруд. Надалі відбувається пробій та вигоряння частини обмоток. При збільшенні температури обмоток термін служби ізоляції різкознижується.
Класифікація електроізоляційних матеріалів по нагрівальностійкості
Електроізоляційні матеріали, що застосовуються в електричних машинах та апаратах, за їх нагрівостійкістю поділяють на сім класів. З них в асинхронних короткозамкнених електродвигуна потужністю до 100 кВт застосовують п'ять.
Непросочені волокнисті матеріали з целюлози, шовку та бавовняні відносять до класу Y (допустима температура 90°С), просочені волокнисті матеріали з целюлози, шовку та бавовняні з ізоляцією проводів на основі масляних та поліамідних лаків – до класу А5 , синтетичні органічні плівки з ізоляцією проводів на основі полівінілацетатних, епоксидних, поліефірних смол — до класу Е (допустима температура 120°С), матеріали на основі слюди, азбесту та скловолокна, що застосовуються з органічними сполучними та просочувальними складами, емалі підвищеної нагріву (припустима температура 130°С), матеріали на основі слюди, азбесту і скловолокна, що застосовуються в поєднанні з неорганічними сполучними та просочуючими складами, а також відповідні даному класу інші матеріали - до класу F (допустима температура 155°С).
Електродвигуни проектують з урахуванням того, щоб за номінальної потужності температура обмоток не перевищувала допустиме значення. Зазвичай є невеликий запас нагрівання. Тому номінальному струму відповідає нагрівання дещо нижче за граничну норму. Температуру навколишнього середовища при розрахунках приймають 40°С. Якщо електричний двигун працює в умовах, коли температура завжди свідомо нижче 40°С, його можна перевантажити. Величину перевантаження можна підрахувати з урахуванням температури навколишнього середовища та теплових властивостей двигуна. Такможна надходити тільки в тому випадку, якщо навантаження електродвигуна суворо контролюється і можна бути впевненим, що воно не перевищить розрахункового значення.
Як волога впливає на властивості ізоляції електродвигунів
Іншим фактором, від якого суттєво залежить термін служби ізоляції, є дія вологи. За підвищеної вологості повітря на поверхні ізоляційного матеріалу утворюється плівка вологи. Поверхневий опір ізоляції при цьому різко знижується. Утворенню плівки води значною мірою сприяють місцеві забруднення. Через тріщини та пори волога проникає всередину ізоляції, знижуючи її електричний опір.
Провід з волокнистою ізоляцією, як правило, невологостійкий. Їхня стійкість до дії вологи підвищується шляхом просочення лаками. Емальволокниста та емалева ізоляція більш стійка до дії вологи.
Слід зазначити, що швидкість зволоження істотно залежить від температури довкілля. При однаковій відносній вологості, але при вищій температурі ізоляція зволожується у кілька разів швидше.
Як механічні зусилля впливають на властивості ізоляції електродвигунів
Механічні зусилля в обмотках виникають при різних теплових розширеннях окремих частин машини, вібрації корпусу, при пусках двигуна. Зазвичай магнітопровід нагрівається менше, ніж мідь обмотки, їх коефіцієнти розширення різні. В результаті мідь при робочому струмі подовжується на десяті частки міліметра, ніж сталь. Це створює механічні зусилля всередині паза машини та переміщення проводів, що викликає стирання ізоляції та утворення додаткових зазорів, в які проникає волога та пил.
Пускові струми, що у 6 - 7 разів перевищують номінальні, створюють електродинамічні зусилля,пропорційні квадрату струму. Ці зусилля діють на обмотку, викликаючи деформацію та усунення окремих її частин. Вібрація корпусу також викликає механічні зусилля, що знижують міцність ізоляції.
Стендові випробування двигунів показали, що при підвищених віброприскорення дефектність ізоляції обмоток може підвищитися в 2,5 - 3 рази. Вібрація може бути причиною прискореного зносу підшипників. Коливання двигуна можуть виникати через неспіввісність валів, нерівномірність навантаження, неоднаковості повітряного зазору між статором і ротором і несиметрії напруг.
Вплив пилу та хімічно активних середовищ на властивості ізоляції електродвигунів
Зносу ізоляції також сприяє пил, що міститься у повітрі. Тверді частинки пилу руйнують поверхню і, осідаючи, забруднюють її, чим також знижують електричну міцність. У повітрі виробничих приміщень присутні домішки хімічно активних речовин (вуглекислий газ, сірководень, аміак та ін.). У хімічно агресивних середовищах ізоляція швидко втрачає свої ізоляційні властивості та руйнується. Обидва ці фактори, доповнюючи один одного, сильно прискорюють процес руйнування ізоляції. Для підвищення хімостійкості обмоток електродвигунів застосовують спеціальні просочувальні лаки.
Комплексна дія всіх факторів на обмотки електродвигунів
Обмотка двигуна часто відчуває на собі одночасну дію нагріву, зволоження, хімічних компонентів та механічного впливу. Залежно від характеру навантаження двигуна, умов навколишнього середовища та тривалості роботи дія цих факторів може бути різною. У машинах, що працюють зі змінним навантаженням, переважна дія може нагріти. В електроустановках, що працюють у тваринницьких приміщеннях, найнебезпечнішим длядвигуна виявляється дія підвищеної вологості у поєднанні з парами аміаку.
Можна уявити можливість конструювання такого двигуна, який міг би протистояти всім цим несприятливим факторам. Однак такий двигун, мабуть, був би занадто дорогим, тому що знадобилося б посилення ізоляції, значне поліпшення її якості та створення великого запасу міцності.
Вчиняють інакше. Задля більшої надійної роботи двигуна застосовують систему заходів, які забезпечують нормативний термін служби. Насамперед за рахунок застосування більш якісних матеріалів покращують технічні характеристики двигуна та його здатність протистояти дії руйнівних ізоляцію факторів. Удосконалюють засоби захисту двигунів. І, нарешті, забезпечують технічне обслуговування для своєчасного усунення несправностей, які можуть призвести до аварій.