Расчет нагревания тяговых электрических машин при движении поезда по участку

Работа электрических машин неизбежно сопровождается их нагреванием. Нагревание зависит от величины нагрузки (тока), времени работы под нагрузкой и интенсивности охлаждения. В особо неблагоприятных условиях с точки зрения нагревания работают на локомотивах тяговые электродвигатели и генераторы. От величины и продолжительности нагрева зависит срок службы изоляции. Рассчитывая и оценивая нагревание электрических машин, обычно пользуются не температурой машины или ее частей t,°C, а величиной превышения этой температуры над температурой окружающей средыt, °C. Предельно допустимое значение t, °C, обмоток электрической машины, которые обычно лимитируют нагревание, устанавливается в зависимости от класса изоляции. В таблице 15 приведены наибольшие значения t, °C, при максимальной температуре наружного воздуха t_{нв max}, не превышающей 40 °C.

Таблица 15 – Предельно допустимые значения температуры перегрева обмоток тяговых электрических машин

Класс изоляции B принимают для якорей тепловозов ВМЭ1, ЧМЭ2, ЧМЭ3, ТЭМ2, ТЭ1, ТЭМ1, ТЭ2, ТЭ3, М62, 2М62, ТЭ7, ТЭ10, ТЭП10, 2ТЭ10Л, ТЭП60, 2ТЭП60 и электровозов ВЛ22^м, ВЛ23, ВЛ8, ВЛ80^к, ВЛ80^т, ВЛ80^с, ВЛ80^р, ВЛ60^к, ВЛ60^пк, ВЛ60^р, ЧС2, ЧС2^т, ЧС3, а также для полюсов электровозов ВЛ10, ВЛ11, ВЛ10^у.

Класс изоляции F принимают для якорей тепловозов 2ТЭ10В, 2ТЭ10М,У 3ТЭ10М, 2ТЭ116 и полюсов электровозов ВЛ82, ВЛ82^м.

Класс изоляции H принимают для якорей тепловозов ТЭП70 и электровозов ЧС4, ЧС^т.

Приведенные выше данные по классу изоляции для тяговых электрических машин локомотивов собраны в ПТР [1].

Если t_{нв max} > 40 °C, то предельно допустимое превышение температуры обмоток из таблицы 15 уменьшают на величину (t_{нв max} – 40) °C.

Максимальную температуру наружного воздуха принимают по данным метеорологических станций как среднюю за период не менее 5 лет отдельно для летнего периода (по замерам в июне, июле и августе, но не ниже +15 °C) и для зимнего периода (по замерам в декабре, январе и феврале, но не ниже 0 °C).

Расчет нагревания электрической машины задача достаточно сложная. Ее решение в значительной степени зависит от особенностей конструкции и характеристик конкретной машины. Поэтому на практике обычно рассчитывают нагревание не всей машины, а проверяют наиболее опасные по нагреву части – обмотки. При этом делается допущение, что нагревание обмоток соответствует закону нагревания однородного тела, т.е. температура обмотки изменяется, как это показано на рисунке 22.

Уравнение нагревания однородного тела имеет вид

(44)

где t_∞ – установившаяся температура перегрева, которая достигается при достаточно долгом действии данной нагрузки, °С;

e – основание натуральных логариф­мов ( );

D t – рассматриваемый промежуток времени, мин;

T – тепловая постоянная времени, представляющая время, за которое обмотка нагрелась бы до температуры перегрева t_∞ при отсутствии теплоотдачи, мин;

t_о – начальный перегрев, т.е. температура перегрева в начале рассматриваемого промежутка времени, °С.

Величины t_¥ и Т называют тепловыми характеристиками электрической маши­ны. Их устанавливают в результате экспериментальных исследований на стенде и приводят в виде графической зависимости от тока (рисунок 23) в ПТР.

При отключении электрических машин (движение на выбеге, механическое торможение, стоянка) ток равен нулю, а следовательно, происходит охлаждение электрической машины. Температура обмоток стремится к температуре окружающей среды, т. е. t_∞ = 0. Подставляя это значение в формулу (44), получаем выражение для процесса охлаждения электрической машины:

. (45)

Используя разложение функции в ряд Маклорена, можно для первых двух членов ряда записать:

. (46)

Подставляя (46) в (44) и (45), получаем для нагревания

(47)

и для охлаждения при t_∞ = 0

. (48)

Выражения (47) и (48) обеспечивают достаточную для практики точность вычислений при условии, что выбираемые интервалы изменения времени удовлетворяют условию

. (49)

В расчетах нагревания тяговых электрических машин начальное значение перегрева t₀принимают +15 °C при отправлении поезда после стоянки, продолжавшейся более 2 часов. При продолжительности стоянки до двух часов начальный перегрев принимают по значению перегрева в момент прибытия на станцию с учетом понижения температуры за время стоянки.

Проверку нагревания тяговых электродвигателей электровозов выполняют отдельно для летних и зимних условий движения.

Проверку нагревания тяговых электрических машин тепловозов рекомендуется выполнять только в тех случаях, когда вводят ограничение скорости ниже расчетной при движении на труднейших подъемах. Расчет нагревания тяговых электрических машин выполняют и для проверки возможности ведения поезда массой больше расчетной.

Для расчета нагревания тяговых электрических машин предварительно необходимо построить кривую тока I(s). Для тепловозов это кривая тока тягового генератора I_г (s). Для электровозов переменного тока строят кривую тока тягового двигателя I_д (s), а для электровозов постоянного тока – кривую потребляемого электровозом тока I_э (s).

Исходными данными для построения кривой тока тягового генератора тепловоза I_г (s) являются кривая скорости v(s) и токовая характеристика генератора I_г (v), приведенная в паспортных данных тепловоза. На рисунке 24 изображены токовые характеристики генератора тепловоза 2ТЭ10М для различных позиций контроллера машиниста.

Кривую тока строят в произвольном масштабе следующим образом. Для точек, расположенных на границах отрезков, из которых составлена построенная ранее кривая скорости, по токовой характеристике генератора определяют значение тока I_г. Эти значения в принятом масштабе наносят в функции пути на том же листе, где построены кривые скорости и времени. Полученные точки соединяют отрезками прямых, получая графическую зависимость I_г (s). При построении кривой тока следует руководствоваться разметкой режимов на кривой скорости. Так при переходе на холостой ход ток генератора I_г = 0. Изменения тока при изменении режима (позиции контроллера машиниста или ступени ослабления возбуждения тяговых двигателей) условно принимают мгновенными.

Рассмотрим пример расчета нагревания тягового электродвигателя тепловоза 2ТЭ10М, который сведем в таблицу 16. Пусть средние значения тока на интервалах, соответствующих отрезкам, из которых составлена кривая тока, и значения времени хода поезда в пределах этих интервалов приведены в первых двух столбцах. Заполняя таблицу, следует иметь в виду, что если в пределах рассматриваемого интервала происходит включение или выключение реле переходов, либо изменение позиции контроллера машиниста, то в этой точке интервал разбивают на два.

В третьем столбце записывают среднее значение тока двигателя , поскольку у тепловоза 2ТЭ10М тяговые двигатели включены в шесть параллельных ветвей. Далее в столбцы 4 и 5 записывают значения тепловых характеристик, выбирая их на рисунке 23 по средним значениям тока двигателя. Если при заполнении столбца 6 выясняется, что на каком-то интервале нарушено условие (49), то этот интервал разбивают на меньшие интервалы так, чтобы выполнить условие.

Таблица 16 – Расчет нагревания тягового электродвигателя тепловоза 2ТЭ10М

Окончание таблицы 16

Порядок заполнения столбцов 7 и 9 очевиден. Столбец 10 заполняется в соответствии с выражениями (47) или (48). А в 9-м столбце значения начального перегрева t₀ для каждого интервала кроме первого получают из предыдущей строки 10-го столбца.

Наибольшее значение температуры перегрева, полученное при расчете (в рассмотренном примере t_max = 63,35 °C), следует привести к расчетной температуре наружного воздуха

, (50)

где K_сз – коэффициент, учитывающий снижение расхода воздуха на охлаждение при постановке фильтров. Принимается для зимних условий K_сз = 1,1, а для летних условий K_сз = = 1,0;

K_нв – коэффициент приведения превышения температуры обмоток тяговых электрических машин к расчетной температуре окружающего воздуха, значения которого принимают по таблице 17 в зависимости от температуры окружающего воздуха t_нв.

Таблица 17 – Коэффициенты приведения к расчетной температуре

Пусть в нашем случае t_нв = 15 °С. Тогда K_сз =1, K_нв = 0,98 и расчетное превышение температуры

.

Эта температура ниже 140 °С – допустимой при классе изоляции F (см. таблицу 15).

В тех случаях, когда тепловоз работает на промежуточных позициях контроллера машиниста, превышение температуры t_∞ следует умножать на коэффициент K_п , принимаемый по таблице 18.

Таблица 18 – Коэффициенты пересчета для промежуточных позиций контроллера машиниста