Мощность тягового двигателя

Очень важно знать, какую мощность смогут развивать тяговые двигатели за тот или иной промежуток времени в процессе ведения состава электровозом, способны ли они выдержать перегрузки? Каковы допустимые величины и продолжительность перегрузок?

Как известно, мощность представляет собой работу, совершаемую в единицу времени - секунду. Мощность электрических машин, в том числе и тяговых двигателей, измеряют в киловаттах (кВт).

Чем большую мощность развивает тяговый двигатель, тем больший ток проходит по его обмоткам и тем больше тепла выделяется в проводниках. В результате нагреваются обмотки и другие детали двигателя. Поэтому во время работы двигателя температура его частей становится выше температуры окружающей среды. Повышение температуры сказывается на состоянии и работоспособности двигателя и в первую очередь на его изоляции.

Предельные допустимые превышения температур частей тяговых электрических машин, изолированных материалами различных классов нагревостойкости, по отношению к температуре охлаждающего воздуха как при испытаниях на стенде, так и в эксплуатации не должны превышать норм, указанных в ГОСТ 2582-72. Так, для изоляции класса Н допустимое превышение температуры обмотки якоря может достигать 160°С, обмотки возбуждения 180°С и коллектора 105°С, а, например, для изоляции класса Е соответственно 105, 115 и 95°С. Превышение температуры обмоток определяют методом сопротивления. Для этого измеряют сопротивление обмотки в холодном состоянии, а а затем в нагретом. Зная зависимость изменения сопротивления проводников обмотки от температуры, которая характеризуется температурным коэффициентом а, можно вычислить превышение температуры той или иной обмотки над температурой воздуха, охлаждающего машину.

Температуру коллекторов измеряют термометром. Превышение температуры коллектора будет равно разности между показаниями термометра и температурой охлаждающего воздуха.

Нормы предельных допустимых превышений температур частей тяговых машин установлены при условии, что температура охлаждающего воздуха находится в пределах от +10 до +40°C. Если по каким-либо причинам температура охлаждающего воздуха находится вне этих пределов, то завод-изготовитель вносит соответствующие поправки.

Нагрев двигателя зависит и от температуры окружающей среды. Чем ниже температура окружающего воздуха, тем интенсивнее охлаждается тяговый двигатель. Поэтому зимой тяговые двигатели электровоза могут развивать большую мощность, чем летом, и, несмотря на то что зимой увеличивается сопротивление движению поездов, нет необходимости уменьшать их вес.

Если увеличить количество воздуха, охлаждающего части двигателя, то охлаждение будет более интенсивным, и тяговый двигатель сможет развивать большую мощность, при которой температура его узлов не превысит допустимую. Поэтому через тяговые двигатели с помощью вентиляторов непрерывно прогоняют охлаждающий воздух.

Воздух обычно вводят в остов тягового двигателя со стороны коллектора. Здесь воздух разбивается на два параллельных потока: один проходит по вентиляционным каналам внутри сердечника якоря (они видны на рис. 16, б), другой омывает катушки полюсов, поверхность якоря и коллектора. С увеличением количества тепла в двигателе повышается температура его частей. Но, с другой стороны, чем выше их температура по сравнению с температурой окружающей среды, или, как говорят, чем больше перепад температуры, тем большее количество тепла от нагреваемого тела рассеивается в окружающей среде. При достижении определенной температуры количество тепла, выделяемого в теле, будет равно количеству тепла, отдаваемого им окружающей среде, т. е. установится тепловое равновесие. Соответствующая этому режиму температура называется установившейся.

В зависимости от времени, в течение которого части двигателя нагреваются до максимально допустимой температуры, ввели понятие продолжительной (длительной) и часовой мощности. Под продолжительной понимают наибольшую мощность, которую может развить двигатель в условиях нормально действующей вентиляции при закрытых коллекторных люках в течение неограниченного времени, не вызывая повышения температуры частей двигателя сверх максимально допустимого значения.

Под часовой подразумевают наибольшую мощность, которую может развивать двигатель в течение часа в условиях нормально действующей вентиляции при закрытых коллекторных люках, не вызывая превышения температуры частей двигателя над максимально допустимой. При этом полагают, что температура частей двигателя в начале испытания равна температуре окружающей среды, которую принимают равной +25°С. Если температура окружающей среды выше +25°С, то соответственно допустимые нормы снижают. Ток, соответствующий продолжительной мощности, называют длительным, а ток, реализуемый при часовой мощности, - часовым.

Все технические данные, тягового двигателя и электровоза приводят для двух режимов - часового и продолжительного. Так, для часового режима двигателя ТЛ-2К1 электровоза ВЛ10 мощность равна 670 кВт, частота вращения 790 об/мин, ток 480 А, к. п. д. 93,4 %, а для продолжительного режима соответственно 575 кВт, 830 об/мин, 410 А, 93%.

Разумеется, что в процессе ведения поезда ток, а следовательно, и мощность тяговых двигателей все время изменяются: при движении по подъему мощность двигателей кратковременно может превышать часовую; на спусках, площадках двигатели развивают мощность меньше часовой или даже продолжительной. При этом нагретые обмотки двигателей охлаждаются.

Допустимые перегрузки оговариваются заводами-изготовителями.

Максимальная мощность, развиваемая тяговым двигателем в течение короткого времени, за которое его части не успевают перегреться, ограничивается их механической прочностью и условиями коммутации. Понятно, что при очень большой мощности и, как следствие этого, чрезмерных механических усилиях в двигателе могут возникнуть напряжения, превышающие предел упругости, которые, в конечном счете, приводят к механическим повреждениям.

Чем больше ток двигателя, тем больше индуктируемая в нем реактивная э. д. с., тем труднее ее компенсировать. Следовательно, при очень большой потребляемой мощности условия коммутации ухудшаются, возникает сильное искрение под щетками, которое может перейти в круговой огонь по коллектору.

Однако обычно максимальная мощность электровоза не ограничивается механической прочностью или условиями коммутации двигателей, так как еще до достижения опасного значения тока нарушается сцепление колесных пар с рельсами. Следовательно, максимальная мощность, которую могут развить тяговые двигатели электровоза, ограничивается, кроме всего прочего, сцеплением колес с рельсами.

Нагрев обмоток тягового двигателя в зависимости от конкретных условий работы электровоза на каком-либо участке пути определяют после проведения тяговых расчетов. С помощью тяговых расчетов сначала устанавливают условия максимального использования мощности электровоза, определяют наиболее рациональные режимы ведения поезда с тем, чтобы обеспечить движение его при максимальной массе поезда, наибольшей скорости и ощутимой экономии электрической энергии.

После проведения тяговых расчетов проверяют возможность работы тяговых двигателей при выбранных режимах без превышения допустимых температур нагрева.

Для этого, используя определенные методы, строят кривые потребляемого тока электровоза в зависимости от установленного веса поезда и времени потребления тока. Получив такие данные, определяют в зависимости от режима ведения поезда нагрев или охлаждение обмотки якоря, обмоток главных и дополнительных полюсов, компенсационной обмотки (если она есть) по тепловым характеристикам, которые прилагает завод-изготовитель. Такие характеристики получают на основании испытаний.

Для примера на рис. 26 показаны кривые нагревания и охлаждения обмотки якоря тягового двигателя ТЛ-2К1 и обмоток главных полюсов в зависимости от тока. Такие же кривые даются заводом для обмоток дополнительных полюсов и компенсационной обмотки.

Рис. 26. Кривые нагревания и охлаждения обмоток якоря (а) и возбуждения (б) тягового двигателя

Из рис. 26 видно, что при токе 466 А в течение 1 ч обмотка якоря нагревается до 110°С, а обмотки главных полюсов - до 140°С, что объясняется разными условиями охлаждения обмоток. Поэтому обмотки главных полюсов имеют по нагревостойкости изоляцию более высокого класса.

Из того же рисунка следует, что при токе, например, 350 А обмотка якоря охлаждается от 105° до 75°С за 3 ч и затем при том же токе температура ее не изменяется. Для обмоток возбуждения при той же силе тока охлаждение от 150 до 110°С осуществляется в течение 4 ч.

Если расчеты нагревания и охлаждения показывают, что в какой-то промежуток времени, а следовательно, и на каком-то определенном отрезке пути обмотки (обмотка) тяговых двигателей будут перегреваться, то необходимо уменьшить полученную на основании тяговых расчетов массу поезда.

Мощность выпускаемых отечественными заводами тяговых двигателей непрерывно повышается в результате улучшения конструкции, совершенствования методов их расчета, применения новейших изоляционных и других материалов. Например, как уже отмечалось, мощность в часовом режиме тягового двигателя ТЛ-2К1, устанавливаемого на электровозах ВЛ10, составляет 650 кВт, двигателя НБ-418К6 электровозов ВЛ80^К и ВЛ80^Т - 790 кВт, а двигателя ДПЭ-340 электровозов ВЛ19 - 340 кВт. Следовательно, мощность двигателя ТЛ-2К1 почти в 2 раза, а двигателя НБ-418К6 в 2,3 раза выше, чем у двигателя ДПЭ-340.

Посмотрим, как это увеличение мощности двигателей отразилось на одном из важнейших показателей - массе двигателя, что особенно важно для условий тяги. Масса этих двигателей составляет соответственно 4700, 4350 и 4280 кг, т. е. почти не изменилась.

Обычно, сравнивая двигатели, пользуются не абсолютной массой, а относительной, приходящейся на 1 кВт мощности. Для двигателей ТЛ-2К1, НБ-418К6 и ДПЭ-340 относительная масса составляет соответственно 8,2; 6,2; 12,6 кг/кВт.

Цифры говорят сами за себя. Как видим, наилучший показатель массы у двигателя, устанавливаемого на электровозах ВЛ80^к и ВЛ80^Т. Это в некоторой степени объясняется следующим.

Двигатели электровозов постоянного тока имеют номинальное напряжение на коллекторе 1500 В (при изоляции, рассчитанной на 3000 В), которое является вынужденным и, следовательно, не самым оптимальным, как уже было отмечено выше. Двигатели электровозов переменного тока ВЛ80^К и ВЛ80^Т работают при номинальном напряжении 950 В, что в значительной мере определяет возможность повышения их мощности.

Создание новых электроизоляционных материалов - лаков, полимеров, обладающих лучшими электроизоляционными свойствами и повышенной тепловой устойчивостью, позволит еще более увеличить электрические, механические и тепловые нагрузки, воспринимаемые тяговыми двигателями электровоза.