1. Тяговые электрические аппараты.
1.1. Классификация.
Электрический аппарат – устройство, предназначенное для управления потоком электрической энергии. Тяговые электрические аппараты (ТЭА) – электрические аппараты специального исполнения, предназначенные для работы на тяговом подвижном составе.
Классификация ТЭА по выполняемым функциям представлена на рис.1.1.
Рис.1.1
К основным конструктивным элементам тэа относят:
1. Токоведущие системы.
2. Контактные системы.
3. Дугогасительные устройства.
4. Изоляционные конструкции.
5. Приводы.
1.2. Нагревание и охлаждение тяговых электрических аппаратов.
1.2.1. Выделение тепла в тэа.
Источники тепла в ТЭА – это потери в электрической и магнитной цепи, электрическая дуга, трение подвижных частей.
Потери энергии при протекании электрического тока I по проводнику вследствие наличия активного сопротивления r определяются законом Джоуля-Ленца:
А = I2rt,
В случае протекания постоянном токе при равномерном распределении плотности тока по всему сечению проводника S, его сопротивление
,
где – удельное сопротивление материала проводника;
l – длина проводника.
= 0(1+),
где 0 – удельное сопротивление материала проводника при нормальных условиях;
– температурный коэффициент материала проводника;
– температура проводника.
В случае протекания по проводнику переменного тока
r~ = r–кпкб,
где кп – коэффициент, учитывающий эффект вытеснения тока на поверхность проводника при увеличении частоты тока;
кб – коэффициент, учитывающий близость других проводников с током.
Нагревание ТЭА имеет следующие отрицательные последствия:
1) Дополнительные потери электроэнергии.
2) Нестабильность характеристик тяговых электродвигателей (ТЭД) вследствие изменения сопротивления в их цепи.
3) Снижение срока службы изоляции.
4) Снижение механической прочности токоведущих частей.
Нагревание ТЭА имеет следующие положительные последствия:
1) Расширение твердых и жидких тел (используется в термодатчиках и термореле);
2) Плавление плавких вставок предохранителей;
3) Движение нагретого воздуха вверх (используется для гашения электрической дуги).
1.2.2. Виды теплопередачи.
Различают следующие виды теплопередачи:
1) Теплопроводность – через твердое тело;
2) Конвекция – через движущуюся жидкость или газ;
3) Тепловое излучение – через вакуум.
На практике имеют место одновременно все три вида теплопередачи. При естественном охлаждении ТЭА преобладает конвекция. Тепловое излучение для ТЭА не имеет существенного значения.
Теплопроводность – это передача тепловой энергии непосредственно от одной части тела к другой без их взаимного перемещения. Для теплопроводности справедливо уравнение Био-Фурье, которое устанавливает зависимость между плотностью теплового потока q и градиентом температуры d/dn:
,
где – коэффициент теплопроводности;
n – расстояние по нормали к поверхности, через которую происходит теплопередача.
Знак "минус" означает, что тепло передается в направлении убывания температуры.
Уравнение баланса энергии для единицы объема за время dt имеет вид:
,
где Сp – удельная теплоёмкость при постоянном давлении;
– прирост
внутренней энергии;
– энергия,
переданная посредством теплопроводности;
qv – мощность тепловыделения в единице объёма.
Конвекция – это передача тепла движущимися частицами газа или жидкости. Движение может быть естественным за счет теплового расширения газа (жидкости) или принудительным за счет работы вентилятора (насоса).
Процесс конвективного теплообмена описываются следующими уравнениями:
а) уравнение неразрывности потока в объеме dV = dxdydz:
,
где wx, wy, wz – проекции скорости газа (жидкости) на оси х, y, z.
б) уравнение баланса сил, действующих на единицу объёма
,
где g – ускорение силы тяжести;
– коэффициент объемного расширения;
w – температура стенки сосуда;
f – температура газа (жидкости);
р – давление газа (жидкости);
– динамическая вязкость газа (жидкости);
w – проекция скорости потока газа (жидкости) на направление теплового потока.
Левая часть уравнения – это сила инерции. Слагаемые правой части – это подъёмная сила расширения, сила упругости сжатия, сила вязкого трения.