4.10. Нагревание и охлаждение тяговых электрических машин

Для тепловозных ТЭД и ТГ установлен продолжительный номинальный режим, который определяется наибольшим током не вызывающим превышение температуры частей двигателя выше допустимых, установленных стандартом, при его длительной работе на испытательном стенде (неограниченно долго) при номинальном напряжении и требуемом охлаждении.

Различают: - ток продолжительного режима и

- максимальный кратковременный ток.

Ток продолжительного режима (продолжительный ток) – это наибольший ток при номинальном режиме ТЭМ, при котором предельно допустимое превышение температур обмоток над температурой охлаждающего воздуха (перегрев) достигает установившегося значения, соответствующего данному классу нагрева изоляции (см. табл. 4.2).

Пригодность ТЭД для ж.д. транспорта определяют с учетом нагревания их. ТЭД состоит из большого числа частей, различных по геометрическим формам, массам, материалам и выделяемым в них потерям энергии. Различные части и нагреваются по-разному, поэтому тепловой расчет ведут для наиболее опасной по нагреву части двигателя. У коллекторных ТЭД такой частью являются обмотка якоря и реже обмотка возбуждения, а у асинхронных ТЭД – обмотка статора при короткозамкнутом роторе, у вентильных двигателей – фазовые обмотки.

Проверку нагревания производят применительно к наиболее тяжелым условиям работы (при движении поездов наибольшей массы на трудных по профилю участках с наибольшей скоростью и с минимальной длительностью стоянок).

С целью упрощения задачи электрическую машину рассматривают как однородное тело. Считают, что теплоотдача в окружающую среду постоянна и пропорциональна первой степени разности температур. В соответствии с этим основное выражение для перегрева τ ТЭМ может быть представлено

(4.22)

где – установившаяся температура перегрева (тепловое равновесие);

–текущее время;

–основание натурального логарифма;

–термическая постоянная времени;

–начальная температура перегрева при остывании.

Первое слагаемое характеризует повышение температуры, а второе– ее понижение. Выражение (4.22) – экспонента. Физический смысл уравнения нагревания: результирующее значениеτ равно сумме возрастающего превышения температуры тока при нагревании его от холодного состояния и убывающего, связанного с процессом охлаждения тела от начального значения .

При большом токе обмотки ТЭМ нагреваются до предельной температуры быстро, а при малом токе – медленнее. → ( к рис. 4.10)

При токе I_Д1 – время t₁; при токе I_Д2 – время t₂ (t₂> t₁).

При I_Д∞ – продолжительный режим.

При I_Д4 – часовой режим, при котором работа ТЭМ от холодного состояния (20-25ºС) в течение 1 часа при номинальном напряжении и вентиляции не вызывает превышения предельных температур.

Изменение превышения температуры τ обмотки ТЭМ над температурой окружающего воздуха по времени приведено на рис. 4.11. →→

Рис.4.10. Зависимость времени нагрева обмоток до предельной температуры ТЭМ от тока

Рис.4.11. График нагревания ТЭМ по времени при неизменном токе

Вначале нагревание идет интенсивно, затем все больше энергии отдается в окружающую среду, следовательно, характер кривой изменяется (положе).

При отсутствии теплоотдачи процесс нагревания ОА.

Установившееся превышение температуры иявляются тепловыми параметрами данной обмотки ТЭМ. Их значения устанавливаются при испытании на стенде.

–термическая постоянная времени, это время за которое нагрелась бы обмотка ТЭМ до допускаемого перегрева при полном отсутствии теплоотдачи машины.

Для и длясуществуют специальные формулы для расчета.

Существует аналитический и графический метод расчета нагревания ТЭМ. Аналитический способ основан на использовании формулы (4.22).

Метод определения τ по сетке температурных кривых.

Эти кривые построены по результатам испытания ТЭМ на стенде. При постоянной нагрузке (т.е. токе) измеряют температуры обмоток через определенные промежутки времени и наносят на график. Затем подобные графики строят и при других токах (рис. 4.12).

Пусть ТЭМ работала с большой перегрузкой и нагрелась до τ*, то при работе при I₁, ее температура уменьшается по закону охлаждения.

Кривые нагревания и охлаждения при I₁ стремятся к установившемуся значению. Аналогичные кривые нагревания и охлаждения приI₂ и I₃ стремятся к установившемся превышениям температуры и.

Это объясняется тем, что при перегреве обмоток над tº окружающей среды , все выделяемое тепло отдается в окружающую среду.

При τ <в окружающую среду отдается меньше тепла, и оставшаяся часть вызывает повышение температуры до.

Рис.4.12. Кривые нагревания и охлаждения ТЭМ при токах I₁, I₂, I₃, I = 0

При τ >в окружающую среду отдается больше тепла, чем выделяется в машине, поэтому ТЭМ охлаждается до.

С увеличением тока I также растет из-за выделения большего тепла.

Пусть ТЭМ с начальным превышением температуры работал вначале с токомI₁ в течение t₁, то процесс нагревания (точка 1 – точка 2). От точки 1 вправо откладывают t₁ и проводят вертикаль до пересечения с кривой I₁ в точке 2. Следовательно – превышение в точке 2 . Если ТЭМ с этого момента работает сI₂ в течение времени t₂, то также определяют точки 3, 4 и .

При последующей работе ТЭМ с I₃ в течение времени t₃ находят точку 5 с . Она оказалась на кривой охлаждения, следовательно,τ будет уменьшаться. Отложив от точки 5 вправо t₃ и проведя вертикаль, находят точку 6, т.е. τ = .

Полученное наибольшее превышение (для этого случая ) приводят красчетному превышению температуры, ºС:

(4.23)

где – коэффициент сезона (летом – 1,0; зимой – 1,1);

–коэффициент наружного воздуха (принимают по спец. таблицам).

А затем производят сравнение с допустимым превышением температуры. Такие кривые нагревания и охлаждения для каждой электрической машины имеются в паспорте.