14. Мощность и сила тока электровоза

1. Для электрической железной дороги выполняется закон Ома. Напряжение подстанции равно сумме противо-ЭДС двигателей и потере напряжения на проводах контактной сети и обмоток двигателя: . Однако определить силу тока в контактной сети непосредственно по уравнению закона Ома невозможно. Это обусловлено тем, что противо-ЭДС не постоянна, а зависит от индукции магнитного поля В: для одного двигателя. В двигателях последовательного возбуждения противо-ЭДС будет зависеть от силы тока двигателя точно также как и индукция (рис. 14.1). Суммарную противоЭДС двигателей локомотива определяют сложением ЭДС отдельных двигателей в зависимости от схемы соединения двигателей.

В озможно графическое решение уравнения закона Ома. Пусть для простоты двигатели электровоза при равномерном движении вращаются с постоянной угловой скоростью ω. Проведем на графике (рис. 14.1) прямые линии . Абсциссы точек пересечения с линией ЭДС всех двигателей локомотива дадут расчетное значение силы потребляемого тока. Так как сопротивление контактной сети зависит от расстояния между подстанцией и электровозом l >0, то с удалением от подстанции угол наклона линии будет возрастать, точка пересечения будет смещаться в диапазон малых токов. Определив силу тока, можно определить мощность тяговых двигателей как площадь прямоугольника (P=εJ) на графике.

2. На стадии проектирования электровоза необходимую силу тока можно определить по заданной мощности тяговых двигателей. Зависимость полезной мощности тяговых двигателей от силы тока, согласно уравнению баланса мощности, определяется уравнением второго порядка

. 14.1

Функция мощности имеет максимум (рис.14.2). Приравняв первую производную к нулю , получим значение силы тока, при котором полезная мощность принимает максимальное значение

. 14.2

Это в два раза меньше тока короткого замыкания, когда якоря двигателей не вращаются, противоЭДС отсутствует. Однако работать в этом режиме тяговые двигатели не должны, так как коэффициент полезного действия подстанции слишком мал, равен 50 %.

Решая квадратное уравнение баланса мощности, подставив в него J_max и приведя к виду можно определить силу тока, потребляемую двигателями локомотива. Это уравнение второго порядка относительно силы тока и его решение имеет два корня:

. (14.3)

Если корни действительные и положительные, то двигатели локомотива выбирают меньший ток J₁. Если корни мнимые, то тяговая подстанция не в состоянии обеспечить заданную мощность тяговых двигателей локомотива из-за большого сопротивления контактной сети. Следует или увеличивать сечение проводов контактной сети, или уменьшать расстояние между подстанциями.

Однако на рассчитанное предельное значение силы тока тяговых двигателей накладываются несколько ограничений, которые нельзя превышать. Сила тока не может быть настолько большой, чтобы ведущие колеса локомотива буксовали (см. формулу 13.1: ). Необходимо, чтобы КПД подстанции был не менее 95%, необходимо, чтобы не перегревались двигатели, не перегревался провод.

3. Потребуем, чтобы КПД тяговой подстанции был не менее η=95%, то есть тепловые потери не превышали 5% от потребляемой мощности. По закону Джоуля –Ленца мощность тепловых потерь равна произведению квадрата силы тока на сопротивление . Отсюда допустимая сила тока по ограничению потерь мощности равна

. 14.4

Расчетная сила тока по этой формуле не должна превышать силу тока формуле 14.2 , иначе КПД железной дороги будет мал.

Исключим из закона Джоуля-Ленца силу тока по формуле КПД подстанции . Мощность тепловых потерь будет равна

14.5

Как видно из формулы, для снижения тепловых потерь, следует, во-первых, уменьшать сопротивление проводов контактной сети. По формуле нужно увеличить площадь сечения, но это приведёт к утяжелению проводов, удорожанию контактной сети. Или следует уменьшать длину контактного провода, то есть уменьшать расстояние между подстанциями.

Во-вторых, можно повысить напряжение контактной сети. Например, при повышении напряжения тяговой подстанции в два раза, сила тока уменьшится в два раза, а тепловые потери в четыре раза при постоянном сечении проводов. Поэтому существуют предложения повысить напряжение в контактной сети постоянного тока вместо 3 кВ до 6 кВ и даже до 12 кВ. По этой же причине применяется контактная сеть переменного тока с напряжением 25 и 50 кВ.

Определим сопротивление контактного провода между ближайшими подстанциями при заданной мощности электровоза Р. Решая уравнение баланса мощности относительно сопротивления контактного провода, получим

. (14.6)

По этой формуле при мощности двигателей несколько МВт величина сопротивления контактной сети должна составлять 0,2–0,3 ом. Тогда расстояние между подстанциями при площади сечении провода 200 мм² будет около 20 км.

4. Ограничение силы тока по нагреву двигателей. В процессе работы электродвигатели нагреваются вследствие выделения теплоты на активном сопротивлении обмоток возбуждения и обмоток якоря и потерь на гистерезис при перемагничивании железа якоря. Это может привести к перегреву двигателя. Теплота, выделяемая за некоторое малое время, dQ = J²r dt , расходуется на теплоотдачу окружающей среде и нагрев двигателя.

Нагрев приводит к повышению температуры двигателя аккумулированной теплотой . Здесь m – масса двигателя, с – удельная теплоемкость материала (в основном это сталь), dT– повышение температуры. Теплоотдача окружающей среде пропорциональна площади теплоотдающей поверхности двигателя S и перепаду температур (Т-Т₀) между поверхностью двигателя и окружающей средой: dQ_отд = α S (T–T₀ ) dt. Здесь α – коэффициент теплоотдачи, зависящий от способа теплоотдачи. Запишем уравнение теплового баланса

14.7

Произведем расчет температуры двигателя в зависимости от времени работы. Пусть сила тока постоянна. Разделим в дифференциальном уравнении (14.7) переменные: время t и температуру T. В результате получим . Проинтегрируем обе части уравнения в пределах: по времени от нуля до текущего момента t, по температуре от начальной Т₀ до текущей температуры Т . Подставим пределы интегрирования и потенцируя, получим зависимость температуры корпуса двигателя от времени

14.8

Температура корпуса растет со временем по экспоненциальному закону (рис.14.3). Скорость роста определяется коэффициентом показателя экспоненты . Это так называемое время релаксации. Чем больше масса и удельная теплоемкость двигателя, тем дольше по времени нарастает температура. В пределе, при бесконечно долгом времени работы температура стремится к равновесному значению. При этом температура корпуса становится предельной, а вся подводимая теплота рассеивается в пространство

. 14.9

Существует допустимая температура эксплуатации тяговых двигателей. Она ограничивает допустимое время работы двигателя. Чем выше сила тока, тем меньше допустимое время работы двигателя (рис. 14.3). Поэтому для увеличения длительности безопасной работы двигателя, чтобы доехать без остановки до следующей станции, приходится ограничивать силу потребляемого тока и мощность двигателей. Существует понятие «часовой режим» при котором в течении часа не допускается перегрева двигателей. По этому режиму определяется номинальная, паспортная мощность тяговых двигателей и допустимая сила тока.

Контрольные вопросы

1. Как по графику (рис. 14.1) определить мощность тяговой подстанции, мощность двигателя и мощность тепловых потерь при заданном сопротивлении контактной сети и двигателей?

2. Как можно рассчитать сопротивление контактной сети?

3. Почему тяговые подстанции переменного тока располагаются на расстоянии друг от друга в три раза дальше, чем тяговые подстанции постоянного тока?

4. Почему электроэнергия от электростанций к потребителю передается под высоким напряжением в несколько сотен киловольт?

5. Возможен ли переход к повышению напряжения контактной сети постоянного тока до 6 или 12 кВ? С какой целью это предлагается?

6. Каким образом может осуществляется импульсное регулирование мощности тяговых двигателей? Как будет влиять на процессы переключения явление самоиндукции?

7. Почему индукция магнитного поля в железе магнитной цепи электродвигателя при беспредельном увеличении силы тока в катушках возбуждения достигает насыщения?

8. Какие способы можно придумать для принудительного охлаждения перегревшегося тягового двигателя?

9. Когда быстрее растет температура двигателя: в начале работы или в конце? Когда быстрее остывает двигатель: в начале охлаждения или в конце? Теоретически сколько времени будет остывать неработающий двигатель?

10. При каких условиях электрический двигатель может сколь угодно долго работать без перегрева?

11. Какой двигатель, большой мощности или маленькой, более склонны к перегреву?

12. Почему из двух значений силы тока для получения одной и той же мощности реализуется меньшее значение?

13. Какие меры следует предпринять, чтобы из двигателя «выжать» максимальную мощность? Каков коэффициент полезного действия двигателя в режиме максимальной мощности?

14. Что произойдет с ведущим колесом электровоза, если электромагнитный момент якоря на колесе превысит момент силы тяги колеса?

15. Какие меры следует предпринять, если электродвигатели локомотива не в состоянии развить заложенную в проекте мощность?

16. Какие меры следует предпринять, чтобы увеличить расстояние между тяговыми подстанциями?

17. Почему наибольшее распространение имеет переменный ток? Тогда почему тяговые двигатели локомотивов постоянного тока?