Электрическая тяга - Нагревание тяговых двигателей

Глава XIV. НАГРЕВАНИЕ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.
§ 45. СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ НАГРЕВАНИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.

Допустимая по нагреву нагрузка двигателя зависит от величины потерь мощности в нем и времени его работы. Зависимость допустимого по нагреванию тока от длительности работы двигателя представлена на рис. 156, а и б. Допустимая длительность работы возрастает по мере уменьшения тока. При токе  I∞ (длительный ток) работа двигателя уже не ограничивается временем, и все тепло, выделяющееся в нем, полностью отводится при максимально допустимом перегреве в окружающую среду; дальнейшее повышение температуры двигателя прекращается. 

Рис. 156. Зависимость допустимого по нагреву тока от времени работы двигателя
а — последовательного возбуждения; б — смешанного возбуждения

Длительный ток тем больше, чем больше теплоотдача двигателя. Область допустимой работы двигателей заштрихована. Для двигателя последовательного возбуждения она ограничена нагреванием (линия АБВ) (см. рис. 156, а) и величиной максимального Iмакc и минимального Iмин тока, а для двигателя смешанного возбуждения —  нагреванием и максимальным током Iмакс (линия АВ — режим двигателя, линия А'В' — режим генератора) (см. рис. 156, б).
Работоспособность тягового двигателя в условиях резко меняющейся нагрузки ограничена не только его теплоотдачей, но и теплоемкостью. Поэтому для тяговых двигателей должна быть известна временная перегрузочная способность по условию нагревания, определяемая его теплоемкостью. Временная перегрузочная способность характеризуется условно часовым током двигателя.
Таким образом, работоспособность тягового двигателя по условию нагревания характеризуется длительным I∞ и часовым Iп токами. Температура двигателя, зависящая от температуры окружающей среды, не может непосредственно характеризовать его тепловые свойства. Для этого необходимо знать перегрев двигателя, т. е. разность температуры двигателя и окружающей среды. Допустимые перегревы зависят от класса изоляции (A, B и С), системы вентиляции (самовентиляция или независимая вентиляция), режима работы (часового, длительного) и способа измерения температуры (термометром, методом сопротивления и др.). Указанные в ГОСТ 2582—50 перегревы могут быть допущены при температуре окружающей среды 25° С.

Мощность двигателя ограничена предельным перегревом наиболее нагретых его частей. Наибольшей опасности перегрева сверх допустимого по нормам подвергаются обмотки якоря и полюсов двигателя, теплоемкость изоляции которых ограничивает допустимую нагрузку. Измеряя перегрев обмоток двигателя при испытании в лаборатории, можно получить кривые перегрева при различных нагрузках. Пример таких кривых дан на рис. 157, где по оси абсцисс отложено время, а по оси ординат — перегрев. Каждая из указанных кривых соответствует постоянной нагрузке. Чем больше нагрузка, тем перегрев будет больше. Характер кривых объясняется тем, что в начале работы двигателя перегрев быстро увеличивается, так как разность температур двигателя и окружающей среды незначительна, а следовательно, незначительно количество тепла, отдаваемого во внешнюю среду.

Рис. 157. Зависимость перегрева двигателя от времени работы при различных нагрузках

Затем отдаваемое количество тепла начинает увеличиваться, и приращение перегрева уменьшается до тех пор, пока не будет достигнут установившийся режим. Рассматривая кривые рис. 157, можно сделать следующие выводы: 1) при токах I <I∞= Iв двигатель
может работать неограниченное время; 2) при токе двигатель достигает предельно допустимого длительного перегрева; 3) при токах I > I∞ продолжительность работы двигателя ограничена определенным временем.
Потеря мощности в тяговом электродвигателе вызывает его нагрев. Нагрев отдельных частей двигателя происходит в результате выделения тепла за счет потерь во всем двигателе. Однако нагрев каждой части двигателя в основном зависит от тех потерь, которые возникают в ней самой, и лишь в некоторой степени от потерь в смежных частях. Поэтому определение нагрева каждой части двигателя представляет очень сложную задачу, решение которой практически весьма затруднительно. Задачу расчета обычно упрощают, принимая двигатель за однородное тело, нагреваемое всей суммой потерь в нем. Если мощность потерь, выделяемых в теле, равна рп вт, то за малый промежуток времени dt энергия, превращаемая в тепло, будет равна dA = pndt вт-сек. За тот же промежуток времени часть энергии, равная Bτdt, будет передана окружающей атмосфере за счет теплоотдачи тела. 

Кроме того, под влиянием выделяемого тепла тело нагревается на величину dτ за счет его теплоемкости, на что должно быть затрачено тепло Cdx. Следовательно, уравнение баланса потерь энергии в дифференциальном виде можно выразить так:
(104)
где τ — перегрев тела по отношению к окружающей среде в °C;
С — теплоемкость тела в вт-сек/град;
В — теплоотдача тела в вт/град;
dt — время в сек.

Рис. 158. Графическое изображение уравнения нагревания

Интегрируя и затем потенцируя дифференциальное уравнение баланса потерь энергии [формула (104)], определим зависимость между перегревом тела τ и временем t :
(105)
где— постоянная времени, а 2,302 — переводный коэффициент от натуральных к десятичным логарифмам. Изображаемые графически уравнения (105) представляют собой кривые 1, 2 и 3 (рис. 158), форма которых зависит от начальных условий. Кривая 1 соответствует τ=0 (температура тела в начале процесса нагревания равна температуре окружающей среды). Если начальный перегрев τ0 не равен нулю, но меньше τ∞, то процесс нагревания протекает по кривой 2. Если τ0 > τ∞, тело будет отдавать в окружающую среду больше тепла, чем в нем выделяется. В этом случае происходит процесс остывания до τ∞ (кривая 3).

ЛИТЕРАТУРА

1. Загайнов Н. А. Тяговые подстанции городского электрического транспорта. Изд-во МКХ РСФСР, 1960.
2. Ефремов И. С. Троллейбусы. «Высшая школа», 1969.
3. Кутыловский М. П., Федотов А. И. Подвижной состав трамвая. Изд-во МКХ РСФСР, 1948.
4. Кутыловский Μ. П. Электрическое оборудование вагонов трамвая. Изд-во МКХ РСФСР, 1960.
5. Кутыловский Μ. П., Хавин Μ. Н. Вагоны РВЗ. Изд-во МКХ РСФСР, 1957.
6. Кутыловский Μ. П. Аэродинамические испытания модели вагона МТВ. «Электромеханика и автоматика», 1959, № 3.
7. Кутыловский  Μ. П. Исследование сопротивления движению подвижного состава. «Электромеханика и автоматика», 1958, № 2.
8. Кутыловский М. П. Определение величин сопротивления движению городского электрического транспорта. «Жилищно-коммунальное хозяйство», 1958, № 7.
9. Кутыловский Μ. П., Кобзев В. М., Хавин Μ. Н., Шредер Б. А. Механическое оборудование подвижного состава трамвая. Изд-во МКХ РСФСР, 1963.
10. Кнерель Г. М. Техника управления трамвайным поездом. Л., 1954.
11. Розенфельд В. С., Чеботарев Е. В., Сидоров Н. И., Болдов Н. А. Основы электрической тяги. Госэнергоиздат, 1957.
12. Ребров С. А. Расход энергии на движение троллейбусов. Киев, 1958.