Системы управления ЭПС - Тяговые электрические аппараты

ТЯГОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ

Классификация и общие технические требования

Термин «аппарат» происходит от латинского слова apparatus— управление. Электрический аппарат — устройство, предназначенное для управления потоком электрической энергии. Тяговые электрические аппараты (ТЭА) — аппараты специального исполнения, предназначенные для работы на тяговом подвижном составе (электрическом подвижном составе и тепловозах).
По выполняемым функциям ТЭА подразделяются на: коммутационные — осуществляющие переключения; параметрические —  изменяющие параметры цепей.
В бесконтактных коммутационных аппаратах происходит резкое изменение проводимости цепи. В этом смысле они родственны параметрическим аппаратам.
Классификация ТЭА по выполняемым функциям представлена на рис. 6.1.
Основные конструктивные элементы ТЭА.

1. Токоведущие системы.
2. Контактные системы.
3. Дугогасительные устройства.
4. Изоляционные конструкции.
5. Приводы.

Общие технические требования к ТЭА определены в ГОСТ 9219—88 (аппараты электрические тяговые).

Рис. 6.1. Классификация ТЭА

Регламентированы следующие условия эксплуатации ТЭА.

1. Уровни напряжения контактной сети (ГОСТ 6962—75):

для постоянного тока 2,2—4,0 кВ,
для переменного тока 19—29 кВ (в аварийных условиях до12 кВ).
Температуру окружающей среды см. в табл. 6.1.

Таблица 6.1
Условия эксплуатации ТЭА по ГОСТ 9219—88, ГОСТ 15150—80

1. Допускаемая температура нагревания изоляционных материалов по ГОСТ 8865—87 приведена в табл. 6.2.

Таблица 6.2
Допускаемая температура для изоляционных материалов по ГОСТ 8865—87

1. Категории размещения:
2. вне кузова подвижного состава (кроме городского транспорта);
3. вне кузова городского электрического транспорта; внутри кузова других типов подвижного состава (кроме тепловозов), в подвагонных камерах;
4. внутри кузова тепловозов;
5. в кузовах с искусственно регулируемыми климатическими условиями.
6. Параметры механических факторов приведены в табл. 6.3.

Таблица 6.3
Воздействие механических факторов на ТЭА по ГОСТ 17516.1—90E

1. Виды испытаний ТЭА:
2. приемо-сдаточные каждого аппарата, поставляемого заказчику;
3. периодические — контрольные испытания через 2—5 лет для подтверждения стабильности технологии производства и качества аппаратов;
4. типовые — при внесении изменений и дополнений в конструкцию, технологию или при применении новых материалов;
5. межведомственные — при приемке первых образцов новых изделий.

6.2 Нагревание и охлаждение тяговых электрических аппаратов

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 определяются законом Джоуля—Ленца, открытым в 1841—1842 гг.:

На постоянном токе при равномерном распределении плотности тока по всему сечению S проводника, его сопротивление

где — удельное сопротивление материала провод
ника при температуре 0°С; α — температурный коэффициент сопротивления ( для меди α = 0,004 град-1); θ — температура проводника.
Значения ρθ и α для различных материалов приводятся в справочниках. Надо учитывать зависимость ρ от наличия примесей. Добавление к меди 0,1% железа или кремния повышает ρθ в 2,5—2,0 раза.
На переменном·
Коэффициенты кп и кб учитывают соответственно поверхностный эффект, зависящий от частоты переменного тока и эффект близости других токоведущих частей.

Отрицательные последствия нагревания ТЭА:

1. потери энергии;
2. нестабильность характеристик ТЭА и ТЭД вследствие изменения сопротивления при нагревании ТЭА;
3. снижение срока службы изоляции;
4. снижение механической прочности (предел прочности меди при нагревании от 100 до 250° снижается на 40 %).

Полезные физические эффекты, связанные с нагреванием ТЭА:

1. расширение твердых и жидких тел при нагревании (используются в термодатчиках и термореле с биметаллической пластиной);
2. плавление плавких предохранителей;
3. движение нагретого воздуха вверх используется для гашения электрической дуги.

Виды теплопередачи.

1. Через твердое тело — теплопроводность — пропорционально градиенту температуры.
2. Через движущуюся жидкость или газ — конвекция — пропорционально разности температур стенки и жидкости.
3. Через вакуум — тепловое излучение (лучеиспускание) по закону Больцмана — пропорционально абсолютной температуре в четвертой степени.

На практике имеют место одновременно все три вида теплопередачи, при естественном охлаждении 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.
Уравнение Био—Фурье устанавливает зависимость между плотностью теплового потока q и градиентом температуры 90 /дп :

Знак минус означает, что тепло передается в направлении убывания температуры.
Графики изменения температуры по направлению теплового потока приведены на рис. 6.2

Через многослойную пластину

Рис. 6.2. Изменение температуры за счет теплопроводности

Уравнение баланса энергии для единицы объема за время dt имеет вид:

переданная теплопроводностью; qv — мощность тепловыделения в единице объема, Вт/м³; ρ — плотность кг/м³; Ср — удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/кгтрад.
Конвекция — передача тепла движущимися частицами газа или жидкости. Движение может быть естественным за счет теплового расширения газа (жидкости) или принудительным за счет работы вентилятора (насоса).
Процессы конвективного теплообмена описываются следующими уравнениями:
а) уравнение неразрывности потока в объеме dV = dxdydz:

где wx, wy, wz — проекции скорости газа (жидкости) на оси х, у, z;
б) уравнение баланса сил, действующих на единицу объема

Левая часть уравнения — это сила инерции.
Слагаемые правой части — это подъемная сила расширения, сила упругости сжатия, сила вязкого трения.
В этом уравнении ρ — плотность газа (жидкости), кг/м³; β — коэффициент объемного расширения, 1/град;— температура стенки (w) и потока (f); g — ускорение силы тяжести, м/с2; р —  давление газа (жидкости), Н/м²; п — вектор направления теплового потока; п0 — единичный вектор; μ — динамическая вязкость, кг/м-с; Ср — удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/кг;
— кинематическая вязкость м²/с; — проекция скорости
на направление теплового потока, м/с.

Процесс конвекции описывается дифференциальными уравнениями в частных производных, содержащими большое количество физических параметров, определяемых экспериментально. Поэтому основной метод исследования — экспериментальный — на физической модели. Теория подобия позволяет распространять результаты экспериментов и исследований физической модели на подобные этой модели физические объекты.

Основы теории подобия и ее применение к исследованию теплопередачи

Физической моделью называется объект, процессы в котором подчиняются тем же физическим законам, как и в оригинале.

Масштабы моделирования имеют нулевую размерность.
Масштабы моделирования разных физических величин могут иметь разные значения.
В качестве примера подобия можно назвать геометрическое подобие (чертежи, геометрические модели).
Из величин, характеризующих процесс, можно составить безразмерные степенные комплексы, называемые критериями подобия, одинаковые для подобных процессов.

Теоремы подобия (приводятся без доказательства).

1. Подобные процессы имеют одинаковые критерии подобия в сходственных точках пространства и в сходственные моменты времени.

Пример. Механические системы, описываемые уравнением

будут подобны при равенстве критериев подобия
или при соотношении масштабов моделирования

1. Решение дифференциального уравнения может быть представлено в виде функциональной зависимости между критериями подобия:

1. Необходимыми и достаточными условиями подобия являются:

а )    пропорциональность сходственных параметров;
б )    равенство (n — к — 1) критериев подобия.
Решение дифференциального уравнения будет единственным, если заданы начальные условия (при t = 0 и х = 0), граничные условия (на границах области определения функции), геометрические и физические условия, характеризующие форму и размеры области определения функции и отношения параметров физических явлений.

При Re < 2200 — ламинарное течение с минимальной затратой энергии на движение жидкости (газа).
При Re > 2200 — турбулентное течение жидкости (газа) с максимальной теплопередачей.
В качестве определяющего размера l0 принимают эквивалентный диаметр канала для охлаждающей жидкости (газа):

Здесь S и U — площадь сечения и периметр канала.

Критерий Грасгофа — равен отношению подъемной силы, возникающей вследствие объемного расширения жидкости (газа), к силе вязкости для единицы объема:

Здесь— разность температур стенки и жидкости (газа).
При естественном охлаждении теплопередача в основном определяется конвекцией.

Критерий Прандтля определяется только физическими свойствами охлаждающей жидкости или газа:

Если в оригинале и модели используются одинаковые охлаждающие жидкости, то критерий Прандтля включают в состав коэффициента С.

Тепловой расчет ленточных резисторов с принудительной вентиляцией

Практическое применение теории подобия рассмотрим на примере теплового расчета тормозных резисторов электровоза переменного тока. Резисторы соединены последовательно и поставлены друг на друга в шесть рядов (рис. 6.3). Направление вентиляции — снизу вверх. При этом надо учитывать, что при переходе от нижних рядов к верхним, температура воздуха и его объем увеличиваются. Вследствие этого возрастает скорость движения охлаждающего воздуха.

Рис. 6.3. К тепловому расчету резисторов с принудительной вентиляцией

Даны:
геометрические размеры резистора и его элементов;
удельное сопротивление материала ленты;
расчетный ток I;
расход охлаждающего воздуха w м³/с и его теплофизические параметры;
температура воздуха на входе в первый ряд
Критериальное уравнение, полученное на физической модели имеет вид:

равна

7. Коэффициент теплоотдачи в данном ряду