Тяговые электродвигатели для городского транспорта - Выбор двигателя по тепловой мощности

ГЛАВА II
ВЫБОР ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

1. Выбор двигателя по тепловой мощности

Успешная работа тяговых электродвигателей зависит от правильного выбора электродвигателя для данного вида подвижного состава применительно к конкретным условиям эксплуатации.
При выборе тягового электродвигателя необходимо обращать внимание на тепловую мощность, динамические показатели, коммутацию, механическую прочность и защиту от воздействия пыли и влаги.
Правильный выбор тягового двигателя по тепловой мощности гарантирует длительный срок службы изоляции, коллектора и других элементов конструкции. Следует учитывать, что превышение температуры обмоток двигателя над предельно допустимой для изоляции данного класса сокращает срок службы изоляции в 2 раза на каждые 8—10° превышения температуры.
Выбор двигателя (по тепломощности) для городского, особенно наземного, транспорта представляет сложную задачу. Режим нагрузки на тяговый двигатель колеблется в весьма широких пределах из-за разнообразного профиля трассы, переменного заполнения подвижного состава, различного расстояния между остановками и помех движению, приводящих к резкому увеличению числа пусков и торможений.
Прогресс вагоностроения обеспечил значительное снижение веса тары. В результате вес вагона с пассажирами при предельном наполнении почти в 2 раза превышает вес тары вагона. В связи с этим имеет место значительное изменение веса вагона при разном его заполнении пассажирами.
Маршруты наземного транспорта содержат участки с уклонами до 100%; на отдельных маршрутах имеются затяжные уклоны длиной до 1000 м и более.
В настоящее время отсутствует классификация маршрутов по степени их сложности, хотя подобная классификация проведена в некоторых смежных отраслях. В частности, для правильного выбора электрооборудования и элементов механической части в краностроении институтом ВНИИПТМАШ проведена классификация режимов работы кранов. Введены понятия кранов легкого, среднего, тяжелого и весьма тяжелого (металлургического) режимов работы. Для кранов последней группы создано специальное электрооборудование с повышенной теплостойкостью. По-видимому, аналогичную классификацию необходимо провести и в области маршрутов движения городского транспорта. Возможно, что окажется целесообразным предусмотреть три основных типа маршрутов: а) маршруты легкого типа с кратковременными уклонами до 40% и умеренными пассажиропотоками (Ленинград и др.); б) маршруты среднего типа с уклонами до 60—70%, повышенными пассажиропотоками и затрудненными условиями движения (Москва, Харьков и др.); в) маршруты особо сложного типа с кратковременными уклонами до 1ОО% и уклонами до 8О% большой протяженности с повышенными пассажиропотоками (ряд маршрутов в городах Владивостоке, Хабаровске, Уфе, Киеве, Горьком, Смоленске и др.).
Существующий метод проектирования и применения подвижного состава предусматривает создание некоторой универсальной машины для всех возможных случаев ее применения, хотя, как будет показано ниже, для того чтобы не увеличивать чрезмерно мощность и вес подвижного состава, предназначенного для подавляющего большинства маршрутов легкого и среднего типа, необходимо вводить некоторые ограничения при использовании этого подвижного состава на маршрутах тяжелого типа. Для отдельных особо тяжелых маршрутов необходимо создавать специальный подвижной состав или модификацию серийной машины применительно к ее эксплуатации на утяжеленной трассе.
На магистральном железнодорожном транспорте колебания условий трассы относительно меньше, чем на городском транспорте (максимальный уклон до 30%). Для определенных маршрутов по условиям сцепления и тепломощности двигателя может быть установлена и выдержана весовая норма поезда. Тепломощность двигателя для магистрального ж.-д. транспорта в значительной степени характеризуется величиной длительного тягового усилия, отнесенного к весу поезда. Эта величина, равная для наземного городского транспорта около 0,1, не может в должной мере характеризовать условия тепловой нагрузки двигателей для трамваев, троллейбусов и вагонов метрополитена.
Как показали проведенные автором предварительные расчеты, выбор двигателя по тепломощности для подвижного состава городского транспорта может быть произведен на основе следующих исходных величин: веса вагона, ускорения при пуске, скорости выхода на первую безреостатную ступень тяговой характеристики и установившейся скорости движения на площадке.
Расчеты целесообразно проводить применительно к некоторой номинальной нагрузке и предельному режиму движения (практически без выбега).
Номинальной нагрузкой в соответствии с ГОСТ 7495—63 для троллейбуса является нагрузка при наличии всех сидящих пассажиров и пяти пассажиров на 1 м² свободной площади пола.
Аналогичная номинальная нагрузка может быть принята и для трамвайных вагонов, хотя в соответствии с ГОСТ 8802 для номинальной нагрузки число стоящих пассажиров принимается равным трем на 1 м² свободной площади пола.
Предельным режимом движения для трамваев и троллейбусов является движение практически без выбега на нормированном ГОСТ 7495 и 8802 перегоне 350 м. Современные типы троллейбусов и трамваев в соответствии с требованиями указанных стандартов развивают при этом скорость (на площадке) более 25 км/ч. Движение с минимальным выбегом соответствует предельно возможному режиму движения и не имеет места в реальных эксплуатационных условиях. Практически движение сопровождается ездой на выбеге и предельная скорость сообщения, равная 25 км/ч, не достигается. Это обстоятельство несколько облегчает фактический эксплуатационный тепловой режим тягового электродвигателя.
С другой стороны, тепловая нагрузка на тяговый электродвигатель увеличивается из-за повторных пусков, число которых при затрудненных условиях движения может в 2 раза и более превысить расчетное число пусков в соответствии с ГОСТ 7495 и 8802.
Кроме того, тепловой режим тягового электродвигателя утяжеляется (как в двигательном, так и в генераторном режимах) из-за подъемов и спусков, превышающих нормированный стандартом условный профиль трассы с эквивалентным подъемом 3%. Поэтому следует считать, что при тепловых расчетах для средних условий движения с достаточной точностью за номинальный тепловой режим может быть принят режим, соответствующий движению практически без выбега с номинальной нагрузкой при длине перегона 350 м.
На особо сложных маршрутах (затяжные уклоны, «пиковая» нагрузка относительно большой длительности) должны быть проведены более подробные тепловые расчеты.
Для средних условий эксплуатации наряду с общепринятыми подробными методами теплового расчета с построением кривых зависимости тока от времени движения (или пути) и последующим определением значений среднеквадратичного тока может быть предложен более простой и достаточно точный метод выбора тягового электродвигателя.
Сущность этого метода заключается в установлении постоянного значения удельной мощности тягового электродвигателя, т. е. мощности, отнесенной к весу подвижного состава с номинальной нагрузкой, при заданном значении начальных ускорений и определенной скорости выхода на первую безреостатную ступень скоростной характеристики, а также при определенной установившейся скорости на площадке с последующим учетом отклонений фактического ускорения при пуске, фактической скорости при выходе на безреостатную ступень и установившейся скорости от принятых при расчетах.
Для современных трамваев и троллейбусов со скоростью выхода на характеристику полного поля соответственно 22 и 19 км/ч при ускорении в процессе пуска 1,3 м/сек2 и установившейся скорости на площадке соответственно 64 и 55 км/ч при наличии динамического (реостатного) торможения удельная часовая мощность тягового электродвигателя равна около 7 кВт/т.
Для трамваев и троллейбусов принято одно и то же значение удельной мощности. В данном случае следует учитывать, что скорость выхода на безреостатную ступень у трамвая на 15% больше, чем у троллейбусов.
Дальнейшие расчеты подтверждают, что при подобном значении удельной мощности кратность пускового тока и кратность мощности в момент выхода на первую безреостатную ступень (^пуск) не превышают 1,3 номинального значения, мощность при установившейся скорости на площадке Руст не превосходит 0,7 номинальной мощности, а среднеквадратичный ток электродвигателя практически равен длительно допустимому току.
Обозначим отношение:

С достаточной точностью можно считать, что кратность мощности равна кратности тока.
Сопротивление движению трамвайного вагона при пуске примем равным 10 кг/т, а при установившейся скорости — 20 кг/т. Для троллейбуса эти же значения примем равными соответственно 15 и 30 кг/т. Тогда необходимое усилие при пуске Fm (с учетом коэффициента вращающихся масс 1,1) равно:

где G — вес подвижного состава с номинальной нагрузкой в т. 

Мощность в процессе пуска при выходе на первую автоматическую характеристику (на площадке) определяется из уравнения:

Таким образом, при удельной мощности, равной 7 кВт/т, значение тока двигателя для трамвая в процессе пуска и движения колеблется в пределах 0,5—1,3 номинального, а для троллейбуса — в пределах 0,6—1,2 номинального.
При движении со скоростью 25 км/ч на перегоне 350 м и при длительности остановки 8 сек время движения составляет 42 сек, а общее время прохождения перегона, включая стоянку, — 50 сек.
Зависимость тока двигателя при прохождении перегона 350 м со скоростью 25 км/ч от времени представлена на рис. 57. Кривая, выражающая эту зависимость, может быть разбита на три участка.

1. Пусковой участок длительностью примерно 8—9 сек\ с ускорением при полном поле около 1,3 м/сек2 и вблизи последней позиции 0,7 м/сек2 (среднее ускорение 1,1 м/сек2) при скорости троллейбуса на первой ходовой позиции 19 км/ч, на последней — 32 км/ч, для трамвая соответственно 22 и 34 км/ч.
2. Участок движения на автоматической характеристике длительностью 13—14 сек; выбег 8 сек.
3. Тормозной участок длительностью 12 сек со средним замедлением 1,2 м/сек2.

Значения среднеквадратичных токов составляют: на первом участке для трамвая 1,3 Iном; для троллейбуса 1,2 Iном; 

на втором участке для трамвая 1,05 Iном ; для троллейбуса 1,0 Iном; на третьем участке для трамвая и для троллейбуса 0,85Iном.

Значение среднеквадратичного тока (Iэфф) на перегоне составит:
для трамвая

Рис. 57. Зависимость тока от времени: а — для трамвая; б — для троллейбуса

для троллейбуса

Эти значения весьма близки к величине длительного тока современных тяговых двигателей, равной 0,85Iном (0,85 тока часового режима). Для трамвайных двигателей с низколежащими характеристиками это отношение снижается до 0,8.
Расчеты соответствуют скорости сообщения, несколько большей, чем 25 км/ч.
При удельной мощности 7 кВт/т мощность тягового электродвигателя для троллейбуса ЗИУ-5 при весе 16 т составляет 112 кВт при токе 224 а. Соответственно значение 0,85Iном=190 а и практически не отличается от определенного как опытным путем, так и на основании более точных расчетов.
Если скорость выхода на первую безреостатную ступень тяговой характеристики электродвигателя отличается от приведенных выше значений (19 км/ч для троллейбуса и 22 км/ч для трамвая), то потребная удельная мощность несколько меняется за счет изменения значений пускового тока. При повышении υпуск значение мощности в процессе пуска также возрастает, а следовательно, увеличивается и среднеквадратичный ток на перегоне.
Можно с достаточной точностью считать, что удельная мощность пропорциональна квадратному корню отношения и составляет (для средних условий движения):

Необходимая удельная мощность тягового двигателя зависит также от величины ускорения и значения установившейся скорости.
В диапазоне ускорений 1—1,8 м/сек2 и установившихся скоростей 2,5υном—3,5 υном потребная удельная мощность двигателя (р) возрастает примерно пропорционально корню квадратному из отношения фактического ускорения j к номинальному, равному 1,3 м/сек2.

Повышение установившейся скорости связано с увеличением ускоряющих усилий после выхода на автоматическую характеристику, т. е. с увеличением тока тягового двигателя. В связи с этим нагрузка двигателя возрастает (см. рис. 57).
С достаточной степенью точности можно считать, что удельная мощность пропорциональна корню кубическому из отношения фактической установившейся скорости (υуст ) к величине,

равной 2,9 υпуск (64 км/ч для трамвая и 55 км/ч для троллейбуса). Удельная мощность (р) пропорциональна:

Рекомендуемые зависимости для выбора мощности тягового двигателя соответствуют некоторому условному режиму, регламентированному стандартами на троллейбусы и трамваи (ГОСТ 7495 и 8802).
Важно установить, в какой мере этот условный режим движения соответствует фактическому эксплуатационному режиму и какие дополнительные требования должны быть предъявлены к тяговым двигателям при их использовании для реальных условий движения.
Фактический (эксплуатационный) режим даже при регламентированной длине перегона на 350 м отличается от условного режима по ГОСТ 7495 и 8802 тремя особенностями.

1. В реальных условиях число пусков, а следовательно, и торможение, значительно больше, чем при условном графике. Если при условном графике число пусков составляет 71 в 1 час, то фактическое число пусков достигает 130—150 в 1 ч. При испытании одного из образцов троллейбусов ЗИУ-7 в 1964 г. на маршруте № 45 в Москве в дневное время наблюдалось до 200 пусков в 1 ч. Это обстоятельство повышает относительную величину пусковых потерь. Одновременно при подобном режиме скорость начала торможения снижается, а следовательно, уменьшаются и потери в двигателе при торможении, зависящие от квадрата начальной скорости.
2. Скорость сообщения трамваев и троллейбусов в реальном графике движения снижается до 0,6—0,7 от предельной скорости сообщения по стандартам (25 км/ч), при этом уменьшается время движения и увеличивается (относительно) время стоянок.

Как показали многочисленные испытания трамваев и троллейбусов, реальный эксплуатационный график движения оказывается значительно более легким с точки зрения теплового режима двигателя, чем условный график движения по стандарту со скоростью 25 км/ч (на одном и том же маршруте при небольшой разнице в расстоянии между остановками).
Так, при испытании троллейбуса типа ЗИУ-7 весом 15,4 и 16,7 т (с компаундными двигателями) на маршруте № 45 в Москве в режиме, близком к регламентированному стандартом, при скоростях сообщения 22,4 и 24,2 км/ч на незагруженной трассе в ночное время среднеквадратичный ток двигателя по времени под нагрузкой составил в среднем 185 а при перегреве обмоток на 115—140° С.
В реальном эксплуатационном режиме при скорости сообщения 15 км/ч среднеквадратичный ток двигателя составил в среднем 150 а при среднем перегреве обмоток 65— 100° С.
Аналогичные результаты были получены при испытании троллейбусов ЗИУ-5, трамваев РВЗ-6 и др. Таким образом, на одной и той же трассе режим движения, регламентированный стандартами, несколько тяжелее, чем реальный режим в эксплуатационных условиях.
Следует при этом отметить, что условный режим движения по стандарту относится к эквивалентному подъему 3%· Эквивалентный уклон реальной трассы может существенно превзойти это значение.

1. На ряде реальных маршрутов эквивалентный уклон может не только превысить регламентированный для условного режима уклон 3%, но и содержать крутые подъемы большой протяженности, на которых «пиковая» нагрузка двигателя и нагрев его обмоток могут значительно превзойти их средние значения.

Дополнительная нагрузка двигателя зависит от величины уклона, его протяженности, общего числа уклонов на маршруте и в значительной степени от принятого режима движения, т. е. от скорости движения на руководящих подъемах. Для оценки влияния всех этих факторов целесообразно определить зависимость крутизны подъемов на трассе от целесообразной скорости движения на этих подъемах. Исходя из условий трогания на подъеме и нагрева тягового двигателя необходимо, чтобы нагрузка тягового двигателя на этом подъеме была бы по меньшей мере на 20% ниже тока уставки реле ускорения и не превосходила бы значение часового тока более чем на 10—15%.
На основании предыдущих расчетов можно установить, что указанным требованиям соответствует движение с мощностью часового режима для троллейбусов и 1,1 часовой мощности для трамвая.
Нетрудно показать, что величина предельного уклона (h) для перечисленных выше условий (в %) равна при удельной мощности 7 кг/т:
для троллейбусов

где w— сопротивление движению в кг/т,
для трамваев

На первой безреостатной характеристике при скорости 20 км/ч для троллейбусов и 23 км/ч для трамваев при сопротивлении движению соответственно 15 и 10 кг/т предельный уклон, который при названных условиях движения может быть пройден, равен:
для троллейбусов

для трамваев

при требовании стандарта о предельно допустимом уклоне 100% для трамваев и 80% для троллейбусов.
Естественно, что движение на уклоне 1ОО% может быть только весьма кратковременным.
Ускорение при пуске на этом уклоне составит 1,3—1=0,3 м/сек2, т. е. уменьшится в сравнении с троганием на площадке более чем в 4 раза. Время выхода на первую безреостатную ступень скоростной характеристики составит примерно 20 сек. Дальнейшее ослабление поля двигателя при движении на подобном уклоне приведет к недопустимой перегрузке двигателя.
На позиции предельного ослабления поля (при тех же значениях удельной мощности) и при скорости для троллейбусов

1. км/ч при сопротивлении движению 25 кг/т и для трамваев
2. км/ч при сопротивлении движению 15 кг/т значение предельного уклона составит:

для троллейбусов

для трамваев

На рис. 58 приведена зависимость предельных подъемов от скорости движения на них при перечисленных выше условиях.

Рис. 58. Зависимость скорости от уклона.

Следует отметить, что в последних типах трамваев и троллейбусов применена система глубокого регулирования скорости ослаблением поля. При подобном методе регулирования движение с полной нагрузкой на последней ступени ослабления поля может быть рекомендовано на подъемах не более 50%. На подъемах большей крутизны необходимо осуществлять подъем на ступенях усиленного поля. В частности, на подъемах до 80% движение троллейбуса ЗИУ-5 должно осуществляться на 12-й позиции контроллера, а трамвая РВЗ-6 — на позиции Х3.
В целом следует считаться с тем обстоятельством, что наличие подъемов свыше 40—5О% существенно увеличивает нагрузку двигателя в сравнении с режимом, регламентированным стандартам, из-за увеличения времени пуска, повышенных потерь в режиме динамического торможения и повышения нагрузки при движении.
При подъемах до 40—50% общей протяженностью на трассе не более 300 м при общей протяженности трассы в несколько километров режим двигателя незначительно утяжеляется в сравнении с условным по стандарту. Однако наличие на трассе затяжных уклонов 50—80% о существенно влияет на тепловой режим двигателя.
Рассмотрим в качестве примера троллейбусный маршрут,
содержащий подъем 80 %0 протяженностью 300 м с пуском у начала этого подъема.
Ускорение на подъеме составит 1,3—0,8=0,5 м/сек2. Длительность пуска до скорости 19 км/ч составит

т. е. на 30% превысит длительный ток двигателя.

При выборе двигателя следует также считаться с возможностью повышенного наполнения подвижного состава в часы «пик» до восьми человек на 1 м² свободной площади поля. Хотя подобная нагрузка является кратковременной, с ней следует считаться, так как увеличение веса подвижного состава может составить 15%. Это увеличение веса приведет к некоторой затяжке пуска и к повышению нагрузки при движении на естественной характеристике. Даже в том случае, если среднеквадратичный ток по всему маршруту приближается к номинальному, при оценке теплового режима электродвигателя на особо тяжелых маршрутах нельзя ограничиться только определением этого среднеквадратичного тока по всему маршруту.
Весьма важно определить величину и длительность перегрузок и оценить превышения температуры электродвигателя при этих кратковременных перегрузках.
Современные тяговые электродвигатели для подвижного состава городского транспорта обладают сравнительно небольшой постоянной времени. Если в трамвайных двигателях старого типа с трамвайной подвеской отношение веса двигателя к величине потерь достигало 300 кг/кВт, то в современных двигателях с опорно-рамной подвеской это отношение равно лишь 70 кг/кВт. Соответственно постоянная времени снизилась до 40— 60 мин. В течение получасовой перегрузки (по току) на 30% дополнительный перегрев двигателя составит 50—80° С.
Можно сделать вывод, что тяговый двигатель, имеющий достаточный резерв по тепломощности на трассах средней трудности, может оказаться перегруженным на особо тяжелых маршрутах, если не будут приняты меры по ограничению скоростей на подъемах выше 50—60% или в отдельных случаях ограничена нагрузка подвижного состава.
Для затяжных подъемов большой крутизны целесообразно также повысить величину ускорения при пуске до 1,5—1,7 м/сек2. Действительно, на подъеме 1ОО% повышение ускорения с 1,3 до 1,6 м/сек2 увеличивает нагрузку двигателя на 20%, а ускорение при пуске повышается с 0,3 до 0,6 м/сек2, т. е. время выхода на автоматическую характеристику сокращается вдвое.
Создание универсального двигателя, пригодного для прохождения подъемов до 100% без ограничения скорости, связано с повышением номинальной мощности примерно на 50%.
Подобное увеличение мощности привело бы к тому, что вес двигателя и маховая масса якоря существенно возросли бы и на подавляющем большинстве маршрутов тепломэщность двигателя не была бы использована. Более того, на ряде маршрутов легкого режима при низкой окружающей температуре нагрев обмоток может оказаться ниже желаемой величины (50—70°С), что приведет к необходимости искусственно снижать вентиляцию двигателя, как это имело место в трамваях МТВ-82 (избыток тепломощности приводил к повышенной влажности внутри двигателя и понижению сопротивления изоляции его обмоток).
По-видимому, более рациональным является такой выбор тягового двигателя по тепломощности, при котором подвижной состав может без каких-либо ограничений эксплуатироваться на маршрутах легкого и среднего типа с уклонами до 50— 60%, а на особо тяжелых маршрутах с уклонами до 80—100% использование подвижного состава должно сопровождаться ограничениями по скорости или по нагрузке.

Практические значения удельной мощности трамваев и троллейбусов современного типа

Табл. 11 подтверждает этот метод выбора тягового двигателя по тепломощности, так как он полностью соответствует приведенным выше рекомендациям.
В условиях применения тяговых двигателей для разнообразных режимов движения весьма важно, чтобы изоляция обмоток и контактные соединения этих двигателей допускали без повреждения кратковременные повышения температуры даже сверх установленных нормами для данного класса изоляции.
В тяговых двигателях с изоляцией класса В стандартами (ГОСТ 2582, нормы МЭК) уже предусматривается повышенная допустимая температура обмоток 145°С против 125° С, допускаемых для машин общего применения.

В двигателях с изоляцией класса В применяются лаки и компаунды, которые размягчаются еще до достижения предельной по стандарту температуры. Дальнейшее, даже кратковременное повышение температуры сверх нормированной стандартом приведет к еще более быстрому старению изоляции, нарушению лаковой пленки, размягчению компаунда и ухудшению теплоотдачи.
С точки зрения термостойкости и наличия внутреннего «запаса» теплостойкости более высокими качествами обладает кремнийэрганическая изоляция, которая не меняет своих изоляционных свойств при нагреве до 200° С и более, т. е. выше предельных температур, при которых определялась мощность двигателя. Имеются сведения, что изоляция на кремний-органической основе может кратковременно работать при температуре до 250° С. Применение кремний-органической изоляции в сочетании с пайкой припоями с температурой размягчения более 300° С придает обмоткам двигателя стойкость к кратковременным перегрузкам в случае применения этих двигателей для особо тяжелых режимов движения. В связи с этим следует рекомендовать повсеместный переход на кремний-органическую изоляцию в тяговых двигателях, особенно в тех, которые предназначены для эксплуатации на тяжелых трассах.
На основании вышеизложенного могут быть сделаны следующие выводы о выборе мощности двигателя для трамваев и троллейбусов.
Мощность двигателя может быть с достаточной точностью выбрана по рекомендуемой выше формуле, исходя из требований стандарта о том, что подвижной состав на трассе с эквивалентным уклоном 3% и расстоянием между остановками 350 м должен развивать скорость сообщения 25 км/ч.
Реальный эксплуатационный график создает несколько облегченные условия для теплового режима тягового двигателя. Предусмотренный стандартом режим следует рассматривать как некоторый предел реального эксплуатационного режима при движении, например, на автономной трассе.
Эксплуатация подвижного состава, выбранного в соответствии с предлагаемыми рекомендациями, может производиться без ограничений по скорости на маршрутах легкого и среднего типа с уклонами до 5О%. На особо сложных маршрутах должны вводиться ограничения скорости, а в отдельных случаях и нагрузки. На тяжелых маршрутах с уклонами большой протяженности должен применяться подвижной состав с приведенной (с учетом скорости выхода на безреостатную характеристику и др.) удельной мощностью 8—9 кВт/т.
В отдельных случаях при необходимости пусков на подъемах должен применяться подвижной состав с повышенным ускорением.
В некоторых условиях целесообразно снизить скорость выхода на безреостатную характеристику до 14 км/ч для троллейбуса и до 16 км/ч для трамвая (при 7 кг/кВт). При этом должны быть приняты меры для снижения ускоряющих усилий при малом наполнении или при езде на относительно небольших подъемах (избирательность настройки реле ускорения, применение авторежима и др.).
На маршрутах с особо сложным профилем для повышения тягового усилия при том же значении мощности можно применять подвижной состав с увеличенным передаточным числом редуктора и соответственно пониженной максимальной скоростью.
В частности, увеличение передаточного числа на 30% при снижении максимальной скорости до 50 км/ч позволяет применять современные трамваи и троллейбусы без ограничений по степени ослабления поля практически на всех имеющихся в СССР маршрутах, в том числе и на перевальных участках. Особо сложные участки можно будет проходить на пониженной скорости (15—17 км/ч) при полном поле.
Однако подобное решение требует создания специального редуктора и особой механической части.
В тяговых двигателях должна применяться теплостойкая кремнийорганическая изоляция в сочетании с пайкой всех контактных соединений припоями с повышенной до 300° С температурой плавления с тем, чтобы обеспечить стойкость изоляции и контактных узлов двигателя к кратковременным перегрузкам.
Возможность регламентации повышенных значений «пиковых» температур не противоречит нормам МЭК, которые допускают установление предельных эксплуатационных температур по соглашению между изготовителем и потребителем.
Для маршрутов с особо тяжелым профилем применению того или иного вида подвижного состава должны предшествовать подробные тяговые и тепловые расчеты.
Во всех остальных случаях выбор двигателя может быть сделан непосредственно по приведенным выше рекомендациям.
Рекомендуемые формулы для определения мощности тяговых двигателей отличаются простотой и достаточной точностью.
Детальные расчеты, которые были выполнены для большого числа типов трамвайных вагонов и троллейбусов, показали, что отклонение среднеквадратичного тока, определенного по рекомендуемым формулам и точным кривым движения и нагрузки, не превосходят 5—7%. Подобную степень точности следует признать вполне достаточной.
Правильность предложенной методики подтверждается, как указывалось выше, также анализом параметров большого числа выпущенных типов трамваев и троллейбусов.
Рекомендуемое значение удельной мощности, равное 7 кВт/т, относится к трамвайным вагонам со всеми активными осями.
Ускорение трамвайных вагонов, у которых не все оси являются ведущими (вагоны с прицепом, сочлененные вагоны), обычно не превосходит 0,7—0,8 м/сек2.

В связи с этим динамические показатели этих вагонов ниже, чем у четырехосных, а также сочлененных вагонов со всеми ведущими осями. Удельная мощность подобных вагонов может быть снижена в сравнении с приведенными выше рекомендациями. Для двухосных вагонов с прицепом значение удельной мощности может составлять 5 кВт/т.
Для трамвайных поездов в составе моторного и прицепного вагонов при меньшей удельной мощности, но и при меньших ускорениях, замедлениях и установившихся скоростях предельные уклоны как по тепломощности двигателя, так по сцеплению и длине тормозных путей несколько меньше, чем для одиночных вагонов. Обычно максимальные уклоны для этих поездов не превышают 60%, и движение в сторону подъема при полном поле имеет место при токе, близком к часовому. Как правило, на сложных маршрутах должны применяться одиночные вагоны с высокими динамическими показателями.
Режим движения вагонов метрополитена несколько отличается от режимов движения вагонов трамвая и троллейбусов. Установившаяся скорость вагонов метрополитена достигает 90 км/ч, т. е. примерно на 40% превышает скорость трамвайных вагонов. Это обстоятельство утяжеляет условия эксплуатации и увеличивает нагрузку тягового двигателя.
С другой стороны, длина перегонов на трассе метрополитена достигает 1500 м и более, движение происходит на автономной трассе без повторных пусков при экономически целесообразном графике движения со значительным выбегом.
Эти обстоятельства, утяжеляющие и облегчающие режим работы тягового двигателя, в значительной степени нейтрализуют друг друга.
Для вагонов метрополитена также может быть рекомендовано значение удельной мощности 7 кВт/т. Данные по большому числу современных вагонов метрополитена подтверждают это положение.
Скорость выхода на естественную характеристику у вагонов метрополитена несколько выше, чем у трамвайных вагонов, она составляет 25—28 км/ч.
Ослабление поля двигателей, предназначенных для вагонов метрополитена, также несколько больше, чем у трамвайных и троллейбусных двигателей, — примерно 30—35%.
При скорости 90 км/ч тяговый двигатель для метрополитена должен развивать мощность 60% номинальной.
В частности, в вагонах метрополитена типа Е, выпускаемых в настоящее время, скорость выхода на автоматическую безреостатную характеристику при ускорении 1,3 м/сек2 составляет 25 км/ч при мощности 1,4 номинальной. Скорость при выходе на характеристику при наибольшем ослаблении поля составляет 45 км/ч, а мощность двигателя при скорости 90 км/ч равна 0,6 номинальной.
Для вагонов метрополитена при длине перегона 1500—2000 м и скорости сообщения до 45 км/ч может быть рекомендована следующая формула для выбора мощности тягового двигателя:

Учитывая большую длину перегонов и возможность затяжных уклонов на трассе метрополитена, нежелательно, чтобы на руководящем подъеме мощность двигателя превышала номинальную часовую мощность более чем на 10%. Тогда при скорости на первой безреостатной ступени при номинальной мощности 28 км/ч и сопротивлении движению 15 кг/т предельно допустимый уклон равен:

а при предельном ослаблении поля, скорости 60 км/ч и сопротивлении движению 20 кг/т

Предельный уклон при проектировании трасс метрополитена принимается обычно равным 40%, исходя из условия трогания половиной моторных вагонов всего поезда.
На уклоне 40% движение (без тепловых ограничений) может осуществляться в режиме номинального (среднего) поля.
При использовании вагонов метрополитена (или аналогичных вагонов) на трассе с более короткими перегонами (до 400 м) мощность двигателя должна быть несколько увеличена.
При определении значения этой мощности применяют зависимости, рекомендуемые для вагонов трамвая:

В частности, для подвижного состава скоростного трамвая неглубокого залегания со скоростью сообщения до 28 км/ч целесообразно применить вагоны с динамическими показателями, аналогичными показателями вагонов метрополитена типа Е.
По длине перегона примерно 400 м удельную мощность двигателя необходимо увеличить до 8 кВт/т.
Приведенные выше зависимости относятся к режиму наибольшего использования подвижного состава по скорости сообщения. При понижении скорости сообщения естественно снижается и нагрузка двигателя.
На рис. 59 приведена зависимость среднеквадратичного тока двигателя (типа ДК-108) для вагонов метрополитена типа Е от времени прохождения перегонов длиной 930 и 1700 м.

Рис. 59. Зависимость тока от времени прохождения перегона.

Следует указать, что при целесообразных значениях скоростей сообщения вагонов метрополитена (с учетом расхода энергии и времени на нагон) практическая величина среднеквадратичного тока составляет 85% его предельного значения (езда без выбега с резервом времени в размере 10% на нагон). Для вагонов метрополитена, таким образом, выбор двигателя по приведенным выше рекомендациям создаст известный резерв тепло- мощности.
Тепловой режим двигателя для вагонов метрополитена несколько облегчается также «горочным» профилем, принятым на современных трассах. Значение среднеквадратичного тока и требуемой мощности двигателя зависят и от длины перегона. С увеличением длины перегона уменьшается число пусков, при которых кратность тока якоря является наибольшей, но одновременно увеличивается скорость начала торможения, что приводит к увеличению потерь в двигателе при тормозном режиме. На вагонах метрополитена типа Е при длине перегона 1000 м (езда с 10% резервом времени на нагон) значение I2t составляет: при пуске до верхней тяговой характеристики 1,26· 106 а2 · сек, при движении 1,48·106а2·сек, при торможении 0,95· 106а2-сек,а среднеквадратичный ток с учетом стоянки 15 сек составляет 206 а при скорости 41,4 км/ч. При перегоне 1700 м эти цифры равны соответственно 1,26·106а2·сек, 2,3·106а2·сек, 1,01·106а2·сек и 194 а при скорости 50 км/ч.
Таким образом, величина среднеквадратичного тока уменьшается с увеличением длины перегона.
Тепловой режим при повышенной длине перегона является более благоприятным также в связи с повышением средней скорости движения, а тем самым и с улучшением вентиляции двигателя.
Наряду с определением мощности двигателя и рабочего тока последовательной цепи якоря при выборе двигателя по тепломощности необходимо также на основе принятого режима движения рассчитать среднеквадратичный ток параллельной обмотки. Обмотки подмагничивания, работающие при одном значении тока только в режиме торможения для ускорения процесса самовозбуждения, рассчитаны на режим при 10% ПВ, и возможность их перегрузки в эксплуатационных режимах маловероятна. Параллельные обмотки, работающие как в двигательном, так и в генераторном режиме, при переменных значениях тока должны быть тщательно проверены конкретным тяговым и тепловым расчетом.
Перегревы подшипников и коллекторов, расположенных со стороны входа охлаждающего воздуха, обычно в эксплуатационном режиме не достигают предельных значений, кроме двигателей для троллейбуса, у которых перегрев коллектора близок к предельному.
При проверке теплового режима двигателя на подвижном составе необходимо учитывать также условия его охлаждения и их соответствие номинальным (стандартным) условиям, при которых определялась номинальная мощность двигателя.
Расчетная скорость сообщения трамваев и троллейбусов близка к скорости, соответствующей номинальному режиму двигателя. Поэтому стендовый номинальный режим дигателя с самовентиляцией с точки зрения условий охлаждения весьма близок к эксплуатационному. Работа двигателя на вагонах метрополитена протекает при средней скорости, несколько превосходящей номинальную. Это обстоятельство улучшает условия охлаждения двигателя.
При независимой вентиляции эксплуатационные условия охлаждения лучше, чем при стендовых испытаниях, так как охлаждение имеет место при неработающем двигателе (на промежуточных и конечных остановках и задержках у светофора).
При применении независимой вентиляции удельная мощность может быть снижена для средних условий движения примерно до 6,5 кВт/т.
Это значение принято на трамвайных вагонах Т2, где установлены четыре двигателя мощностью 40 кВт при U=550 в и при номинальном весе 24 т, что соответствует удельной мощности 6,6 кВт/т.
Несколько улучшает условия охлаждения наружный обдув корпуса электродвигателя, однако это обстоятельство может не учитываться при тепловых расчетах.
Тепловая нагрузка тягового двигателя зависит от системы возбуждения.
Приведенные выше рекомендации следует отнести к двигателям с преобладающим последовательным возбуждением, которое выгодно отличается от системы с преобладающим параллельным возбуждением пониженной величиной тока при пуске и при маневровой работе, отсутствием потерь в последовательной обмотке в режиме динамического тормоза и лучшим распределением потерь в последовательной и параллельной части обмотки.
Проведенные в 1964 г. испытания образцов троллейбусов ЗИУ-7 с двигателями с обеими системами возбуждения показали, что при системе с преобладанием последовательного возбуждения перегрев всех обмоток оказался на 15% ниже, чем при системе с преобладающим параллельным возбуждением.
При выборе двигателя по тепломощности необходимо также учитывать возможность неравномерной нагрузки двигателей, включаемых параллельно.
У двигателей последовательного возбуждения даже в области высоких насыщений при пусковых режимах наклон тяговой характеристики при усиленном поле составляет более 10 км/ч*/Iном и разность нагрузок отдельных параллельных групп двигателей обычно не превосходит 5—7%.

* Под наклоном тяговой характеристики в данной точке следует понимать наклон касательной к кривой v=f (/) в данной точке, выраженный в виде отношения перепада скоростей при изменении тока на величину Iном к Iном.

В результате превышение величины среднеквадратичного тока над средним расчетным значением в режимах усиленного и полного поля не выходит за пределы 2—3%. Эту величину можно не учитывать при обычных расчетах.
У двигателей смешанного возбуждения (например, у применяемых на вагонах РВЗ-6) наклон тяговой характеристики при пусковом режиме может снизиться до 6 км/ч/Iном, что соответствует разности нагрузок отдельных параллельных групп двигателей на 10%.
При последующем ослаблении поля возрастает крутизна характеристик, что должно благоприятно сказаться на распределении нагрузок между отдельными параллельными группами двигателей.
Однако в режиме ослабленного поля наблюдается большие отклонения от средней скорости вращения, чем при полном поле, из-за повышенного влияния поля добавочных полюсов и реакции якоря на основное поле.
К сожалению, ГОСТ 2580 не регламентирует допустимых отклонений характеристик при наиболее ослабленном поле. Нормы МЭК предусматривают предельные отклонения характеристик при номинальном поле 3% и при предельном ослаблении поля 4%.
Практические отклонения характеристик в режиме наибольшего ослабления поля (до 30%) у двигателей единой серии достигали 7% и более.
В настоящее время при выборе двигателей смешанного и последовательного возбуждения с широким диапазоном регулирования скорости вращения необходимо учитывать разницу в нагрузке отдельных параллельных групп двигателей.
В реальном режиме среднеквадратичный ток более нагруженной группы двигателей может превысить среднее (расчетное) значение тока на 10%.
Для подобных систем управления необходимо увеличить мощность двигателя примерно на 10% в сравнении со значением, полученным по рекомендуемой формуле.
С точки зрения нагрузки двигателей желательно не применять систем управления с преобладающим независимым возбуждением двигателей.
При испытании нового подвижного состава с параллельно включенными группами двигателей проверку токораспределении между этими группами следует считать обязательной. Исследование теплового режима следует проводить на более нагруженной группе двигателей.
Значение фактических перегревов обмоток и коллекторов тяговых электродвигателей в условиях эксплуатации можно определить измерением температуры.
Значение удельной мощности зависит также от к. п.д. редуктора и сопротивления движению.