Определение температуры обмоток якоря

Все расчёты на нагревание тяговых двигателей и генератора производятся путём определения превышения температуры обмоток якоря над температурой охлаждающего воздуха.

Построение кривой превышения температуры изоляции обмоток тяговых машин над температурой окружающей среды – τ = f(S) (температура перегрева ТЭМ) выполняется с помощью диаграммы тепловых коэффициентов Tv/60 = f(τ _∞ ). Наглядность результатов расчётов способствует лучшему пониманию физической сущности процесса нагревания и уменьшает вероятность ошибок. Предлагаемый метод значительно ускоряет выполнение расчётов в сравнении с аналитическим методом, так как диаграммы тепловых коэффициентов являются постоянными для каждой серии локомотива и могут быть использованы неоднократно при условии постоянства масштабов тяговых расчётов. Порядок расчета и построения диаграммы тепловых коэффициентов удобнее всего рассмотреть на примере расчетов для тепловоза М62. Расчеты представим в табличной форме:

Таблица 1.

I, А	v, км/ч	T, мин	τ ∞, град	Tv/60, ед.	I, А	v, км/ч	T, мин	τ ∞, град	Tv/60, ед.
Ограничение по сцеплению	Ослабленное поле 1-ой ступени
		42,8	216,5	0,71			30,2	81,0	14,60
		39,8	187,0	3,32			28,4	64,0	18,93
		37,2	154,5	6,20			27,6	55,5	23,00
	11,5	36,6	148,0	7.02			27,2	51,0	27,20
Полное поле			27,15	50,0	27,60
	11,5	36,6	148.0	7.02	Ослабленное поле 2-ой ступени
		33,3	111,5	8.32		43,5	29,7	76,0	21,53
		30,2	81,0	10,07			28,8	68.5	24,00
		27,9	58,5	13,95			28,2	61,5	28,20
	33,5	27,4	54,0	15,30			27,7	57.0	32,32
			27,4	53,0	36,53
			27,15	50,0	40,72

 

Графы 1 и 2 таблицы 1 заполняют по данным графика зависимости тока ТЭД от скорости движения I_д = f(v) (рисунке 1) для полного (ПП) и ослабленного возбуждения (ОП1 и ОП2). В таблицу обязательно вносят значения токов для характерных точек тяговой характеристики: точка выхода на автоматическую характеристику – переход с ограничения по сцеплению (или по пусковому току) на ограничение по мощности; точки переходов ПП D ОП1, ОП1 D ОП2. В дополнение к характерным точкам тяговой характеристики на каждом отрезке кривой надо взять минимум два-три значения тока кратные 50 или 100 А. Для выбранных значений токов по токовой характеристике (рисунок 1) определяют соответствующие значения скорости (графа 2).

Графы 3 и 4 заполняют по данным тепловых характеристик тягового электродвигателя (рисунок 2). Для токов, указанных в графе 1, определяют значения тепловой постоянной Т и установившейся температуры (τ_∞). Затем производят расчёт данных графы 5 - Tv/60. По данным табл. 1 для каждой ветви: ограничение по сцеплению (или по пусковому току, например, для тепловоза ТЭП60); ПП; ОП1 и ОП2 строят в соответствующих масштабах кривые Tv/60 = f(τ_∞) (рисунок 3), для М-62 кривые ограничения: 1 –по сцеплению и полному полю ПП, 2 ‑ по ОП1, 3 – по ОП2) с указанием значений соответствующей скорости движения (графа 2) около кривых.

Рисунок 1. Токовая характеристика тепловоза М62.

Рисунок 2. Тепловые характеристики тяговых двигателей.

Рисунок 3. Графическое изображение тепловых характеристик.

Для построения кривой нагревания тяговых машин – τ = f(S) в режиме холостого хода - T_оv/60 = f(τ_∞) (а для тепловоза ТЭП60 и в режиме ограничения разгона по пусковому току T_рv/60 = f(τ_∞)), рассчитывают значения тепловых коэффициентов

где Т_о = 24,3 мин – тепловая постоянная двигателя тепловоза М62 при холостом ходе;

Т_р = 58,1 мин – тепловая постоянная двигателя тепловоза ТЭП60 при разгоне;

τ_∞ = 353 ^оС – установившаяся температура двигателя тепловоза ТЭП60 при разгоне.

Коэффициенты T_рv/60 при разгоне тепловоза ТЭП60 для скоростей 10 и 20 км/ч равны соответственно 9,69 и 19,37. Для режима холостого хода тепловоза М62 коэффициенты T_оv/60 приведены в таблице 2:

Таблица 2.

Скорость тепловоза, км/ч
Tоv/60	4,05	8,1	12,15	16,2	20,25	24,3	28,35	32,4	36,45

 

Трогание с места и разгон поезда, как правило, происходят при максимально допустимом токе тягового двигателя, который остается практически постоянным до выхода на автоматическую характеристику (например, пусковой ток у тепловоза ТЭП60). Так как при этом Т_р –величина постоянная, соответствующая току при разгоне, то зависимость T_рv/60 = f(τ_∞) представляет прямую линию, проведённую через точку τ_∞р параллельно оси ординат (линия 4 - τ _{∞ р} " T_рv/60 на рисунок 4-а).

Для режима выбега и при пневматическом торможении значение Т_о также постоянно, а значение τ_∞о = 0. Поэтому зависимость T_оv/60 = f(τ_∞) также представляет собой прямую линию на оси ординат при τ_∞о = 0 (линия 4 на рисунке 3).

Для графического построения необходимо выбрать масштабы диаграммы тепловых коэффициентов и кривой нагревания τ = f(S). Между масштабами должно соблюдаться соотношение:

m_s / m_τ = m_Tv/60 / m_τ∞,

где m_s – масштаб пути, выбранный ранее при построении кривой скорости v =f(S); m_τ – масштаб кривой нагревания (температуры перегрева); m_Tv/60 - масштаб тепловых коэффициентов; m_τ∞ - масштаб установившейся температуры.

Рисунок 4. Построение кривой нагревания тяговых электрических машин.

Для удобства построения на графике тепловых коэффициентов наносят вспомогательные кривые зависимости скорости движения v от установившейся температуры (кривые 5, 6 и 7). Для их построения наносят в произвольном масштабе временную шкалу скорости. затем из точек скорости на кривых 1, 2 и 3 делают вертикальный перенос значений τ_∞ на соответствующие значения скорости временной шкалы. Пунктирными линиями показан порядок построения вспомогательной кривой v = f(τ_∞) для полного поля тяговых двигателей (кривая 5). Аналогично строят вспомогательные кривые для ослабленного возбуждения ОП1 и ОП2 (кривые 6 и 7).

Кривую превышения температуры ТЭД в режиме разгона (до выхода на автоматическую характеристику) строят следующим образом (рисунок 4-а). На оси S построенной кривой скорости выбирают отрезок Δ S₁ (рекомендуется выбрать Δ S₁= 2 мм), для которого по кривой v(S) находят среднюю скорость движения поезда v_ср1. На оси T_оv/60 выбирают точку В, соответствующую v_ср1, а на оси абсцисс – точку А, соответствующую начальному превышению температуры τ_о. Через точки А и В проводят прямую и к ней из точки С планшета кривой скорости восстанавливают перпендикуляр в пределах отрезка пути Δ S₁. Точка τ_к1 соответствует в выбранном масштабе m_τ конечному превышению температуры, достигаемой в конце отрезка Δ S₁. Затем выбирают отрезок Δ S₂ (не более 3 мм) и определяют среднюю на этом отрезке пути скорость движения v_ср2. Точка А^′ соответствует температуре τ _к1 (эта температура является начальной для второго отрезка пути), а точка В^′ соответствует средней скорости движения v_ср2 на отрезке пути Δ S₂. Проведя через эти две точки прямую линию, восстанавливаем перпендикуляр из точки τ _к1 до конца отрезка Δ S₂ (точка τ _к2). Аналогичные построения ведут до скорости, соответствующей скорости выхода на автоматическую характеристику (точка Д кривой скорости).

После выхода на автоматическую характеристику графические построения ведут аналогично. На оси S выбирается отрезок Δ S и для него определяют среднюю скорость движения v_ср (рисунок 4-б). если значение v_ср не указано на кривых 1, 2 и 3 диаграммы тепловых коэффициентов (см рисунок 3), то его находят, пользуясь вспомогательными кривыми 5, 6 и 7. Соединив прямой линией точки v_ср (точка А) и точку начальной температуры τ_н на отрезке Δ S (см. рисунок 4-б), восстанавливают перпендикуляр из точки В кривой температуры перегрева до конца отрезка Δ S (точка С). Конечная температура перегрева τ _к на отрезке Δ S является начальной для следующего отрезка пути.

Отрезки пути Δ S следует выбирать так, чтобы границы отрезков являлись границами перехода с одного режима движения на другой, а также точки перелома кривой скорости при переходе поезда с одного элемента профиля на другой. Для большей точности расчётов отрезки пути Δ S необходимо выбирать такими, чтобы изменение скорости на графике было не более 10 мм (Δ v ≤ 10 мм).

При езде без тока построение кривой превышения температуры ведут следующим образом (рисунок 4-в). Для выбранного отрезка пути Δ S определяют среднюю скорость движения поезда v_ср. Значение её – V км/ч откладывают на оси T_оv/60 (цифры слева от оси) диаграммы тепловых коэффициентов (точка А). На оси τ_∞ определяют точку В, соответствующую начальной температуре на отрезке Δ S. Через точки А и В проводят прямую линию и к ней восстанавливают перпендикуляр τ_н - τ_к в пределах отрезка Δ S. Длины отрезков пути, при постоянной скорости движения (без переломов кривой скорости движения), выбирают длиной не более 1 км.

Для удобства построения кривую температуры τ(S) обрывают аналогично кривой времени.

Так как расчёты на нагревание генератора и тяговых электродвигателей производят путем определения превышения температуры лимитирующих обмоток над температурой охлаждающего воздуха, то температура нагрева обмоток тяговых машин определяется из выражения τ = τ _max + t_нв

где τ _max – максимальная температура превышения нагревания тяговой машины на участке, определённая по кривой τ(S); t_нв –температура окружающего воздуха, в ^оС

Для большинства локомотивов температуру охлаждающего воздуха принимают равной температуре наружного воздуха. Наибольшее допускаемое превышение температуры обмоток над температурой окружающего воздуха при его максимальной температуре t_{нв max} ≤ 40 ^оС определять по таблице 3

Таблица 3

Обмотки	τдоп оС, для классов изоляции
B	F	H
Якоря	120*1	140*2	160*3
Полюсов

 

*¹ Тепловозы ЧМЭ3, ТЭМ2, М62, 2М62, ТЭ10Л, ТЭП60

*² Тепловозы ТЭ10В, ТЭ10М, ТЭ116

*³ Тепловоз ТЭП70.

При максимальной температуре наружного воздуха более +40 ^оС допускаемое превышение температур обмоток тяговых электрических машин уменьшать на соответствующее число градусов. Максимальную температуру наружного воздуха принимать по данным метеорологических станций как среднюю многолетнюю (не менее 5 лет) по замерам в 7, 13 и в 19 ч по местному времени для летнего периода за июнь, июль и август и определять по формуле

t_нв = (t₇ + 2 t₁₃ + t₁₉)/4 (1)

но не ниже + 15 ^оС, а для зимнего периода за декабрь, январь и февраль - не ниже 0 ^оС.

При отправлении тепловоза со станции после длительной стоянки (свыше 2 ч) начальную температуру перегрева обмоток τ_н принимать + 15 ^оС. При меньших стоянках температуру перегрева определять по предыдущему рейсу как температуру в момент прибытия, снижая её за время стоянки по кривой охлаждения, приводимой в ПТР.

Проверку тяговых электрических машин на нагревание делать в том случае, когда вводится ограничение скорости движения на труднейших подъемах или на походе к ним.

На участках с сосредоточенными подъёмами проверку нагревания генератора и тяговых двигателей выполнять от станции отправления до прохода последнего пикета подъёма. Расчёт проводится для летнего и зимнего времени.

Наибольшее превышение температуры, полученное при расчёте, в зимнее время следует привести к расчётной температуре наружного воздуха с учетом влияния устройства снегозащиты по формуле

τ _р = τ ∙К_сз∙К_нв (2)

где К_сз – коэффициент, учитывающий снижение расхода воздуха на охлаждение при постановке фильтров, принимается по ПТР. Для зимних условий К_сз=1,1, а для летних условий К_сз=1,1.

Значения коэффициента К_нв принимают также по данным ПТР (см. таблицу 4)

Таблица 4

Обмотки	Кнв для tнв , в оС
Полюсов	0,9	0,92	0,94	0,96	0,98		1,02	1,04
Якоря	0,94	0,95	0,96	0,98	0,99		1,01	1,02

Для случаев, когда тепловоз работает на промежуточных позициях контроллера, превышение температуры τ_∞, приведённое в тепловых характеристиках тяговых электрических машин, умножается на коэффициент К _п, имеющий следующие значения:

Таблица 5

Позиция контроллера nк	13 - 12
Коэффициент К п	1,05	1,08	1,15	1,2

 

При необходимости результаты расчёта перегрева электрических машин следует проверять опытными поездками. Перед проведением опытных поездок по техническим данным определяют лимитирующую по нагреванию электрическую машину. По результатам предварительных испытаний тепловоза – по распределению охлаждающего воздуха и токов нагрузки по двигателям определяют двигатель, работающий в наиболее тяжёлых условиях. В опытных поездках температуру обмоток замеряют перед отправлением и после прибытия на конечный пункт. Места остановок для замеров выбирают на основании тяговых расчётов, анализа профиля пути и данных предварительных опытных поездок. Кроме того, в тех местах, где по результатам предварительных расчётов ожидаются максимальные температуры и резкие изменения температуры нагревания, также делаются остановки по определению температуры при остановленном поезде.

Предварительные расчеты по нагреванию в этом случае могут быть выполнены для наиболее нагруженного двигателя с учетом неравномерного токораспределения. Для этого характеристику I_д = f(v) перестраивают с учетом повышения токов двигателя на определённую величину на разных участках токовой характеристики.

Контрольные вопросы

1. Как определить нагревания тягового двигателя, если ток его в эксплуатации превышает паспортный?

2. В чем заключается разница в определении температуры нагревания тяговой машины в зимний и летний периоды?

3. Каким образом проверяется фактическая температура нагревания тяговых машин в эксплуатации?

4. Почему при определении температуры нагревания тяговой машины способом А.И. Матвеенко участки пути, проходимые на выбеге, рекомендуется принимать равными не более 1 км.?