Потужність тягового двигуна
Дуже важливо знати, яку потужність зможуть розвивати тягові двигуни за той чи інший проміжок часу в процесі ведення складу електровозом? Чи здатні вони витримати перевантаження? Які допустимі перевантаження і їх тривалість?
Як відомо, потужність являє собою роботу, що здійснюються в одиницю часу - секунду. Потужність електричних машин, в тому числі і тягових двигунів, вимірюють в кіловатах (кВт).
Чим більшу потужність розвиває тяговий двигун, тим більший струм проходить по його обмоток і тим більше тепла виділяється в провідниках. В результаті нагріваються обмотки і інші деталі двигуна. Тому під час роботи двигуна температура його частин стає вище температури навколишнього середовища. Підвищення температури позначається на стані і працездатності двигуна і в першу чергу на його ізоляції.
Граничні допустимі перевищення температури частин тягових електричних машин, ізольованих матеріалами різних класів нагріву-стійкості, по відношенню до температури охолоджуючого повітря як при випробуваннях на стенді, так і в експлуатації не повинні перевищувати норм, вказаних в ГОСТ 2582-81. Так, для ізоляції класу Н допустиме перевищення температури обмотки якоря може досягати 160 ° С, для обмотки збудження 180 ° С і колектора 105 ° С, а для ізоляції класу В - відповідно 120, 130 і 95 ° С. Перевищення температури обмоток визначають методом опору . Для цього вимірюють опір обмотки в холодному стані, а потім в нагрітому. Знаючи залежність зміни опору провідників обмотки від температури, можна обчислити перевищення температури тієї чи іншої обмотки над температурою повітря, що охолоджує машину. Ця залежність характеризується температурним коефіцієнтом а.
Температуру колектора вимірюють термометром. Перевищення її дорівнює різниці між показаннями термометра і температурою охолоджуючого повітря.
Нагрівання двигуна залежить і від температури навколишнього середовища. Чим нижче температура навколишнього повітря, тим інтенсивніше охолоджується тяговий двигун. Тому взимку тягові двигуни електровоза можуть розвивати велику потужність, ніж влітку, і, не дивлячись на те, що взимку збільшується опір руху поїздів, немає необхідності зменшувати їх масу.
Якщо збільшити кількість повітря, що охолоджує вузли двигуна, то охолодження буде більш інтенсивним, і тяговий двигун зможе розвивати велику потужність, при якій температура його вузлів не перевищить допустиму. Тому через тягові двигуни за допомогою вентиляторів безперервно проганяють охолоджуючий повітря.
Залежно від часу, протягом якого вузли двигуна нагріваються до максимальної допустимої температури, розрізняють потужність тривалого і годинного режимів. Під тривалої розуміють найбільшу потужність, яку може розвивати двигун в умовах нормально діючої вентиляції при закритих колекторних люках протягом необмеженого часу, не викликаючи підвищення температури вузлів двигуна понад максимальну допустимого значення.
Під годинний увазі найбільшу потужність, яку може розвивати двигун протягом години в умовах нормально діючої вентиляції при закритих колекторних люках, не викликаючи перевищення температури вузлів двигуна над максимальною допустимою. Вважають, що температура вузлів двигуна на початку випробування дорівнює температурі навколишнього середовища, яку приймають рівною + 25 ° С. Якщо температура навколишнього середовища вище + 25 ° С, то допустимі значення температури вузлів знижують. Струм, відповідний тривалої потужності, називають тривалим, а струм, який реалізується при годинниковою потужності, - вартовим.
Зрозуміло, в процесі ведення поїзда струм, а отже, і потужність тягових двигунів весь час змінюються: при русі по підйому потужність двигунів короткочасно може перевищувати годинну; на спусках, майданчиках двигуни розвивають потужність, меншу годинної або навіть тривалої. При цьому нагріті обмотки двигунів охолоджуються.
Допустимі перевантаження обумовлюються заводами-виробниками.
Максимальна потужність, що розвивається тяговим двигуном протягом короткого часу, за яке його вузли не встигають перегрітися, обмежується їх механічну міцність і умовами комутації. Зрозуміло, що при дуже великої потужності і, як наслідок цього, надмірних механічних зусиллях в двигуні можуть виникнути напруги, що перевищують межу пружності, які, в кінцевому рахунку, приводять до механічних пошкоджень.
Чим більше струм двигуна, тим більше в ньому реактивна е. д. з, тим більше її недокомпенсація, пов'язана з насиченням додаткових полюсів двигуна. Отже, при дуже великій споживаної потужності умови комутації погіршуються, виникає сильне іскріння під щітками, яке може перейти в круговий вогонь по колектору.
Однак зазвичай максимальна потужність електровоза не обмежується механічною міцністю або умовами комутації двигунів, так як ще до досягнення небезпечного значення струму порушується зчеплення колісних пар з рейками. Отже, максимальна потужність, яку можуть розвинути тягові двигуни електровоза, обмежується, крім усього іншого, зчепленням коліс з рейками.
Нагрівання обмоток тягового двигуна в залежності від конкретних умов роботи електровоза на якій-небудь ділянці шляху визначають після проведення тягових розрахунків. За допомогою тягових розрахунків спочатку встановлюють умови максимального використання потужності електровоза, потім визначають найбільш раціональні режими ведення поїзда при максимальній можливій масі поїзда для даного профілю на даній ділянці, що забезпечують мінімальний час знаходження на ділянці, і мінімальний витрата електричної енергії.
Після виконання тягових розрахунків перевіряють можливість роботи тягових двигунів при обраних режимах без перевищення допустимих температур нагрівання.
У остов тягового двигуна охолоджуючий повітря зазвичай вводять з боку колектора. Тут він розбивається на два паралельні потоки: один проходить по вентиляційних каналах всередині сердечника якоря (їх видно на рис. 15, б), другий - по котушок полюсів, поверхні якоря і колектора. У міру збільшення кількості тепла в двигуні підвищується температура його вузлів. З іншого боку, чим вище їх температура в порівнянні з температурою навколишнього середовища, або, як кажуть, чим більше перепад температури, тим більша кількість тепла від тіла, що нагрівається розсіюється в навколишньому середовищі. При досягненні певної температури кількість тепла, що виділяється в тілі, буде дорівнює кількості тепла, що віддається їм навколишньому середовищу, т. Е. Встановиться теплова рівновага. Відповідна цьому режиму температура називається сталою.
Всі технічні дані тягового двигуна і електровоза, як уже зазначалося, призводять для двох режимів - годинного і тривалого. Так, для часового режиму двигуна ТЛ-2К1 електровоза ВЛ10 потужність дорівнює 670 кВт, частота обертання 790 об / хв, струм 480 А, к. П. Д. 93,4%, а для тривалого - відповідно 575 кВт, 830 об / хв , 410 А, 93%.
Використовуючи певні методи, будують криві споживаного струму електровоза в залежності від встановленої маси поїзда і часу споживання струму. Отримавши такі дані, визначають залежно від режиму ведення поїзда температуру нагрівання або охолодження обмотки якоря, обмоток головних і додаткових полюсів, компенсаційної обмотки по тепловим характеристикам, які докладає завод-виготовлювач. Такі характеристики отримують на підставі результатів випробувань.
Для прикладу на рис. 26 показані криві нагрівання та охолодження обмотки якоря і обмоток головних полюсів тягового двигуна ТЛ-2К1 в залежності від струму. Такі ж криві даються заводом для обмоток додаткових полюсів і компенсаційної обмотки. Як бачимо, при струмі 466 А протягом 1 год обмотка якоря нагрівається до температури 110 ° С, а обмотки головних полюсів - до 140 ° С, що пояснюється різними умовами їх охолодження. Ясно, що обмотки головних полюсів повинні мати ізоляцію вищого класу.
З рис. 26 також випливає, що при струмі, наприклад, 350 А температура обмотки якоря знижується від 105 до 75 ° С за 2 год і потім при тому ж струмі залишається незмінною. Для обмоток збудження при тому ж струмі температура від 150 до 110 ° С знижується протягом 3 ч.
Якщо розрахунки нагрівання і охолоджування показують, що в якийсь проміжок часу, а отже, і на якомусь певному відрізку шляху обмотки (обмотка) тягових двигунів будуть перегріватися, то необхідно зменшити навантаження тягових двигунів.
Потужність що випускаються вітчизняними заводами тягових двигунів безперервно підвищується в результаті поліпшення конструкції, застосування новітніх ізоляційних та інших матеріалів. Наприклад, як уже зазначалося, потужність в годинному режимі тягового двигуна ТЛ-2К1, що встановлюється на електровозах ВЛ10, становить 650 кВт, двигуна НБ-418К6 електровозів ВЛ80 різних індексів - 790 кВт, а двигуна ДПЕ-340 електровозів ВЛ19-всього 340 кВт. Як бачимо, потужність двигуна ТЛ-2К1 майже в 2 рази, а двигуна НБ-418К6 - в 2,3 рази вище, ніж двигуна ДПЕ-340.
Відзначимо, що збільшення потужності двигунів практично не позначилося на одному з найважливіших показників - масі двигуна, що особливо важливо для умов тяги: маса цих двигунів становить відповідно 4700, 4350 і 4280 кг.
Зазвичай, порівнюючи двигуни, користуються не абсолютною масою, а відносної, що припадає на 1 кВт потужності.
Для тягових двигунів ТЛ-2К1, НБ-418К5 і ДПЕ-340 відносна маса становить відповідно 8,2; 6,2; 12,6 кг / кВт. Як бачимо, найкращий показник маси у двигуна, що встановлюється на електровозах ВЛ80 різних індексів. Це в деякій мірі пояснюється наступним.
Двигуни електровозів постійного струму з'єднують по два послідовно. Вони мають номінальну напругу на колекторі 1500 В (при ізоляції, розрахованої на напругу в контактній мережі 3000 В), яке є вимушеним і, отже, не найоптимальнішим. Двигуни електровозів змінного струму ВЛ80 працюють при номінальній напрузі 950 В, що є оптимальним, що в значній мірі визначає можливість підвищення їх потужності.
Створення нових електроізоляційних матеріалів - лаків, різних полімерів, що володіють кращими електроізоляційними властивостями і підвищеною нагревостойкостью, - дозволить ще більше збільшити електричні, механічні та теплові навантаження, сприймаються тяговими двигунами електровоза.