Очень важно знать, какую мощность смогут развивать тяговые
двигатели за тот или иной промежуток времени в процессе ведения
состава электровозом? Способны ли они выдержать перегрузки? Каковы
допустимые перегрузки и их продолжительность?
Как известно, мощность представляет собой работу, совершаемую в
единицу времени - секунду. Мощность электрических машин, в том числе
и тяговых двигателей, измеряют в киловаттах (кВт).
Чем большую мощность развивает тяговый двигатель, тем больший ток
проходит по его обмоткам и тем больше тепла выделяется в
проводниках. В результате нагреваются обмотки и другие детали
двигателя. Поэтому во время работы двигателя температура его частей
становится выше температуры окружающей среды. Повышение температуры
сказывается на состоянии и работоспособности двигателя и в первую
очередь на его изоляции.
Предельные допустимые превышения температуры частей тяговых
электрических машин, изолированных материалами различных классов
нагревостойкости, по отношению к температуре охлаждающего воздуха
как при испытаниях на стенде, так и в эксплуатации не должны
превышать норм, указанных в ГОСТ 2582-81. Так, для изоляции класса Н
допустимое превышение температуры обмотки якоря может достигать 160°
С, для обмотки возбуждения 180° С и коллектора 105° С, а для
изоляции класса В - соответственно 120, 130 и 95° С. Превышение
температуры обмоток определяют методом сопротивления. Для этого
измеряют сопротивление обмотки в холодном состоянии, а затем в
нагретом. Зная зависимость изменения сопротивления проводников
обмотки от температуры, можно вычислить превышение температуры той
или иной обмотки над температурой воздуха, охлаждающего машину. Эта
зависимость характеризуется температурным коэффициентом а.
Температуру коллектора измеряют термометром. Превышение ее равно
разности между показаниями термометра и температурой охлаждающего
воздуха.
Нормы предельных допустимых превышений температуры для различных
узлов тяговых машин установлены при условии, что температура
охлаждающего воздуха находится в пределах от + 10 до +40° С. Если по
каким-либо причинам эта температура выходит за указанные пределы,
завод-изготовитель вносит соответствующие поправки.
Нагрев двигателя зависит и от температуры окружающей среды. Чем ниже
температура окружающего воздуха, тем интенсивнее охлаждается тяговый
двигатель. Поэтому зимой тяговые двигатели электровоза могут
развивать большую мощность, чем летом, и, несмотря на то, что зимой
увеличивается сопротивление движению поездов, нет необходимости
уменьшать их массу.
Если увеличить количество воздуха, охлаждающего узлы двигателя, то
охлаждение будет более интенсивным, и тяговый двигатель сможет
развивать большую мощность, при которой температура его узлов не
превысит допустимую. Поэтому через тяговые двигатели с помощью
вентиляторов непрерывно прогоняют охлаждающий воздух.
В зависимости от времени, в течение которого узлы двигателя
нагреваются до максимальной допустимой температуры, различают
мощность продолжительного и часового режимов. Под продолжительной
понимают наибольшую мощность, которую может развивать двигатель в
условиях нормально действующей вентиляции при закрытых коллекторных
люках в течение неограниченного времени, не вызывая повышения
температуры узлов двигателя сверх максимального допустимого
значения.
Под часовой подразумевают наибольшую мощность, которую может
развивать двигатель в течение часа в условиях нормально действующей
вентиляции при закрытых коллекторных люках, не вызывая превышения
температуры узлов двигателя над максимальной допустимой. Полагают,
что температура узлов двигателя в начале испытания равна температуре
окружающей среды, которую принимают равной 4- 25° С. Если
температура окружающей среды выше + 25° С, то допустимые значения
температуры узлов снижают. Ток, соответствующий продолжительной
мощности, называют продолжительным, а ток, реализуемый при часовой
мощности,- часовым.
Разумеется, в процессе ведения поезда ток, а следовательно, и
мощность тяговых двигателей все время изменяются: при движении по
подъему мощность двигателей кратковременно может превышать часовую;
на спусках, площадках двигатели развивают мощность, меньшую часовой
или даже продолжительной. При этом нагретые обмотки двигателей
охлаждаются.
Допустимые перегрузки оговариваются заводами-изготовителями.
Максимальная мощность, развиваемая тяговым двигателем в течение
короткого времени, за которое его узлы не успевают перегреться,
ограничивается их механической прочностью и условиями коммутации.
Понятно, что при очень большой мощности и, как следствие этого,
чрезмерных механических усилиях в двигателе могут возникнуть
напряжения, превышающие предел упругости, которые, в конечном счете,
приводят к механическим повреждениям.
Чем больше ток двигателя, тем больше в нем реактивная э. д. е., тем
больше ее недокомпенсация, связанная с насыщением дополнительных
полюсов двигателя. Следовательно, при очень большой потребляемой
мощности условия коммутации ухудшаются, возникает сильное искрение
под щетками, которое может перейти в круговой огонь по коллектору.
Однако обычно максимальная мощность электровоза не ограничивается
механической прочностью или условиями коммутации двигателей, так как
еще до достижения опасного значения тока нарушается сцепление
колесных пар с рельсами. Следовательно, максимальная мощность,
которую могут развить тяговые двигатели электровоза, ограничивается,
кроме всего прочего, сцеплением колес с рельсами.
Нагрев обмоток тягового двигателя в зависимости от конкретных
условий работы электровоза на каком-либо участке пути определяют
после проведения тяговых расчетов. С помощью тяговых расчетов
сначала устанавливают условия максимального использования мощности
электровоза, затем определяют наиболее рациональные режимы ведения
поезда при максимальной возможной массе поезда для данного профиля
на рассматриваемом участке, обеспечивающие минимальное время
нахождения на участке, и минимальный расход электрической энергии.
Рис. 26. Кривые нагревания и охлаждения
обмоток якоря (а) и возбуждения (б) тягового двигателя
После выполнения тяговых расчетов проверяют возможность работы
тяговых двигателей при выбранных режимах без превышения допустимых
температур нагрева.
В остов тягового двигателя охлаждающий воздух обычно вводят со
стороны коллектора. Здесь он разбивается на два параллельных потока:
один проходит по вентиляционным каналам внутри сердечника якоря (они
видны на рис. 15, б), другой - по катушкам полюсов, поверхности
якоря и коллектора. По мере увеличения количества тепла в двигателе
повышается температура его узлов. С другой стороны, чем выше их
температура по сравнению с температурой окружающей среды, или, как
говорят, чем больше перепад температуры, тем большее количество
тепла от нагреваемого тела рассеивается в окружающей среде. При
достижении определенной температуры количество тепла, выделяемого в
теле, будет равно количеству тепла, отдаваемого им окружающей среде,
т. е. установится тепловое равновесие. Соответствующая этому режиму
температура называется установившейся.
Все технические данные тягового двигателя и электровоза, как уже
отмечалось, приводят для двух режимов - часового и продолжительного.
Так, для часового режима двигателя ТЛ-2К.1 электровоза ВЛ10 мощность
равна 670 кВт, частота вращения 790 об/мин, ток 480 А, к. п. д.
93,4%, а для продолжительного - соответственно 575 кВт, 830 об/мин,
410 А, 93%.
Используя определенные методы, строят кривые потребляемого тока
электровоза в зависимости от установленной массы поезда и времени
потребления тока. Получив такие данные, определяют в зависимости от
режима ведения поезда температуру нагрева или охлаждения обмотки
якоря, обмоток главных и дополнительных полюсов, компенсационной
обмотки по тепловым характеристикам, которые прилагает
завод-изготовитель. Такие характеристики получают на основании
результатов испытаний.
Для примера на рис. 26 показаны кривые нагревания и охлаждения
обмотки якоря и обмоток главных полюсов тягового двигателя ТЛ-2К1 в
зависимости от тока. Такие же кривые даются заводом для обмоток
дополнительных полюсов и компенсационной обмотки. Как видим, при
токе 466 А в течение 1 ч обмотка якоря нагревается до температуры
110° С, а обмотки главных полюсов - до 140° С, что объясняется
разными условиями их охлаждения. Ясно, что обмотки главных полюсов
должны иметь изоляцию более высокого класса.
Из рис. 26 также следует, что при токе, например, 350 А температура
обмотки якоря снижается от 105 до 75° С за 2 ч и затем при том же
токе остается неизменной. Для обмоток возбуждения при том же токе
температура от 150 до 110° С снижается в течение 3 ч.
Если расчеты нагревания и охлаждения показывают, что в какой-то
промежуток времени, а следовательно, и на каком-то определенном
отрезке пути обмотки (обмотка) тяговых двигателей будут
перегреваться, то необходимо уменьшить нагрузку тяговых двигателей.
Мощность выпускаемых отечественными заводами тяговых двигателей
непрерывно повышается в результате улучшения конструкции, применения
новейших изоляционных и других материалов. Например, как уже
отмечалось, мощность в часовом режиме тягового двигателя ТЛ-2К1,
устанавливаемого на электровозах ВЛ10, составляет 650 кВт, двигателя
НБ-418К6 электровозов ВЛ80 различных индексов - 790 кВт, а двигателя
ДПЭ-340 электровозов ВЛ19 - всего 340 кВт. Как видим, мощность
двигателя ТЛ-2К1 почти в 2 раза, а двигателя НБ-418К6 - в 2,3 раза
выше, чем двигателя ДПЭ-340.
Отметим, что увеличение мощности двигателей практически не
отразилось на одном из важнейших показателей - массе двигателя, что
особенно важно для условий тяги: масса этих двигателей составляет
соответственно 4700, 4350 и 4280 кг.
Обычно, сравнивая двигатели, пользуются не абсолютной массой, а
относительной, приходящейся на 1 кВт мощности.
Для тяговых двигателей ТЛ-2К1, НБ-418К5 и ДПЭ-340 относительная
масса составляет соответственно 8,2; 6,2; 12,6 кг/кВт. Как видим,
наилучший показатель массы у двигателя, устанавливаемого на
электровозах ВЛ80 различных индексов. Это в некоторой степени
объясняется следующим.
Двигатели электровозов постоянного тока соединяют по два
последовательно. Они имеют номинальное напряжение на коллекторе 1500
В (при изоляции, рассчитанной на напряжение в контактной сети 3000
В), которое является вынужденным и, следовательно, не самым
оптимальным. Двигатели электровозов переменного тока ВЛ80 работают
при номинальном напряжении 950 В, являющемся оптимальным, что в
значительной мере определяет возможность повышения их мощности.
Создание новых электроизоляционных материалов - лаков, различных
полимеров, обладающих лучшими электроизоляционными свойствами и
повышенной нагревостойкостью,- позволит еще более увеличить
электрические, механические и тепловые нагрузки, воспринимаемые
тяговыми двигателями электровоза.
