Номинальные и предельные параметры ТЭД

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский Энергетический Институт (Технический Университет)

Кафедра Электрического транспорта

Реферат

на тему: Номинальные и предельные параметры ТЭД

Выполнил: Лоторев А.Г.

Группа: ЭЛ-05-11

Проверил: Девликамов Р.М.

Москва 2014

Оглавление

1. Номинальные и предельные данные тяговых двигателей

2. Нагревание и охлаждение тяговых электрических машин

2.1 Допустимые превышения температур

2.2 Классическая теория нагревания однородного твердого тела

2.3 Расчет нагревания обмотки якоря

3. Вентиляция тяговых двигателей

3.1 Самовентилирующиеся машины

3.2 Независимая вентиляция

3.3 Расчет вентиляции тяговых электрических машин

Литература

1. Номинальные и предельные данные тяговых двигателей

Номинальными, определяющими, параметрами тяговых машин называют ток, мощность и кпд соответствующие определенному режиму работы, установленному стандартом.

Для тяговых машин таких режимов два: часовой и длительный.

Часовой режим - это режим работы двигателя с таким током на испытательном стенде в течение одного часа, с возбуждением, предусмотренным для этого режима и нормально действующей вентиляцией, который не вызывает превышения температуры его частей над температурой окружающего воздуха выше норм, установленных для данного класса изоляции.

Длительный режим - определяется наибольшим током так же, как и часовой, но при работе двигателя на испытательном стенде в течение неограниченного времени. Номинальными для электровоза считаются параметры длительного режима: , , , .

Номинальные данные тяговых двигателей приводят на специальных табличках, которые укрепляются на несъёмной части тягового двигателя. В них указывают:

1) товарный знак предприятия-изготовителя;

2) род (двигатель, генератор) машины;

3) тип машины;

4) род тока;

5) номинальные режимы работы;

6) наибольшую эксплуатационную частоту вращения n;

7) номинальную степень возбуждения;

8) массу машины;

9) год выпуска машины;

10) обозначение стандарта, которому машина соответствует;

11) класс изоляции.

Естественно, как всякая машина, тяговый двигатель обладает определенными характеристиками.

2. Нагревание и охлаждение тяговых электрических машин

2.1 Допустимые превышения температур

При работе электрической машины часть ее энергии превращается в тепло. Это тепло выделяется в обмотках в виде электрических потерь и в виде потерь на перемагничивание стали. Кроме этого, нагреваются от трения подшипники и коллектор. Нагрев электрической машины вызывает старение изоляции, а вызванное нагревание обмоток и неодинаковые коэффициенты линейного расширения у различных частей тягового двигателя могут привести к разрыву изоляции, а значит и к преждевременному выходу машины из строя.

В связи с этим вполне естественно предположить, что на интенсивности старения изоляции будут сказываться следующие факторы:

1) значение и время действия рабочих температур;

2) пределы и частота изменения температур;

3) влажность;

4) электрическое напряжение;

5) воздействие химических элементов;

6) вибрационные нагрузки.

В настоящем подразделе будут рассматриваться первые два пункта из перечисленных.

В зависимости от нагревостойкости компонентов, входящих в состав изоляции ее подразделяют на 5 классов А, В, Е, F, Н. В тяговом электромагнитостроении используют три класса В, F, Н.

Предельные температуры нагревания для этих классов изоляции мы указывали в одном из первых разделов. Хотелось бы заметить, что расчетный срок службы изоляции класса В составляет 4…5 лет, а изоляции класса Н - 8…10 лет.

Допустимые превышения температур нормируются для каждой части тягового двигателя (обмотки якоря, обмотки полюсов, коллектора).

Таблица 7.1 Допустимые превышения температур

Класс нагревостойкости	Допустимая температура нагрева, С
	Обмотка якоря	Обмотка полюсов	Коллектор
В	120	130	95
F	140	155	95
Н	160	180	105

Различаются изоляционные материалы для разных классов. Для класса В - это материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна. Класс F- то же самое, но пропитывается синтетическими связующими и эпоксидными смолами. Класс Н - то же самое, но пропитываются кремнийорганическим составом.

2.2 Классическая теория нагревания однородного твердого тела

Согласно этой теории части машины рассматриваются как однородные тела, выделяющие тепловую энергию. Часть этой энергии вызывает нагревание тела, а часть рассеивается в окружающую среду.

Для лучшего понимания процессов сделаем небольшой экскурс в теплотехнику и определим ряд ее аспектов и терминов. Итак, общая теплоемкость тела - количество тепла, необходимое для его нагревания на 1 С. Общая теплоемкость зависит от массы тела m и удельной теплоемкости С

С = сm.

Общая теплоотдача тела В - количество тепловой энергии, отдаваемой за единицу времени со всей поверхности в окружающую среду при разности температур в 1 С

,

где - коэффициент теплоотдачи Вт/смІ; S - площадь поверхности тела.

Коэффициент теплоотдачи - количество тепловой энергии, отдаваемой лучеиспусканием и конвенцией за единицу времени с единицы поверхности тела при разности температур в 1 С.

Представим, что в начале испытания температура тела равна температуре окружающей среды, тогда за начальную единицу времени выделится тепловая энергия . За какое-то время dt выделится энергия . Причем она будет делиться на две составляющие:

Часть её пойдет на нагревание тела , а другая на рассеивание в окружающую среду.

Если за время dt температура тела повысилась на , то на это затрачена тепловая энергия

.

Так как тепловая энергия частью поглощается телом, а частью рассеивается, то можно записать уравнение теплового баланса

.

Хотелось бы сразу пояснить два момента.

Во-первых, если в начале нагревания температура тела равна температуре окружающей среды т. е., то

.

Вся выделившаяся энергия будет затрачиваться на нагревание тела. И наоборот, если величина постоянная, то через некоторое время тело настолько нагреется, что вся выделившаяся энергия будет рассеиваться в окружающую среду, то есть , тогда d и

.

Отсюда, установившееся превышение температуры тела

.

Учитывая, что выделившийся в теле тепловой поток

,

запишем

.

Разделив правую и левую часть на В и обозначив

,

получим

,

где Т - постоянная времени нагревания, т. е. это время, за которое превышение температуры рассматриваемого тела над температурой окружающей среды достигнет при отсутствии теплоотдачи в окружающую среду. Разделив переменные, получим

,

интегрируя, получим

,

где N - постоянная интегрирования.

При t = 0

,

тогда

или

.

Определим из полученного выражения, превышение температуры тела над температурой окружающей среды в функции времени

;

;

. (4)

Если начальное превышение температуры тела , тогда

.

Исходя из этого кривые нагревания и охлаждения однородного тела будут иметь вид, показанный на рис. 7.1.

Рис. 1. Кривые нагревания и охлаждения однородного тела: 1, 2 - кривые намагничивания; 3 - кривая охлаждения

Учитывая что

можно сказать, что, если тепловыделение прекратилось, т. е. , то уравнение приобретает вид

.

Этому уравнению соответствует на рис. 7.1 кривая (3) охлаждения тела. Это наиболее общее уравнение, характеризующее нагревание тела. Теперь рассмотрим процесс нагревания, для примера, одной из обмоток. Остальные обмотки рассчитывают аналогично.

2.3 Расчет нагревания обмотки якоря

Ранее упоминалось, что температура и процесс нагревания будет зависеть от выделившейся энергии.

Кроме того, было оговорено, что в основном электрические потери, это потери на нагрев.

Итак, тепловой поток, выделившейся из обмотки якоря,

,

где , - мощности потерь в меди обмотки якоря, соответственно коммутационные и от главного парового поля;

Крм - коэффициент увеличения сопротивления меди при ожидаемой температуре tн, по отношению к сопротивлению при 20 С

.

Для расчета нагревания обмоток удобно использовать тепловые схемы замещения, которые аналогичны схемам электрических цепей.

Прежде чем составлять схему, для наглядности изобразим выделение тепла в обмотке (рис. 7.2).

Рис.2. Схемы тепловых потоков обмотки якоря

Причем в эквивалентных схемах сопротивление распространению теплового потока заменяется электрическим сопротивлением. Так, термическое сопротивление распространению потока с лобовых частей

,

где - эквивалентная толщина изоляции лобовых частей;

- коэффициент теплопроводности.

Внешняя поверхность лобовых частей определяется как

.

С учетом того, что якорь нагревается не только от нагрева проводов, но и от перемагничивания стали, возможная схема замещения показана на рис. 7.3.

Рис.3. Схема замещения тепловых потоков обмотки якоря

Для более точных расчетов при определении сопротивления тепловому потоку якоря вводят толщину изоляции якоря. В данном случае пренебрегаем этим. Кроме теплового потока от обмотки в вентиляционные каналы, выходит и тепловой поток от нагрева стали. Термическое сопротивление тепловому потоку, рассеиваемому с поверхности сердечника якоря

,

где - коэффициент теплоотдачи; - поверхность якоря; - термическое сопротивление тепловому потоку в вентиляционных каналах

,

где - тепловой поток между точками а и б. Два параллельных сопротивления могут быть заменены одним

.

Установившееся превышение температуры меди обмотки якоря над температурой вентиляционного воздуха

.

Чтобы определить , рассмотрим контур а - в - г

;

.

Превышение температуры меди обмотки якоря над температурой наружного воздуха

,

где - перегрев вентиляционного воздуха относительно температуры окружающей среды.

Аналогично составляются тепловые схемы для других обмоток и деталей тягового двигателя. Мы рассмотрели процесс нагревания однородного тела. В заключение необходимо сделать несколько замечаний. В действительности разные части одного и того же тела нагреваются неодинаково. Это зависит и от условий отвода тепла и оттого, с какой стороны подается охлаждающий воздух.

Методы расчета распределения тепла вдоль тела есть, но они не очень точны и сложны, поэтому в настоящем курсе они рассматриваться не будут. Раз обмотки и в целом двигатель нагреваются, то естественно, для реализации больших мощностей необходимо отводить тепло, а это значит нужно создавать систему вентиляции.

3. Вентиляция тяговых двигателей

Все потери в двигателе в конечном счете превращаются в тепло, которое необходимо отводить от частей машины, чтобы не вызвать перегрева и тех явлений о которых упоминалось выше. В настоящее время для тяговых двигателей используют воздушное охлаждение.

Для тяговых электрических машин установленных на ЭПС используют различные способы вентиляции, которые можно классифицировать по нескольким признакам.

В зависимости от места установки вентиляторов и способов их вращения различают системы:

1) независимой вентиляции;

2) самовентиляции;

3) смешанной вентиляции.

При независимой вентиляции, вентилятор устанавливается вне вентилируемой машины и приводится во вращение специальным двигателем. Как правило, это машина переменного тока мощностью 30…100 кВт.

При самовентиляции вентилятор устанавливается на якоре вентилируемой машины и является элементом ее конструкции. Система смешанной вентиляции предполагает совместное использование обоих способов. Применяется она чрезвычайно редко.

Прежде чем рассматривать подробности каждого вида вентиляции хотелось бы несколько слов сказать о том, как выбирается каждый вид.

Принято считать, что независимую вентиляцию удобно использовать на электровозах, а самовентиляцию на электропоездах. Это обусловливается режимами их работы. Электровоз на крутых затяжных подъемах реализует большие токи с низкой частотой вращения якоря тягового двигателя. При этом частота вращения в 1,8…2 раза ниже номинальной. В связи с этим установленный на валу вентилятор был бы не эффективен. У моторвагонного подвижного состава режимы работы резко отличаются от электровозных и характеризуются, во-первых, большей скоростью, во-вторых, частыми интенсивными разгонами, а затем длительным движением на выбеге. В этом случае вентилятор, установленный на валу, продолжает вращаться, интенсивно охлаждая двигатель. Хотелось бы отметить, что машины мощностью до 250 кВт всегда выполняют с самовентиляцией.

3.1 Самовентилирующиеся машины

У самовентилирующихся машин различают два типа вентиляции:

1) вытяжную;

2) нагнетательную.

При вытяжной вентиляции вентилятор устанавливается со стороны, обратной коллектору, и воздух засасывается через сетку или фильтр в околоколлекторное пространство, а далее протекает между полосами, по каналам якоря и выходит с противоположной стороны.

При нагнетательной вентиляции воздух засасывается со стороны передачи и затем продувается сквозь двигатель. Достоинство - меньше шума. Несколько слов необходимо сказать о конструкции вентиляторов.

Якорные вентиляторы выполняют практически всегда с прямыми радиальными лопатками. Это объясняется тем, что тяговые двигатели эксплуатации реверсируют, а подача воздуха должна оставаться постоянной. У вспомогательных машин применяют наряду с прямыми лопатками и изогнутые. По конструкции венца различают вентиляторы:

1) c открытыми радиальными лопатками;

2) воздухо-направляющими кольцами;

3) двухкамерные литые вентиляторы с консольными лопатками;

4) двухкамерные сварные вентиляторы с центральным несущим диском;

5) литые вентиляторы с удлиненными лопатками.

На рис. 7.4. приведены вентиляторы двух видов (первого и последнего).

Рис.4. Конструкция якорных вентиляторов: а - с открытыми радиальными лопатками; б - с удлиненными лопатками

Все модификации вентиляторов направлены на улучшение аэродинамических свойств и на усиление конструкции. В этом плане хорошими показателями отличается последняя конструкция. Общее число лопаток вентиляторов от 11 до 25 шт.

3.2 Независимая вентиляция

электрический двигатель температура вентиляция

Наиболее подробно остановимся на этом типе вентиляции. Поскольку он применяется практически на всех современных тепловозах и электровозах. При независимой вентиляции воздух забирается из атмосферы и нагнетается по воздухопроводам в тяговую машину, поэтому при независимой вентиляции используют исключительно нагнетательную вентиляцию. По числу тяговых двигателей обслуживаемых одним вентилятором различают:

1) групповую систему независимой вентиляции;

2) индивидуальную систему независимой вентиляции.

Рис.5. Системы полузамкнутой независимой вентиляции

Для равномерного распределения объема охлаждающего воздуха используют специальные заслонки, выравнивания ими сопротивление воздуховодов. При индивидуальной системе вентиляции каждый двигатель обдувается своим вентилятором, а при групповой - на несколько двигателей один вентилятор.

Наиболее широкое распространение на ЭПС получила система разомкнутого цикла вентилирования. В этой системе воздух после тягового двигателя выбрасывается в атмосферу. Существует система полузамкнутого вентилирования, при которой часть воздуха используется неоднократно. Это помогает сохранить изоляцию защищая её от пыли, влаги и засоленности. Схема полузамкнутой вентиляции изображена на рис. 7.5.

В разомкнутом цикле нет перемешивания свежего воздуха с прошедшим через двигатель, но в остальном все так же.

Как видно из рисунка воздух поступает со стороны коллекторной камеры. Это сделано по следующим причинам:

1) удобнее подключать воздуховод;

2) обеспечивается прохождение относительно большого количества воздуха внутри якоря;

3) достигается более низкая температура петушков коллектора и его поверхности;

4) обеспечивается более интенсивное дутье в камере коллектора, благодаря чему исключается скопление ионизированного воздуха и облегчается коммутация тягового двигателя.

3.3 Расчет вентиляции тяговых электрических машин

Поскольку машины в основном (за исключением подшипников) охлаждаются пропускаемым через них воздухом, то эффективность вентиляции будет зависеть от объема охлаждающего воздуха. При этом все выделившееся тепло отдается этому воздуху. С учетом изложенного

,

где - потери мощности при продолжительном режиме без потерь в подшипниках, кВт; t - время, за которое рассматривается тепловой баланс, с; - плотность воздуха, кГ/мі; - температура подогрева воздуха в машине, С; Q - объемный расход воздуха, мі/с; с - удельная теплоемкость воздуха, с = 1 кВт•с/(кг•С).

Обычно считается (с учетом всех коэффициентов), что объемный расход воздуха при независимой вентиляции

.

Как показано на рис. 7.5, поток воздуха разветвляется на две составляющие (по каналам якоря и между полюсов). Отношение этих потоков оценивается коэффициентом

,

тогда можно записать

.

Считается, что скорость воздуха должна быть 10…12 м/с.

Тогда статический напор воздуха при входе его в машину будет определяться аэродинамическим сопротивлением каналов протекания воздуха в машине и общим объемом протекающего по машине воздуха

.

Аэродинамическое сопротивление машины определяется по аналогии с электрическим сопротивлением как сумма сопротивлений протеканию воздуха по отдельным участкам воздуховодов машины.

Сопротивления участков Zi зависят от потерь напора на этом участке, сечения участка и плотности воздуха. В целом, за исключением сечения участка, все показатели зависят от формы участка и гладкости его поверхностей.

В заключение хотелось бы остановиться на перспективах вентиляции и общепромышленных способах вентиляции электрических машин. В крупных электрических машинах применяют замкнутую водородную вентиляцию. Водород имеет в 7,1 раза большую теплопроводность и в 1,3 раза больший коэффициент теплоотдачи. Это позволяет уменьшить нагрев, а значит потери, в том числе вентиляционные приблизительно в 10 раз.

Дальнейшее совершенствование систем вентиляции связано с выполнением полых проводников и охлаждением их водородом или водой.

Промышленные машины уникальной мощности охлаждаются гелием совместно с водородом или азотом. Так называемое криогенное охлаждение. Конечно, в существующих двигателях вряд ли могут быть использованы эти методы. Но для перспективного подвижного состава с линейными двигателями обычные воздушные системы не пригодны, и на них будут использованы все указанные способы, вплоть до криогенного охлаждения.

Список литературы

1. Тяговые электрические машины, под ред. Давыдова Ю.А.

Размещено на Allbest.ru

...