CC BY
13
УДК 629.429.3:621.313
О. М. ПЕТРЕНКО1 (ХНУМГ), В. В. БОЖКО2 (ХНУМГ)
(УКРЗАЛ1ЗНИЦЯ), М. В. ХВОРОСТ3
1,3Кафедра «Електротранспорт», Харкiвський iм. О. М. Бекетова, вул. Маршала Бажанова, petersanva1972@amail.com. bad@kname.edu.ua. 0002-2606-8228
нацюнальнии ушверситет м1Ського господарства 17, м. Харюв, 61002, Укра'ша, ел. пошта: ORCID: orcid.ora/0000-0003-4027-4818. orcid.ora/0000-
2Харкiвське вiддiлення, Державне пiдприeмство «Проектно-вишукувальний iнститут залiзничного транспорту» ПАТ «Укра'шська залiзниця», вул. 1вана Федорова, 39, м. Ки'в, 03038, ел. пошта: hf dndc@ukr.net. ОЯСЮ: orcid.org/0000-0001-6068-2881
1ДЕНТИФ1КАЦ1Я ТЕПЛОВО1 ПРОВ1ДНОСТ1 М1Ж ЗОВН1ШН1М ПОВ1ТРЯМ I КОРПУСОМ ЕКВ1ВАЛЕНТНО1 ТЕПЛОВО1 СХЕМИ ЗАМ1ЩЕННЯ АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО ДВИГУНА ТРАМВАЙНОГО ВАГОНУ
Вступ та постановка проблеми
На сучасних трамвайних вагошв в тяговий привщ все частiше створюеться на основi асин-хронних тягових двигунiв (АТД) зi ступенем захисту 1Р44 та 1Р54. Процеси перетворення енергп у тягових двигунах трамвайних вагошв супроводжуються И втратами у елементах конструкций що обумовленi фiзичними процесами при перетворенш енерги [1, 2]. Температура елеменпв конструкци тягових двигушв збшь-шуеться з часом роботи i може перевищити до-пустимi конструктивнi обмеження [2, 3]. Особливо це стосуеться температури iзоляцil обмоток двигуна, яка обмежена класом застосовано! iзоляцil [3, 4]. Для зменшення температури в елементах конструкци двигунiв застосовуються системи охолодження, якi пiдвищують ефекти-внiсть теплообмiну елементiв конструкци двигуна при застосуванш вентиляци повiтрям [5, 6]. В таких двигунах застосовуються двоконту-рна система самовентиляци до яко! входить вентилятор, що безпосередньо встановлений на свобiдному кiнцi валу двигуна та забезпечуе потш повiтря який охолоджуе станину двигуна, а також внутршнш вентилятор, що забезпечуе внутршню циркулящю внутрiшнього повiтря.
Лiтературний огляд
Для моделювання теплового стану низьки асинхронних частотно-керованих двигунiв, до яких належать АТД, в роботах [7, 8] запропо-новано використання ушверсально1 теплово1 схеми замiщення. В робот [ 9] запропоновано спростити цю схему для тягових двигунiв зi ступенем захисту 1Р 54. Однак для коректно1 постановки задачi моделювання теплового стану необхiдно щентифшащя параметрiв ще1
схеми, одним з яких е провщшсть мiж зовшш-нiм повiтрям i корпусом.
Мета статт
Розробка методики визначення тепловоз' провiдностi мiж зовнiшнiм повiтрям i корпусом е^валентно1 теплово1 схеми замщення асинхронного тягового двигуна трамвайного вагону.
Основний матерiал дослiдження
Е^валентну теплову схему замiщення, що запропоновано в робот [9], наведено на рис. 1.
А,7
Навко-лишне середо-вище
С4|
С2,
А,5 4ZZb
(6) Станша
, Ml
'(1) Статор
_1(3)Т
1(4)
1-@-
А,2
Пазова
М,5
Лобова
Л2,5
частина ОС
(5) Внутршгае
повгеря частина ОС
(2) Ротор
Рис. 1. Екшвалентно1 теплово1 схеми замщення для АТД з ступенем захисту IP54
Тепловий onip м1ж зовшшшм пов1трям i корпусом
1
R (6,7) = ■
1
1
1
1
1
Re
Rec RB
R R
ещ,пр ещ,е
(1)
де Лвс,пр - тепловий ошр мiж зовнiшньою поверхнею звисаючо! частини станини з боку приводу i зовнiшнiм повiтрям, ^вс - тепловий ошр мiж зовнiшньою поверхнею станини над пакетом i зовшшшм повiтрям, Лвс,в - тепловий ошр мiж зовнiшньою поверхнею звисаючо! частини станини з боку вентилятора i зовшшшм пов^рям, ^вщ,пр - тепловий ошр мiж зовшш-ньою поверхнею пiдшипникового щита з боку приводу i зовнiшнiм повiтрям, Двщ,в - тепловий опiр мiж зовнiшньою поверхнею шдшипнико-вого щита з боку вентилятора i зовнiшнiм пов> трям.
Тепловий опiр мiж зовшшньою поверхнею станини над пакетом i зовнiшнiм повiтрям:
1
Rec -
■ ¡п ■ Dc - zp '5 p + 2 • hp
• Z
Л p )
(2)
де ас,п - коефiцieнт тепловiддaчi зовшшньо! поверхнi станини над пакетом, Вс - дiaметр станини бiля основи ребер, 2р - кшьюсть ребер станини, - товщина ребра станини, Нр - висо-та ребра станини, пр - коефщент якостi ребра станини.
Тепловий опiр мiж зовнiшньою поверхнею звисаючо! частини станини з боку приводу i зовшшшм пов^рям:
R.
"С'"Р ас,пр ■ ¡св.пр ■ (% ■ Dc - zp ■S p + 2 ■ hp ■ zp ■Л p )
(3)
де ас,пр - коефiцieнт тепловiддaчi зовшшньо! поверхш станини з боку приводу.
Тепловий ошр мiж зовнiшньою поверхнею звисаючо! частини станини з боку вентилятора i зовнiшнiм повiтрям:
R„„„ -
1
а с,в ■ ¡св, в ■ Dc - zp ■S p + 2 ■ hp ■ zp ■Л p )
p "p l\p>
де ас,в - коефiцieнт тепловiддaчi зовнiшньоï по-верхш станини з боку вентилятора.
Коефщент тепловiддачi зовнiшньоï поверх-
нi станини над пакетом:
d г
У ¡п
1 - е dr
(5)
де авх - коефiцieнт тепловiддaчi на входi в мiж-реберш канали станини dr - гiдравлiчний дiа-метр мiжреберного каналу, у - коефщент зме-ншення тепловiддачi по довжиш станини.
Коефiцieнт тепловiддачi зовнiшньоï поверх-нi станини з боку приводу:
d г
У ¡о
-У ■ ¡св,в ^
1 - е dr
(7)
Гiдравлiчний дiаметр мiжреберного каналу
d - 4hp <tp-Sp)
Г 2 hp + tp-S p
(8)
де tp - крок ребер станини
Коефщент зменшення тепловiддачi по довжиш станини:
у- 0,055
1 - th
(
0,062
Da
V dг
Y
-12,5
У
(9)
Коефщент тепловiддачi на входi в мiжребе-рнi канали станини:
Nuex ■ Хв dr
(10)
де Мдвх - число Нуссельта для мiжреберних ка-налiв.
Число Нуссельта для мiжреберних каналiв: Nuex - 0,627 ■Re0^52, (11)
де Явэф - число Рейнольдса для мiжреберних каналiв.
Число Рейнольдса для мiжреберних каналiв:
^эф -
&эф ■ dr
V
(12)
(4)
де Шэф - ефективна швидюсть на входi в мiжре-берш канали.
Ефективна швидкiсть на входi в мiжребернi канали:
ш
эф
л/ш2х + (0,5 ■ ивент
(13)
де «вх~0,45^ивент - витратна швидкiсть на вхо-дi в канали, ивент - окружна швидюсть вентилятора.
Коефiцieнт якост ребра станини:
Л;
th(mh) mh
2- ас п mh - hp ■ '
p л'8р ■Х
(14)
(15)
а
с/ = ^вх
1
ас.п авх
де ^ст - кoефiцieнт теплопровщносп матеpiалу станини.
Тепловий oпip мiж зoвнiшньoю поверхнею пiдшипникoвoгo щита з боку приводу i зовшшшм пoвiтpям:
R.
1
ещ, пр
а • F
щ, пр щ
(16)
де ащ,пр - коефiцieнт тепловiддaчi зовнiшньоï поверхш пiдшипникового щита з боку приводу.
Коефщент тепловiддачi зовнiшньоï поверх-ш пiдшипникового щита з боку приводу:
а
щ,пр
20 +1,6 • u
0,7
(17)
Тепловий отр мiж зовнiшньою поверхнею тдшипникового щита з боку вентилятора i зовшшшм пов^рям:
1
R,
ещ,е
а • F
щ,е щ
(18)
де ащ,в - коефщент тепловiддачi зовнiшньоï поверхнi тдшипникового щита з боку вентилятора.
Коефщент тепловiддачi зовнiшньоï поверх-нi тдшипникового щита з боку вентилятора:
ащ,е = 20 + 9,4 • u°0fHm
(19)
Остаточно теплова провщнють мiж зовшш-нiм повiтрям i корпусом для асинхронних тягових двигушв зi ступенем захисту IP54 визнача-еться виразом:
¿(6,7) =
1
R(7,6).
(20)
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Любарський, Б. Г. Рацюнальш швидшсш ре-жими руху прим1ського електропо1зду з асинхрон-ними тяговими двигунами / Б.Г. Любарський // В1с-ник Нацюнального техшчного ушверситету "Хар-к1вський полггехшчний шститут". — 2015. — № 8(1127). — С. 86—92.
2. Mizuno, S. Development of a Totally Enclosed Fan-Cooled Traction Motor / Sueyoshi Mizuno, Shinichi Noda, Makoto Matsushita, Taihei Koyama, Shigetomo Shiraishi //IEEE Transactions on Industry Applications. — 2013. — Vol. 49, No.4, july/august. — P 1508—1513.
3. Nakahama, T. Coolingairflow in unidirectional ventilated open-type motors for electric vehicles / T. Nakahama, K. Suzuki, S. Hashidume, F. Ishibashi // IEEE Trans. Energy Convers. — 2006. — Vol. 21, No. 3, Sep. — P. 645—651.
За запропонованою методикою були визна-чш TenroBi провадност мiж зовнiшнiм повiтрям i корпусом для асинхронного тягового двигуна трамвайного вагону АД 931 3i рiзними частотами обертання двигуна, як склали: 6,13 Вт/К при 10 об/хв; 44 Вт/К при 1000 об/хв; 62,4 Вт/К при 2000 об/хв; 89 Вт/К при 3000 об/хв; 6,13 Вт/К при 4000 об/хв; 93,5 Вт/К при 4400 об/хв, яка е максимальною частотою обертання двигуна.
Висновки
1. Розроблено методику визначення теп-лово! провадност мiж зовшшшм повпрям i корпусом е^валентно! теплово! схеми замщення асинхронного тягового двигуна зi ступенем захисту 1Р 54, що застосовуеться на трамвайному вагош. Особливосп методики е визначення провщност з урахуванням тепловий отрив мiж наступними поверхнями: зовшшня поверх-ня звисаючо! частини станини з боку приводу i зовнiшнiм повiтрям; зовнiшня поверхня станини над пакетом i зовнiшнiм повiтрям, зовнiшня поверхня звисаючо! частини станини з боку вентилятора i зовнiшнiм повiтрям, зовнiшня поверхня тдшипникового щита з боку приводу i зовшшшм повггрям, а також мiж зовнiшньою поверхнею тдшипникового щита з боку вентилятора i зовшшшм повпрям.
2. За запропонованою методикою були ви-значнi тeпловi провщносп мгж зовшшшм повь трям i корпусом для асинхронного тягового двигуна трамвайного вагону АД 931 з ргзними частотами обертання двигуна. Було показано що тeпловi провщносп мгж зовшшшм повпрям i корпусом збiльшуегься з 6,13 Вт/К при 10 об/хв до 93,5 Вт/К при 4400 об/хв, що значно впливае на тeпловi режими роботи двигуна.
REFERENCES
1. Liubarskyi, B. H. Ratsionalni shvydkisni rezhymy rukhu prymiskoho elektropoizdu z asynkhronnymy tiahovymy dvyhunamy / B.H. Liubarskyi // Visnyk Natsionalnoho tekhnichnoho universytetu "Kharkivskyi politekhnichnyi instytut". — 2015. — № 8(1127). — S. 86—92.
2. Mizuno, S. Development of a Totally Enclosed Fan-Cooled Traction Motor / Sueyoshi Mizuno, Shinichi Noda, Makoto Matsushita, Taihei Koyama, Shigetomo Shiraishi //IEEE Transactions on Industry Applications. — 2013. — Vol. 49, No.4, july/august. — P 1508—1513.
3. Nakahama, T. Coolingairflow in unidirectional ventilated open-type motors for electric vehicles / T. Nakahama, K. Suzuki, S. Hashidume, F. Ishibashi // IEEE Trans. Energy Convers. — 2006. — Vol. 21, No. 3, Sep. — P. 645—651.
електро
:омий склад / electric rolling stock
4. Cuiping, L. I. Analysis of 3D static temperature field of water cooling induction motor in mini electric vehicle / L. I. Cuiping, P. E. I. Yulong, N. I. Ronggang, C. Shukang // Proc. ICEMS. — 2011. — P. 1—5.
5. Nakahama, T. Improved cooling performance of large motors using fans / T. Nakahama, D. Biswas, K. Kawano, F. Ishibashi // IEEE Trans. Energy Convers. — 2006. — Vol. 21, No. 2, Jun. — P. 324—331.
6. Boglietti, A. Evolution and Modern Approach for Thermal Analysis of Electrical Machines / A. Boglietti, A. Cavagnino, D. Staton, M. Shanel, M. Mueller, C.Mejuto // IEEE transactions on industrial electronics. — 2009. — Vol. 56, No. 3, March. P. 871—882.
7. Петрушин B.C. Универсальная тепловая схема замещения асинхронных двигателей / В.С. Петрушин, А.М. Якимец // Електромашинобудування та електрообладнання. - 2002. - № 59. - С. 75-79.
8. Петрушин, В. С. Особенности тепловых расчетов неустановившихся режимов работы регулируемых асинхронных двигателей / В. С. Петру-шин, А. М. Якимец, О. В. Каленик // Электромашиностроение и электрооборудование. — 2008. — № 71. — С. 47—51.
9. Петренко, О. М. Математична модель теплового стану тягових асинхронних двигушв трамвай-них вагошв / О. М. Петренко, Б. Г. Любарський, М.Л. Глебова // Системи управлшня, наыгацп та зв'язку. — 2017. — № 2(42). —С. 43—47.
Надшшла до друку 19.04.2017.
4. Cuiping, L. I. Analysis of 3D static temperature field of water cooling induction motor in mini electric vehicle / L. I. Cuiping, P. E. I. Yulong, N. I. Ronggang, C. Shukang // Proc. ICEMS. — 2011. — P. 1—5.
5. Nakahama, T. Improved cooling performance of large motors using fans / T. Nakahama, D. Biswas, K. Kawano, F. Ishibashi // IEEE Trans. Energy Convers.
— 2006. — Vol. 21, No. 2, Jun. — P. 324—331.
6. Boglietti, A. Evolution and Modern Approach for Thermal Analysis of Electrical Machines / A. Boglietti, A. Cavagnino, D. Staton, M. Shanel, M. Mueller, C.Mejuto // IEEE transactions on industrial electronics. — 2009. — Vol. 56, No. 3, March. P. 871—882.
7. Petrushin B.C. Universalnaya teplovaya shema zamescheniya asinhronnyih dvigateley / V.S. Petrushin, A.M. Yakimets // Elektromashinobuduvannya ta elektroobladnannya. - 2002. - № 59. - S. 75-79.
8. Petrushin, V. S. Osobennosti teplovyih raschetov neustanovivshihsya rezhimov rabotyi reguliruemyih asinhronnyih dvigateley /V. S. Petrushin, A. M. Yakimets, O. V. Kalenik // Elektromashinostroenie i elektrooborudovanie. — 2008. — № 71. — S. 47—51.
9. Petrenko, O. M. Matematychna model teplovoho stanu tiahovykh asynkhronnykh dvyhuniv tramvainykh vahoniv / O. M. Petrenko, B. H. Liubarskyi, M.L. Hliebova // Systemy upravlinnia, navihatsii ta zviazku.
— 2017. — № 2(42). —S. 43—47.
Внутршнш рецензент Сиченко В. Г. Зовшшнш рецензент Сокол С. I.
Стаття присвячена методик визначення тепловоТ провщност мiж зовшшшм пов^рям i корпусом е^ва-лентноТ тепловоТ схеми замщення асинхронного тягового двигуна зi ступенем захисту 1Р 54, що застосову-еться на трамвайному вагош. Особливост методики е визначення провщносл з урахуванням тепловий опЬ рив мiж наступними поверхнями: зовшшня поверхня звисаючоТ частини станини з боку приводу i зовшшшм пов^рям; зовшшня поверхня станини над пакетом i зовшшшм пов^рям, зовшшня поверхня звисаючоТ частини станини з боку вентилятора i зовшшшм пов^рям, зовшшня поверхня пщшипникового щита з боку приводу i зовшшшм пов^рям, а також мiж зовшшньою поверхнею пщшипникового щита з боку вентилятора i зовшшшм пов^рям.
За запропонованою методикою були визначш тепловi провщносп мiж зовшшшм пов^рям i корпусом для асинхронного тягового двигуна трамвайного вагону АД 931 з рiзними частотами обертання двигуна. Було показано що тепловi провщносп мiж зовшшшм пов^рям i корпусом збшьшуеться з 6,13 Вт/К при 10 об/хв до 93,5 Вт/К при 4400 об/хв, що значно впливае на тепловi режими роботи двигуна.
Ключовi слова: асинхронний тяговий двигун; е^валентна теплова схема замщення; тепловий отр; те-плова провiднiсть; коефМент тепловiддачi; критерiй Рейнольдса.
УДК 629.429.3:621.313
А. Н. ПЕТРЕНКО1 (ХНУГХ), В. В. БОЖКО2 (УКРЗАЛИЗНИЦЯ), Н. В. ХВОРОСТ3 (ХНУГХ)
1,3Кафедра «Электротранспорт», Харьковский национальный университет городского хозяйства им. А. Н. Бекетова, ул. Маршала Бажанова, 17, г. Харьков, 61002, Украина, эл. почта: petersanya1972@gmail.com, bgd@kname.edu.ua, ORCID: orcid.org/0000-0003-4027-4818, orcid.org/0000-0002-2606-8228
2Харкивське отделения, Государственное предприятие «Проектно-изыскательский институт железнодо-
рожного транспорта» ПАО «Украинская железная дорога», ул. Ивана Федорова, 39, г. Киев, 03038, эл. почта: hf_dndc@ukr.net, ORCID: orcid.org/0000-0001-6068-2881
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ТЕПЛОВОЙ ПРОВОДИМОСТИ МЕЖДУ НАРУЖНЫМ ВОЗДУХОМ И КОРПУСОМ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ТРАМВАЙНОГО ВАГОНА
Статья посвящена методике определения тепловой проводимости между наружным воздухом и корпусом эквивалентной тепловой схемы замещения асинхронного тягового двигателя со степенью защиты 1Р 54, которые применяется на трамвайных вагонах. Особенности методики является определение проводимости с учетом тепловой сопротивлений между следующими поверхностями: внешняя поверхность свисающей части станины со стороны привода и наружным воздухом; внешняя поверхность станины над пакетом и наружным воздухом, внешняя поверхность свисающей части станины со стороны вентилятора и наружным воздухом, внешняя поверхность подшипникового щита со стороны привода и наружным воздухом, а также между внешней поверхностью подшипникового щита со стороны вентилятора и наружным воздухом.
По предложенной методике были определены тепловые проводимости между наружным воздухом и корпусом для асинхронного тягового двигателя трамвайного вагона АД 931 параметры с различными частотами вращения двигателя. Было показано, что тепловые проводимости между наружным воздухом и корпусом увеличивается с 6,13 Вт/К при 10 об/мин до 93,5 Вт/К при 4400 об/мин, что значительно влияет на тепловые режимы работы двигателя.
Ключевые слова: асинхронный тяговый двигатель; эквивалентная тепловая схема замещения; тепловое сопротивление; тепловая проводимость; коэффициент теплоотдачи; критерий Рейнольдса.
UDC 629.429.3:621.313
O. M. PETRENKO1 (NUUE), V. V. BOZHKO2 (UKRZALIZNYTSIA), M. V. KHVOROST3 (NUUE)
1,3 Department of "Electrotransport", Kharkiv National University of Municipal Economy. A. N. Beketova, Marshal Bazhanov str., 17, Kharkov, 61002, Ukraine, e-mail: petersanya1972@gmail.com, bgd@kname.edu.ua, ORCID: orcid.org/0000-0003-4027-4818, orcid.org/0000-0002-2606-8228
2 Kharkivske Branch, State Enterprise "Design and Exploration Institute of Railway Transport" PJSC "Ukrainian Railways", Ivan Fedorov str., 39, Kyiv, 03038, e- mail: hf_dndc@ukr.net, ORCID: orcid.org/0000-0001-6068-2881
IDENTIFICATION OF THERMAL CONDUCTIVITY BETWEEN EXTERNAL AIR AND THE CASE OF THE EQUIVALENT HEAT SCHEME OF SUBSTITUTION OF THE ASYNCHRONOUS TRACTION ENGINE OF A TRAW WAGON
The article is devoted to the method of determining the thermal conductivity between the external air and the equivalent thermal circuit for the replacement of an asynchronous traction motor with IP 54 protection level, which is used on tram cars. The specific features of the technique is the determination of conductivity, taking into account the thermal resistances between the following surfaces: the outer surface of the drooping part of the frame on the drive side and the outside air; The outer surface of the bed above the bag and the outside air, the outer surface of the hanging part of the frame on the fan side and the outside air, the outer surface of the bearing shield on the drive side and the outside air, and between the outer surface of the bearing shield on the fan side and the outside air.
According to the proposed method, the thermal conductivities between the external air and the hull for the asynchronous traction engine of the tram car AD 931 were determined with parameters with different engine speeds. It was shown that the thermal conductivity between the external air and the body increases from 6.13 W / K at 10 rpm to 93.5 W / K at 4400 rpm, which significantly affects the thermal conditions of the engine
Keywords: induction traction motor; equivalent thermal equivalent circuit; thermal resistance; thermal conductivity; heat transfer coefficient; Reynolds number.
Внутренний рецензент Сыченко В. Г.
Внешний рецензент Сокол Е. И.
Internal reviewer Sychenko V. G.
External reviewer Sokol Ye. I.
