CC BY
79
УДК 621.313.13.048 : 629.423 : 621.3.024
Р. В. КРАСНОВ (ДПТ)
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ПЕРЕГР1ВУ ЕЛЕКТРОДВИГУНА (ДК-409) КОМПРЕСОРА (ЭК-7Б) ЕЛЕКТРОПО1ЗДА ПОСТ1ЙНОГО СТРУМУ (ЭР-1, ЭР-2) ЗА ДОПОМОГОЮ ТЕПЛОВО1 СХЕМИ ЗАМ1ЩЕННЯ
В CTarri показано методику дослвдження теплових процесiв, що протiкають у електродвигуш компресора електропойда з метою визначення величин перегрiву, як1 в подальшому будуть використанi для ощнки сту-пеню !х впливу на стан
Ключовi слова: перегрiв електродвигуна компресора, електропо!зд постiйного струму, теплова схема за-мiщення
В статье показано методику исследования тепловых процессов, протекающих в электродвигателе компрессора электропоезда с щелью определения значений перегрева, которые в дальнейшем будут использованы для оценки степени их воздействия на состояние изоляции.
Ключевые слова: перегрев электродвигателя компрессора, электропоезд постоянного тока, тепловая схема замещения
The article shows the method of investigation of thermal processes occurring in the electric compressor motor of rolling stock to determine the values of overheating, which will later be used to assess their impact on the state of isolation.
Keywords: overheating of electric compressor motor, DC electric train, thermal circuit of substitution
Статистика виходу з ладу в депо Дншропет-ровськ двигутв ДК 409 (електропо1зд1в ЭР1, ЭР2) показуе [1], що кшькють виходу з ладу вказаних титв двигунв по роках складае: 2000 р - 56; 2001 р. - 34; 2002 р. - 42; 2003 р. -56; 2004 р. - 31; 2005 р. - 32; 2006 р. - 25; 2008 р. - 26; 2009 р. - 15; 2010 р. - 12. Причому «електричн» пошкоджуваносп (прогар обмотки якоря та обмотки головного полюса) скла-дають основну масу пошкоджень. Зпдно [5] гранично - допустимий перегр1в ¡золяци класу В електродвигуна компресора для якоря складае 120 °С, а для полюсв - 130 °С. Тому тепло-ву схему замщення розглянемо вщносно якоря двигуна [2, 6].
При створены теплово! схеми прийнят на-ступн допущення:
- температура усього об'ему мщ якоря од-накова;
- температура осердя якоря, включаючи й зубщ, також однакова у всьому об'емц
- вщводом тепла через клини, яю призначен для закршлення обмотки в пазах, через !х малу теплопровщнють, нехтуемо;
- теплопровщнють сталевих обмоткотрима-ч1в приймаемо р1вною безкшечност, що озна-чае - вщвщ тепла вщ лобових з'еднань обмотки через обмоткотримач1 вщбуваеться без перепаду тепла в них;
- температура повггря, яке охолоджуе як зовн1шн1, так i внутршн поверхн якоря одна-кова.
© Краснов Р. В., 2011
Загальна схема проткання теплових потокв показана на рис.1.
Рис. 1. Екывалентна теплова схема якоря електродвигуна ДК-409
У кол1 е два джерела теплових потокв: обмотка якоря з втратами в нш рм та сталеве осе-рдя якоря ¡з втратами рст . Як правило, мщь обмотки нагр1ваетъся до бшьш високо! темпе-ратури, шж сталь осердя.
Тепловий потк 2об = рм дшиться на два:
2об = 2лб + 2мс • (1)
Перший з них 2лб передаеться пов1трю, яке охолоджуе, через тепловщдаюч1 поверхш лобових з'еднань обмотки; другий 2мс переходить ¡з мщ обмотки через пазову ¡золящю з опором
у сталь осердя якоря.
Потш вщ лобових з'еднань 2лб у свою черту дшиться на два:
2лб = 2лбзов + 2лбвн ' (2)
Де 2лбзов - потiк, який проходить с^зь iзоля-цiйне покриття зовшшньо! поверхш лобових з'еднань (тепловий опiр й;злбзов) i який переда-
еться з ще! поверхнi охолоджуючому поварю -тепловий опiр ще! охолоджуючо! поверхнi
Калбзов ^ 2лбвн - пот1к який проходить скPiзь
iзоляцiйний шар iз внутрiшнього боку лобових з'еднань (тепловий отр його К;злбвн) i переда-еться з нього поварю, яке охолоджуе - тепловий отр ще! охолоджуючо! поверхш калбвн . Тепловий потш 2мс, який проходить вщ мiдi
обмотки в сталеве осердя, складаеться з влас-ним тепловим потоком якоря 2ст = рст . Сумар-
ний тепловий потiк 2ст + 2мс вiддаеться охолоджуючому поварю двома шляхами: з поверхнi зубщв якоря, якi мають тепловий отр каг у
розмiрi 2г та з поверхш внутршшх вентиля-щйних каналiв, якi мають тепловий отр кавк у розмiрi 2вк. Таким чином,
2ст + 2мс = 2г + 2вк.
(3)
К. =
а а„ '
(4)
Коефiцiент аv, який визначае значення ста-лого перевищення температури:
т = 2а 5), (6)
що являе собою не фiзичний коефщент тепло-розсiювання поверхнi, а розрахункову величину, значення яко! залежить вiд вибору значення 5 при заданих втратах 2 , тобто при розрахун-ках ау потрiбно вказувати, як повинна бути
розрахована поверхня охолодження.
По аналоги з формулою закону Ома для електричних кш вираз (6) запишеться наступ-ним чином:
т = 2 • К,
(7)
де яа - тепловий отр охолоджуючо! поверхш.
Тепловий отр iзоляцi! «¡з визначаеться формулою [3]:
К = 1з Х5 '
(8)
Перший з них 2лб передаеться поварю, яке охолоджуе, через тепловiддаючi поверхш лобових з'еднань обмотки; другий 2мс переходить iз мiдi обмотки через пазову iзоляцiю з опором йЬпаз у сталь осердя якоря.
Тепловий отр ка охолоджуючо! поверхш дорiвнюе [2]:
1
де - товщина iзоляцi!; X - питома тепло-
провiднiсть iзоляцiйного матерiалу.
Питома теплопровiднiсть теплового кола аналопчна питомiй електропровiдностi елект-ричного кола.
Знаючи розмiри i характер тепловiддаючих поверхонь, а також матерiал i товщини iзоля-цiйних покриттiв, характер та ефектившсть си-стеми вентиляцi!, враховуючи схему теплових потокiв в якорi двигуна (рис. 2), використовую-чи формули (8) та (4) визначаються значення теплових опорiв як тепловщдаючих поверхонь , кс,у, кавк), так i теплових опо-
к
албзов' албвн' аг ' авк
(К
рш шaрiв июляцд ( К1зПаз , к1злбзов , К,злбвн
).
де ау - коефщент теплорозсiювaння у повiтрi,
яке рухаеться, Вт/°С-см2; 5 - поверхня нагр™-го тiлa, з яко! выводиться тепло шляхом конве-кцi!, см2.
Коефщент ау можна визначити по емтри-чнiй зaлежностi [2]:
а у = а (1+0,IV), (5)
де а - коефщент теплорозсдавання у пов^р^ яке не рухаеться, Вт/Ссм ; V - швидюсть охо-лоджуючого повiтря в м/с.
Рис. 2. Схема теплових потоков в якор1 електродвигуна ДК-409
Пiсля цього знаходять зaгaльнi опори тепловому потоку зовшшньо! (клбзов) та внутрiшньо!
(клбвн) поверхонь лобових з'еднань:
{клбзов = к1злбзов + ^хлбзов клбвн = к1злбвн + ^хлбвн
Тодi схему на рис. 1 можна представити у наступному виглядi - рис. 3.
Аналопчно, загальний ошр тепловому потоку 2ст + 2мс, який вiддаeться сталевому осердю якоря:
— _ ^аъ ,—авк ст ^аъ + ^авк
(11)
р 1- р
ол АI] пи —» 1 1
0г4 1 1 1 ОПЬВн 0; | |0ст +<а..,с
^ЛБЭМ | 14«
Рис. 3. Екшвалентна теплова схема якоря двигуна ДК-409 (перший етап перетворення)
Тодi теплова схема рис. 3 приймае вигляд -рис. 4.
обм
2лб '
лб •
Перевищення температури стат осердя над температурою охолоджуючого повпря дорiв-нюе:
тст _ (бст+2мс ) ' -ст .
(13)
Крiм того, спад теплового потенщалу на д> лянцi АВ дорiвнюе спаду потенцiалу на дiлянцi СД, тобто:
2лб ' -лб _ 2мс ' й!зпаз + (2ст+2м ) ' -ст • (14)
Маемо систему iз чотирьох рiвнянь:
2обм _2лб +2мс
тобм_2лб —лб
'-ст- (2ст+2 мс Кг
2лб —лб _2мс '—1зпаз +(2ст +2 мс Кт
У системi (15) маемо чотири невiдомих:
2лб, 2мс, тобм , тст . Розв'язок ЩИ системи до-зволяе знайти значення перевищення темпера-тури тобм та тст. Обмежуючим е значення перевищення температури обмотки ^обм (це зна-
чення для iзоляцil класу В дорiвнюе 120 °С).
Для розв'язку системи рiвнянь (15) необхщ-но мати величини теплових опорiв длб, йст,
-1зпаз , а також тепловi потоки 2обм _ Рм i
2 _ р . ст ст
Знаючи розмiри та характер тепловщдаючих поверхонь, матерiал i товщину iзоляцiйних по-кригтiв, а також характер та ефектившсть системи вентиляци, використовуючи вирази (4), (8) можливо визначити величини теплових
оп°р^ -лб , -ст, —зпаз .
Втрати в мiдi обмотки якоря можуть бути отриманi з наступно! залежностi [4, 6]:
Рм _
2' а
N' /
4600'Я
(16)
Рис. 4. Екшвалентна теплова схема якоря двигуна ДК-409 (другий етап перетворення)
Вщносно схеми приведено! на рис. 4 можна написати наступне. Тепловий потш 2лб, прохо-
дячи через тепловий ошр длб , зумовлюе перепад температури мiдi обмотки над температурою охолоджуючого повпря, який дорiвнюе:
(12)
де I - струм навантаження, А; а - число пар паралельних в^ок обмотки; N - число провщ-ниюв обмотки якоря; /пр - довжина половини
витка обмотки, см; Япр - площа поперечного
перерiзу провщника, мм2.
Сумарнi втрати в сталi якоря машини при будь-якiй частой та iндукцil можна виразити у вигщщ [4, 6]:
рст _ Р[1/50] '
в
I ' в ' в„
50
(17)
де Р[1/50] - питомi втрати при В _ 1 Тл i / _
= 50 Гц, Вт/кг; / - частота перемагшчування сталi, Гц; в - показник степеш, рiвний в серед-ньому для слабо легованих сталей в_ 1,5; В -розрахункова iндукцiя в якорi машини, Тл; Ост - маса якоря машини, кг.
Вщомо, що методом теплових схем можна шдрахувати перегрiви тшьки в стацiонарних режимах роботи електрично! машини, тобто отриманий перегрiв обмотки якоря тобм в результат розв'язання системи рiвнянь (15) е кш-
цевим при тривалш робот машини iз струмом навантаження I.
Найбшьший iнтерес представляють перехь днi режими роботи двигуна i вiдповiдно характер теплових процешв в цих режимах.
Визначаемо величину перегрiву необхщно! частини електрично! машини за вщомий про-мiжок часу, наприклад в режимi пуску [2, 4]:
(
1 - е
\
(18)
де ткн - кiнцевий перегрiв дано1 частини машини, С; Тя - постiйна часу на^вання якоря двигуна, хв.; t - час перехiдного процесу, хв.; т0 - початковий перегрiв дано! частини машини, С.
Оскiльки розрахунок величини перегрiву якiрно1 обмотки електрично! машини досить трудомюткий процес, то доцiльно його автома-тизувати з допомогою спецiальних математич-них програм на ЕОМ.
Вихвдними даними для розрахунку величин перерву е значення е^валентних струмiв, що отримаш за допомогою ранiше створено! мате-матично! моделi [7] i наведеш на рис. 5.
Рис. 5. Залежшсть величини екв1валентного струму в1д температури навколишнього середовища при р1зних значениях напруги в контактнш мереж1
Таким чином, кiнцевим результатом даного дослщження е отримання значень перерву iзоляцi1 якоря класу В електродвигуна компре-сора при рiзних умовах його пуску - при рiзнiй тривалосп пуску, при температурi навколишнього середовища вщ -50 °С до -10 °С та значеннях напруги в контактнш мережi -2,4.. .3,0 кВ.
Рис. 6. Залежшсть величини перегр1ву 1золяци електродвигуна ДК-406 ввд температури навколишнього середовища при р1знш тривалосп пуску при напруз1 в контактнш мереж1 4,0 кВ
Рис. 7. Залежшсть величини перегр1ву 1золяци електродвигуна ДК-406 ввд температури навколишнього середовища при р1знш тривалосп пуску при напруз1 в контактнш мереж1 3,0 кВ
Рис. 8. Залежшсть величини перегр1ву 1золяци електродвигуна ДК-406 ввд температури навколишнього середовища при р1знш тривалосп пуску при напруз1 в контактнш мереж1 2,4 кВ
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Вплив умов експлуатацп на надiйнiсть двигунiв компресорiв електропо1здв постiйного струму [Текст] / Л. В. Дубинець [та iн.] //Шсник Днш-ропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - 2007. - Вип. 18. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2007. - С. 29-31.
2. Подвижной состав электрических железных дорог: тяговые электромашины и трансформаторы [Текст] / под общ. ред. Д. Д. Захарченко. -М.: Транспорт, 1968. - 295 с.
3. Копылов, И. П. Проектирование электрических машин [Текст] : учеб. пособие для вузов / И. П. Копылов, Ф. А. Горяинов. - М.: Энергия, 1980. - 496 с.
4. Костенко, М. П. Электрические машины: машины постоянного тока, трансформаторы [Текст] / М. П. Костенко, Л. М. Пиотровский. - М.-Л.: Энергия, 1964. - 544 с.
5. Правила ремонту електричних машин електро-возiв i електропо1здв. ЦТ - 0063 [Текст]: Затв. i введ. в дш: Наказ Мштрансзв'язку Украни ввд 27.02.2003 р. № 53Ц / Мш-во трансп. та зв'язку Украши. - К., 2003. - 281 с.
6. Находкин, М. Д. Электрические машины постоянного тока. [Текст] : учеб. пособие для вузов / М. Д. Находкин. - М.: Высш. шк., 1960. - 325 с.
7. Дослвдження перехщних процеав при пусковi двигуна компресора електропойда ЕР2 (ЕР1) постшного струму [Текст] / Л. В. Дубинець [та ш.] // Вюник Нац. техн. ун-ту «Харшвський полггехн. шт». Зб. наук. пр. Тематичний вип.: проблеми удосконалення електричних машин i апарапв. Теорiя i практика. - Х.: НТУ «ХП1», 2008. - № 7. - С. 56-61.
Надшшла до редколегп 22.11.2010.
Прийнята до друку 25.11.2010.
