CC BY
134
УДК 625.282:621.313.001.5
М. А. Шрайбер
Петербургский государственный университет путей сообщения
Императора Александра I
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Своевременное выявление неисправностей тяговых машин постоянного тока способно предотвратить не только поломку дорогостоящего оборудования, но и обеспечить бесперебойную работу подвижного состава. В данной статье предлагается современный метод, позволяющий определить перегрев обмотки электрической машины. Также рассматривается возможность компьютерного моделирования тепловых процессов в тяговом электродвигателе с помощью программного пакета SolidWorks.
тяговый электродвигатель тепловоза, анализ теплового состояния обмотки якоря.
Введение
В локомотивостроении широкое применение в качестве тяговых электродвигателей получили машины постоянного тока благодаря своей устойчивости к перегрузкам, регулировочной характеристике, надежности в эксплуатации. В связи с постоянным увеличением скорости движения (для пассажирского подвижного состава) и массы поездов (из-за ввода в эксплуатацию большегрузных, длинносоставных поездов) невозможно представить усовершенствование тягового подвижного состава без повышения надежности и долговечности электродвигателей постоянного тока.
Электрическое оборудование локомотивов в процессе эксплуатации вынуждено работать в экстремальных условиях: при перепадах температуры окружающей среды, чрезмерной влажности или сухости воздуха, электродинамических воздействиях и прочих неблагоприятных факторах, которые снижают эффективность работы электрических машин, применяемых на тяговом подвижном составе. Перегрев тягового электродвигателя может возникнуть по нескольким причинам: из-за недостатка охлаждающего воздуха, засоренности вентиляционных каналов, некачественной пропитки изоляции и т. п., но независимо от причины возникновения перегрев нарушает контакт между выводами проводников обмотки якоря и петушками коллектора, что вызывает значительное увеличение переходных сопротивлений. При этом возникают неравномерные участки нагрева, приводящие к повреждению изоляции или к обгоранию проводников [1].
36
1 Анализ методов оценки теплового состояния тяговых электродвигателей постоянного тока
Многие научно-исследовательские работы посвящены изучению и оценке температурных характеристик тяговой электрической машины в условиях эксплуатации. В качестве одного из методов было предложено использовать для контроля температуры коллектора и обмоток якоря анализ расхода и температуры охлаждающего воздуха на входе и выходе его из электрической машины [2, 3]. Но данный метод имеет ряд существенных недостатков, например, не учитываются такие важные факторы, как химический и физический состав охлаждающего воздуха, качество фильтров, технические характеристики вентиляторов. При такой оценке теплового состояния узлов электрической маттти-ны невозможно определить, какие участки поверхности изоляции обмоток нагреваются за наименьший промежуток времени, а также измерить температуру перегретого узла тягового электродвигателя с достаточно высокой точностью.
Наиболее оптимальным методом в данном случае будет непосредственная оценка температуры обмотки. При ее использовании можно избежать погрешностей измерения, так как измеряться будет непосредственно температура поверхностей коллектора и якоря электрической машины, а не воздуха, охлаждающего эти узлы.
В отличие от большинства известных методов экспериментальных исследований, где использовались разные методы непосредственного измерения температуры с помощью термопар или термосопротивлений, для измерения температуры элементов вращающегося якоря предлагается использовать бесконтактные инфракрасные пирометры (например, инфракрасный пирометр АТТ-2508).
2 Моделирование процесса теплопередачи
в якоре тягового электродвигателя ЭДУ-133 с помощью программного пакета SolidWorks
Чтобы оценить тепловое состояние обмотки якоря тяговой электрической машины, оценить распределение тепловых полей на поверхности ее узлов, была построена компьютерная модель якоря тягового электродвигателя ЭДУ-133 с использованием программного пакета Solid Works, а также его приложения COSMOS Works. Расчет в модели осуществляется методом конечных элементов, производится построение сетки на поверхностях якоря тягового электродвигателя, и в зависимости от поставленной задачи имеется возможность более точного или более грубого отображения полученных результатов.
В данном программном пакете был рассмотрен процесс теплопередачи в пазу якоря от обмотки к железу якоря. При этом если ранее изоляция
37
и проводник с током в различных расчетах электрических машин заменялись условно однородным телом с усредненными коэффициентами теплопроводности, то при использовании в расчете данной модели учтены особенности химических и физических свойств материалов, из которых изготавливаются рассматриваемые узлы тягового двигателя.
При использовании построенной математической модели результаты теплового анализа могут быть представлены с достаточной точностью, также по данной модели можно проанализировать процесс теплопередачи между любыми узлами якоря тягового электродвигателя.
Предложенная тепловая модель дает возможность рассчитывать температурные поля якоря тягового электродвигателя с погрешностью не более 5 %.
Заключение
Существующий на данный момент математический аппарат в основном позволяет описать тепловые процессы, происходящие в электрических машинах постоянного тока, но имеет некоторые неточности: проводник с изоляцией в пазу якоря заменяется однородным телом с усредненными теплофизическими характеристиками. Достоверность расчетов главным образом зависит от принятых коэффициентов теплопроводности, теплопередачи и теплоизлучения.
С помощью построенной модели тягового электродвигателя ЭДУ-133 можно анализировать процесс распределения тепловых полей на поверхности якоря электрической машины с достаточной точностью (погрешность определения температуры не превышает 5 %), так как в данном расчете предусмотрена возможность учитывать теплофизические характеристики всех материалов, из которых состоит данная электрическая машина постоянного тока.
Библиографический список
1. Новые электрические машины локомотивов / А. В. Грищенко, Е. В. Козаченко. -М. : Учеб.-методич. центр по образованию на ж.-д. транспорте, 2008. - 271 с.
2. Проектирование тяговых электродвигателей / А. С. Курбасов, В. И. Седов, Л. Н. Сорин. - М. : Транспорт, 1987. - 536 с.
3. Автоматизированное регулирование скорости мотор-вентиляторов / В. Н. Михайловский, В. Е. Чернохлебов, Б. Я. Кожевников и др. // Железнодорожный транспорт. -2005. - № 9. - С. 25-29.
© Шрайбер М. А., 2014
38
