[12-1999] Режим движения тепловоза и ресурс тяговых двигателей

[poster444]

Режим движения тепловоза и ресурс тяговых двигателей

Значительный резерв экономии энергии и повышения надежности локомотивов заключен в оптимизации теплового состояния тяговых электрических двигателей (ТЭД), характерной особенностью которых является эксплуатация их в широком диапазоне изменения режимов работы и температуры наружного воздуха.

Так, расход электроэнергии на охлаждение тягового электрооборудования электровозов переменного и постоянного тока в эксплуатации составляет в среднем 16 % расхода энергии на тягу. Это обусловлено отсутствием согласования режимов тепловой нагрузки и охлаждения тягового электрооборудования, когда мотор-вентиляторы их систем охлаждения непрерывно работают в режиме номинальной подачи.

На тепловозах традиционно привод вентиляторов охлаждения тягового электрооборудования осуществляется от энергетической установки через вспомогательные машины или механические редукторы. Поэтому с изменением мощности энергетической установки по позициям контроллера изменяется и расход воздуха на охлаждение ТЭД, оставаясь постоянным в пределах одной позиции. В связи с этим удельные затраты мощности на охлаждение тягового электрооборудования на тепловозах ниже, чем на электровозах. Контроль же за тепловым состоянием обмоток машин отсутствует как на тепловозах, так и на электровозах.
Номинальный расход охлаждающего воздуха через тяговую электрическую машину определяется из условия поддержания допустимого значения превышения средней температуры обмотки якоря для данного класса нагревостойкости изоляции (для изоляции якоря класса F эта величина в соответствии с ГОСТ 2582 — 81 составляет 140 °С). Это значение устанавливают при номинальной мощности машины и расчетной температуре наружного воздуха +40 °С (минимаксного критерия) на часовом режиме работы — для тяговых машин электровозов, и продолжительном режиме работы — для тяговых машин тепловозов.

На электровозах минимаксный подход при определении номинального расхода охлаждающего воздуха гарантирует нормальное тепловое состояние обмоток машин, тогда как на тепловозах существует опасность перегрева обмотки на режимах частичного охлаждения. Неоправданные затраты энергии на охлаждение тягового электрооборудования, снижение его надежности из-за колебания температур делают актуальной задачу создания эффективной и экономичной системы охлаждения, особенно с ростом секционной мощности локомотивов.

Основным показателем всякой системы охлаждения (или регулирования температуры) энергетической установки является энергетический коэффициент экономичности, который применительно к тяговому электрооборудованию рассматривают как отношение затрат мощностей на его охлаждение и на тягу.

Исследования показали, что при номинальной нагрузке энергетический коэффициент экономичности систем охлаждения на отечественных тепловозах составляет 3 — 6 % в зависимости от мощности энергетической установки, на отечественных электровозах — 4,5 — 5 %, тогда как на зарубежных электровозах (чешских ЧС4, ЧС8 и шведских RO-2, RO-3) аналогичная величина не превышает 2,5 — 3 %. Если же учесть, что мощность вентиляторов охлаждения электровозов сохраняется неизменной независимо от нагрузки электровоза, коэффициент экономичности его системы охлаждения при частичной нагрузке может достигать 20 %.

Проблема регулирования производительности вентиляторов охлаждения тягового электрооборудования не является новой. И в России, и за рубежом разработаны и внедрены на локомотивах различные системы автоматического регулирования температуры тягового электрооборудования. Однако до настоящего времени нет однозначного ответа на вопрос: по какому принципу должна быть построена такая система и какой фактор в ней должен быть принят за регулируемую величину? Объясняется это тем, что опытным путем выявить лимитирующий по нагреву узел крайне неравномерно нагреваемых обмоток довольно сложно, а достоверных методов расчета динамических тепловых процессов с учетом неравномерности их нагрева не было создано.

В результате, в настоящее время локомотивы оборудуются системами регулирования температуры тягового электрооборудования, построенными по различным принципам.

Однако при создании различных вариантов систем регулирования температуры ТЭД необходимо помнить, что основным их назначением должно являться обеспечение заданного ресурса электродвигателя, а экономия электроэнергии на его охлаждение будет определяться только реализацией того или иного принципа управления расходом охлаждающего воздуха и его адекватности тепловой нагрузке обмоток.

Поэтому при создании систем охлаждения (систем управления охлаждением) ТЭД новых тепловозов или модернизации систем охлаждения эксплуатирующихся локомотивов определяющим фактором их эффективности должно быть обеспечение заданного ресурса работы ТЭД, и лишь вспомогательное значение имеет энергетический коэффициент экономичности. В совокупности эти критерии и определяют техникоэкономические показатели систем охлаждения (систем управления охлаждением) ТЭД как звена энергетической системы тепловоза.

Если приработанные и внезапные отказы возникают вследствие низкого качества технологии изготовления ТЭД и неправильной их эксплуатации, то износовые отказы определяются качеством их проектирования с учетом режимов эксплуатации и поддаются прогнозу/
Под экономичностью любого технического средства понимаются эксплуатационные и капитальные затраты, относимые к определенному сроку окупаемости оборудования. При оценке экономичности систем охлаждения электрических машин капитальные затраты в подавляющем большинстве можно не принимать во внимание.

В то же время эксплуатационные затраты являются важнейшей характеристикой системы охлаждения. При существующем уровне технологий возможно создание очень эффективных систем охлаждения (в том числе и испарительного типа), которые, однако, потребуют значительных затрат энергии на циркуляцию охлаждающей среды (теплоносителя), недопустимо уменьшающего к.п.д. электрической машины в целом.

Затраты на эксплуатацию ТЭД складываются из затрат на его функционирование в энергетической цепи тепловоза, определяющимися энергией на его охлаждение, а также затрат на обслуживание и ремонт.

Затраты на обслуживание и ремонт являются субъективным показателем и определяются, в основном, экономическим положением в стране и ценовой политикой. Тогда как затраты энергии на его функционирование в энергетической цепи тепловоза объективно характеризуют оптимальность конструкции двигателя и точно определяются относительным или абсолютным расходом топлива.

В связи с этим в качестве критерия оценки экономичности систем охлаждения ТЭД локомотивов целесообразно принимать отношение затрат мощностей на их охлаждение и на тягу.

Разработанные в последнее время методы теплового расчета ТЭД позволяют определять влияние различных факторов эксплуатации на локальные температуры обмоток на стадии выполнения тяговых расчетов. В частности, расчеты показали, что температуры сердечников и наконечников полюсов совсем не отражают температуру обмотки якоря, а температура воздуха на выходе электродвигателя даже при постоянном режиме работы очень сильно зависит от его расхода воздуха.

В соответствии с Правилами тяговых расчетов определение изменения температур обмоток ТЭД выполняется с использованием расчетно-экспериментальных зависимостей превышения температур для нормальных условий. Однако локомотив работает в широком диапазоне изменения климатических и эксплуатационных условий, режим изменения мощности никогда не соответствует принятой в тяговых расчетах. Кроме того, тяговые двигатели большее время работают при частичном охлаждении, так как при полной мощности дизель работает всего 3 % времени, а, например, на 9 — 11-й позициях рукоятки контроллера — около 20 % времени. При этом надо учитывать, что обмотки ТЭД нагреваются крайне неравномерно, а системой регулирования напряжения тяговых генераторов многих тепловозов предусмотрена работа двигателей на позициях выше восьмой при токе, равном току продолжительного режима.

Очевидно, что указанные выше факторы снижают точность расчета температур обмоток при эксплуатации локомотивов и, соответственно, не позволяют верно оценить его ресурс, так как одной из основных причин, влияющих на надежность изоляции, являются температурные режимы
наиболее горячих частей обмоток.

Для прогнозирования ресурса ТЭД, работающих в различных эксплуатационных условиях, выбора оптимальных режимов охлаждения (оборудование тяговых двигателей автоматическими регуляторами температуры), обоснования целесообразности применения тех или иных изоляционных материалов разработана тепловая модель. Она позволяет при проведении тяговых расчетов определять динамическое изменение температур различных частей двигателей, в том числе и поле температур его обмоток, износ изоляции обмоток по тепловому фактору и затраты мощности на охлаждение.

Расчеты были выполнены для электродвигателя ЭД118А (рном = зо5 кВт; 1дм = 720 А, изоляция класса нагревостойкости F), получившего широкое распространение на отечественных тепловозах серий ТЭ10, 2ТЭ116 и др.

Результаты расчета показали, что на протяжении всего режима движения лимитирующим по нагреву узлом обмоток ЭД118А является лобовая часть нижней по- лусекции обмотки якоря со стороны привода. При расчетном значении tnB= 40 °С и движении тепловоза с полным использованием мощности по типовому профилю (3-й тип профиля в соответствии с классификацией ВНИИЖТа) температура лимитирующего по нагреву узла обмотки якоря на расчетном подъеме достигает Тлим= 158 °С (рис. 1).

При этом средняя температура обмотки якоря не превышает допустимого значения на протяжении всего режима движения.

Температуры лимитирующих по нагреву узлов обмоток главных и добавочных полюсов не превышают 120 °С (при допустимом превышении температуры 155 °С), причем за счет того, что часть времени ТЭД работают на режиме ослабления возбуждения, обмотка главных полюсов имеет более низкие температуры, чем обмотка добавочных полюсов (рис. 2).

Расчет износа обмоток ЭД118А в зависимости от температуры лимитирующих по нагреву узлов и энергетических показателей штатной системы охлаждения при этом же режиме движения показывает, что максимальный износ обмотки якоря происходит на расчетном подъеме (см. рис. 2). Характер кривых износа, определенных по средней температуре обмотки якоря и по температуре лимитирующего по нагреву узла обмотки якоря различен.

Кривая износа лобовой части обмотки якоря со стороны привода резко возрастает на расчетном подъеме, когда температура этого узла превышает допустимое значение, тогда как кривая износа, определяемая по средней температуре обмотки якоря имеет монотонный характер и не отражает факта локального старения изоляции якоря. Износ обмоток полюсов вообще незначителен и не требует контроля при выборе режима движения тепловоза по заданному профилю.

Расчет зависимостей износа ЭД118А по тепловому фактору от относительных затрат энергии на охлаждение (в качестве номинальных приняты затраты мощности на охлаждение ТЭД при штатной схеме), определенного по температуре обмотки якоря в лобовой части со стороны привода и по средней температуре обмотки якоря, показывает, что ошибка, получаемая при определении ресурса изоляции по средней температуре обмотки якоря, превышает 300 % (рис. 3).

Таким образом, результаты расчета показали, что ресурс ТЭД по тепловому фактору в эксплуатации зависит от режима движения локомотива и определяется температурой лобовой части обмотки якоря со стороны привода. За счет неравномерности распределения температур в обмотках ТЭД оценивать износ обмотки якоря по ее средней температуре нельзя, так как основная потеря ресурса происходит в локальных узлах обмотки, температура которых в процессе эксплуатации превышает среднюю.

Разработанные методы на стадии выполнения тяговых расчетов позволяют выбирать режимы движения локомотивов в конкретных условиях эксплуатации, гарантирующие допустимое тепловое состояние локальных узлов обмоток ТЭД, которые и будут определять его эксплуатационную надежность по тепловому фактору.

Канд. техн. наук Е.Ю. ЛОГИНОВА,
МГУПС (МИИТ)

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin