Лекция 23 1. 2. 3. План лекции Методы снижения расхода энергии. Нагревание тяговых электродвигателей Нормы допустимого нагревания ТЭД 1. Методы снижения расхода энергии Правильное и экономное использование электрической энергии имеет исключительно важное значение и является важнейшей государственной задачей. Электрифицированный транспорт является крупным потребителем электрической энергии, удельный вес которого в общем потреблении страны возрастает с каждым годом, поэтому весьма существенное значение приобретает вопрос о всемерной экономии энергии на движение поездов. С точки зрения расходования энергии имеется значительное различие между условиями работы поездов при электровозной и мотор -вагонной тяге. В условиях электровозной тяги основная часть электрической энергии расходуется на преодоление сопротивления движению и подтормаживание на вредных спусках.
Поэтому расход энергии при электровозной тяге зависит главным образом от скорости движения V и профиля пути i. Потери в тормозах при остановках АТ и пусковые потери АП не имеют в этом случае решающего значения из-за больших расстояний между остановками. На долю этих потерь приходится в среднем около 10 – 15% всего расхода энергии. В противоположность электровозной тяге в пригородном и городском мотор-вагонном движении, для которого характерны короткие перегоны и частые остановки, тормозные и пусковые потери приобретают исключительно большое значение, достигая 50 – 60% и более от общего расхода энергии. Поэтому при мотор-вагонной тяги расход энергии в значительно большей степени, чем при электровозной, зависит от способа ведения поезда. В условиях мотор-вагонной тяги удельный расход энергии значительно выше из-за резкого увеличения именно тормозных и пусковых потерь. При этом расход энергии резко возрастает с увеличением технической скорости. При новых современных быстроходных электропоездах удельный расход энергии составляет (40 – 50 Вт∙ч/ткм). Несмотря на значительно меньшие скорости на метрополитене, удельный расход энергии довольно высок (50 – 60 Вт∙ч/ткм), главным образом вследствие малых расстояний между станциями и большого сопротивления движению в тоннелях. 2
На трамвайных вагонах вследствие разнообразных условий работы в отношении профиля трассы, длин перегонов, скоростей движения, типов вагонов, удельные расходы энергии могут колебаться в довольно широких пределах (от 50 до 80 Вт∙ч/т∙км). Однако, при очень коротких перегонах и высоких скоростях движения удельный расход энергии может увеличиваться для трамваев до 100 Вт∙ч/т∙км и более. Особенно велик удельный расход энергии на безрельсовом транспорте из-за значительно бóльшего, чем на рельсовом транспорте, основного сопротивления движению. На троллейбусах удельный расход энергии может составлять 150 - 200 Вт∙ч/т∙км. Наибольшее влияние на общий расход энергии оказывает вес поезда. Поэтому при конструировании вагонов необходимо стремиться к всемерному их облегчению, к получению наименьшего удельного веса вагона на 1 тонну груза или одно пассажирское место. Снижение удельного расхода энергии возможно за счет уменьшения сопротивления движению и эквивалентного подъема, увеличения КПД двигателей и снижения тормозных и пусковых потерь. 3
4 Основное сопротивление движению оказывает значительное влияние на удельный расход энергии. Поэтому должно быть обращено самое серьезное внимание на снижение удельного основного сопротивления движению, тем более, что основным мероприятием в этом направлении является поддержание ЭПС в технически исправном состоянии. Потери в ТЭД сравнительно мало зависят от режима работы поезда, так как их КПД изменяется незначительно в широких пределах нагрузки. Значительно ухудшает КПД работа двигателей при пониженном напряжении, поэтому следует всемерно избегать длительной езды на последовательном их соединении и других позициях пониженного напряжения. Ухудшение среднего КПД получается также при недоиспользовании мощности ТЭД, так как в области малых нагрузок КПД резко падает. Значительная экономия энергии может быть получена во многих случаях применением рекуперативного торможения.
1. 1. Влияние способа ведения поезда по перегону на расход энергии Расход энергии, затрачиваемой на движение поезда в значительной мере определяется способом ведения поезда по перегону, особенно в мотор-вагонной тяге. Характер кривой движения оказывает большое влияние на расход энергии, главным образом на потери в тормозах и в пусковых устройствах. При данных характеристиках ЭПС и заданном профиле трассы режим движения поезда по перегону определяется пусковым током IП, от которого зависят пусковая сила тяги FП, пусковое ускорение а. П, и пусковая скорость VП, скоростью в момент начала торможения VT и замедлением при торможении а. Т. Пусковое ускорение а. П и скорость в конце пуска VП тесно связанны между собой, так как при данном ЭПС они определяются пусковым током ТЭД. С увеличением IП увеличивается пусковое ускорение и снижается VП. Это снижение пусковой скорости VП (скорости выхода на автоматическую характеристику) тем значительнее, чем мягче характеристика ТЭД. 5
Для установления влияния пускового ускорения на расход энергии рассмотрим изображенные на рис. 23. 1 две кривые движения поезда V(t) по одному и тому же перегону при одинаковых характеристиках ЭПС, но при разных пусковых токах и пусковых ускорениях. Рис. 23. 1 Влияние а. П на расход энергии поезда 6
Первая кривая с ускорением а. П 1 и скоростью в момент выхода на автоматическую характеристику VП 1 относится к бóльшему пусковому току IП 1, а вторая с ускорением а. П 2 и скоростью VП 2 – к меньшему пусковому току. Как видно из рис. 23. 1, что а. П 1 > а. П 2 и VП 1 < VП 2. Для сравнения расхода энергии средняя скорость VX, а следовательно, и общее время хода ТХ приняты одинаковыми для обоих режимов движения. Длина перегона в обоих случаях также является одинаковой, поэтому должны быть одинаковыми и площади ограниченные кривыми V(t) и осью абцисс. За счет более высокого разгона при большем ускорении а. П 1 > а. П 2 оказывается возможным уменьшить скорость в момент начала торможения с величины VT 2 до VT 1 (VT 1 < VT 2). Поэтому при более высоком ускорении уменьшаются потери в тормозах пропорционально квадрату тормозной скорости (AT 1 ≡ V 2 T 1 и AT 2 ≡ V 2 T 2). Однако экономия энергии при увеличении ускорения не ограничивается уменьшением только потерь в тормозах. Одновременно снижаются и пусковые потери, пропорциональные также квадрату пусковой скорости (AП 1 ≡ V 2 П 1 и AП 2 ≡ V 2 П 2). 7
Таким образом, увеличение пускового ускорения (пускового тока) является безусловно выгодным мероприятием с точки зрения экономии энергии на движение ЭПС. На рис. 23. 2 представлен характер зависимости удельного расхода энергии АУД от ускорения а. П. Повышение а. П вызывает значительное сокращение расхода энергии. Рис. 23. 2 Зависимость АУД(а. П) 8
Однако интенсивное снижение удельного расхода энергии происходит до определенной величины а. П (до 1, 6 м/с2). По мере дальнейшего увеличения ускорения его влияние на снижение расхода энергии уменьшается. Повышение ускорения выше 1, 5 – 1, 6 м/с2 на перегонах длиной 0, 4 – 0, 5 км практически уже не влияет на расход энергии. В то же время, следует заметить, повышение пускового ускорения увеличивает нагрузку ТЭД, тяговых подстанций и контактной сети, поэтому оно имеет смысл лишь до известных границ. Наивыгоднейшее ускорение будет тем выше, чем меньше длина перегона. Для исследования влияния на удельный расход энергии тормозного замедления а. Т рассмотрим также два режима и соответствующие кривые движения (рис. 23. 3) на одном перегоне при одинаковом общем времени хода ТХ, одинаковом пусковом ускорении а. П, но при различных замедлениях: первую при большем замедлении а. Т 1, а вторую – при меньшем а. Т 2. Как видно из рис. 23. 3, на котором приведены эти кривые движения, при большем замедлении а. Т 1 > а. Т 2 оказывается возможным начинать процесс торможения с меньшей скорости начала торможения VT 1 < VT 2. 9
Следовательно, при большем тормозном замедлении а. Т 1 уменьшаются тормозные потери (АТ 1 ≡ V 2 T 1 и АТ 2 ≡ V 2 T 2) АТ 1 < АТ 2 и снижается общий расход энергии. Рис. 23. 3 Влияние а. Т на расход энергии поезда 10
11 О снижении расхода энергии можно судить по тому, что при меньшем тормозном замедлении а. Т 2 двигатели выключаются несколько позднее (в точке B 2) чем при более высоком замедлении а. Т 1 (точка В 1). Увеличение тормозного замедления снижает расход энергии в меньшей степени, чем повышение пускового ускорения. Зависимость удельного расхода энергии от тормозного замедления АУД(а. Т) изображена на рис. 23. 4. Рис. 23. 4 Зависимость АУД(а. Т)
12 Так же как и зависимость АУД(а. П), кривая АУД(а. Т) резко снижается при возрастании а. Т и идет все более и более полого при увеличении замедления свыше а. Т = 1, 2 м/с2. Поэтому с точки зрения удельного расхода энергии не имеет смысла увеличивать среднее тормозное замедление более чем 1, 2 – 1, 5 м/с2, так как дальнейшее его увеличение мало отражается на снижении расхода энергии, а значительно усложняет тормозное оборудование. Существенное значение имеет вопрос о влиянии наивыгоднейшей пусковой скорости VП и скоростной характеристики на удельный расход энергии. Увеличение скорости при данных ускорении а. П и тормозном замедлении а. Т возможно за счет применения ТЭД, обладающих большей пусковой скоростью, т. е. с более высоко лежащими автоматическими характеристиками. На рис. 23. 5 изображены кривые движения при различных пусковых скоростях, при одинаковой длине перегона, времени хода, ускорениях и замедлениях. Как видно из рисунка при большей пусковой скорости VП 2 (кривая 2) получается меньшая скорость в момент начала торможения VT 2, чем при меньшей пусковой скорости VП 1 (кривая 1) соответствующей большей VT 1, т. е. снижаются потери в тормозных устройствах
13 Рис. 23. 5 Влияние пусковой скорости VП на расход энергии поезда С другой стороны, вследствие повышения пусковой скорости увеличиваются пусковые потери, также пропорциональные квадрату этой скорости. При повышении VП до определенной величины решающую роль играют тормозные потери, что приводит к общему снижению расхода энергии.
Однако, при больших пусковых скоростях VП, потери в тормозах снижаются медленнее, чем возрастают пусковые потери и общий расход энергии начинает увеличиваться при дальнейшем повышении VП. В результате зависимость удельного расхода энергии от пусковой скорости изображается U – образной кривой (Рис. 23. 6). Рис. 23. 6 Зависимость АУД(VП) 14
15 Кривая на рис. 23. 6 имеет минимум при некоторой наивыгоднейшей пусковой скорости VП. НАИВ. с точки зрения расхода энергии, затрачиваемой на движение поезда АУД МИН. . 2. Нагревание тяговых двигателей Элементы электрического оборудования – машины, трансформаторы, преобразователи, коммутационные аппараты и другие устройства нагреваются во время работы из-за выделяющихся в них потерь энергии. Поэтому работоспособность электрического оборудования ограничивается не только наибольшими допустимыми напряжениями и токами, механической прочностью, но и длительностью приложения тех или иных электрических нагрузок. В наиболее тяжелых условиях работы с резко переменными нагрузками и с весьма разнообразным распределением их во времени находятся тяговые двигатели, а у электровозов и моторных вагонов переменного тока, кроме того – трансформаторы и преобразователи. Наибольшая мощность, которую может развить тяговый двигатель, установленный на ЭПС, ограничивается его механической прочностью, коммутацией или опрокидывающим моментом и условиями сцепления.
Допустимая же длительность работы ТЭД при той или иной нагрузке (токе) определяется его нагреванием, так как потери энергии, выделяющиеся в двигателе, не должны повышать температуру разных его частей сверх безопасных значений, регламентируемых соответствующими нормами. На рис. 23. 7 показан характер зависимости допустимого по нагреванию тока от длительности работы двигателя, представленной кривой 1. Из которой видно, что допустимая по условиям нагревания длительность работы возрастает по мере уменьшения тока нагрузки I. Кривая 1 асимптотически стремится к значениям тока I∞, называемому длительным током, при котором работа двигателя уже не ограничивается временем. Рис. 23. 7 Зависимость допустимого по условиям нагревания тока ТЭД 16
При этом токе все тепло, выделяемое в ТЭД, полностью отводится при максимально допустимой температуре в окружающую среду, и дальнейшее повышение температуры двигателя прекращается. Длительный ток тем больше, чем больше теплоотдача ТЭД. Если увеличить теплоотдачу двигателя, например, путем усиления его вентиляции, значение I∞ возрастет и кривая тока 2 пойдет выше, однако в зоне больших токов, где основную роль играет не теплоотдача, а теплоемкость, она будет почти совпадать с кривой 1. Величина допустимой временной перегрузки ТЭД повышается с увеличением его теплоемкости. Линией 3 показано ограничение по нагреванию для двигателя, имеющего ту же теплоотдачу, но большую теплоемкость, чем двигатель, которому соответствует кривая 1. Прямые линии 4 и 5 представляют уже ранее известные ограничения по максимальному току Imax (условия коммутации) и минимальному току Imin (ограничение скорости) для ТЭД последовательного возбуждения. Область допустимых нагрузок двигателя при отсутствии первоначального перегрева его температуры над температурой окружающей среды заштрихована. 17
На рис. 27. 8 показаны пределы допустимой нагрузки для двигателя со смешанным возбуждением. Отличие от ТЭД последовательного возбуждения состоит в том, что отсутствует ограничение по минимальному току Imin. В нижнем квадрате нанесены ограничения для генераторного режима. Рис. 23. 8 Ограничения по нагреванию ТЭД смешанного возбуждения 18
Работоспособность ТЭД с точки зрения нагревания при резко колеблющейся тяговой нагрузке определяется не только его теплоотдачей, но и теплоемкостью. Поэтому наряду с длительным током I∞, ограничиваемым теплоотдачей двигателя, должна быть известна также временная перегрузочная способность по условиям нагревания, определяемая теплоемкостью ТЭД. Для тяговых двигателей в качестве такой временной характеристики принята часовая мощность Pч. Таким образом, работоспособность ТЭД по условиям нагревания определяется двумя величинами: - длительной мощностью P∞; - часовой мощностью Pч. Под длительной мощностью ТЭД понимается такая наибольшая мощность, развиваемая на его валу, при которой двигатель может длительно работать на неподвижной установке (испытательном стенде) без превышения температуры какой либо его части над температурой окружающей среды сверх допустимых нормативных пределов. Ток, скорость, момент или сила тяги, КПД, отвечающие его длительной мощности, называются длительными и отмечаются индексами ∞ (I∞, V∞, F∞, ∞). 19
Под часовой мощностью ТЭД понимается такая наибольшая мощность, развиваемая на валу, при которой двигатель, начав работу при температуре окружающей среды, может работать на неподвижной установке в течении одного часа без того, чтобы превышение температуры какой-либо его части превзошло допустимое значение по нормам. Ток, скорость, сила тяги, КПД двигателя, соответствующие его часовой мощности, называются часовыми и отмечаются индексом ч (Iч, Vч, Fч, ч). Необходимо отметить, что длительная и часовая мощности двигателя связаны с перегревом, т. е. определяются разностью температур двигателя и окружающей среды. Температура же ТЭД, зависящая от температуры окружающей среды, не может непосредственно характеризовать его тепловые свойства. Нормы допустимого нагревания тяговых двигателей и вспомогательных машин ЭПС нормируется ГОСТ 2582 – 95. Величины допустимых перегревов Н различных частей тяговых двигателей и вспомогательных машин над температурой окружающего воздуха +25 ОС для машин, расположенных под кузовом, и над температурой +35 ОС для машин, расположенных в кузове, при испытании их на неподвижном стенде приведены в табл. 23. 1. 20
21 Место установки машины Таблица 23. 1 Допустимое превышение температуры в ОС Части машины Длительный режим Классы изоляции А А В По сопротивлению 100 120 85 105 75 90 65 80 По сопротивлению 100 130 85 115 Термометром Обмотки полюсов В Термометром Обмотки якоря Под кузовом Метод измерения температуры часовой (или другой кратковременный режим) 75 100 65 90 Коллектор 95 95 55 55 В кузове Подшипники Термометром Обмотки якоря и полюсов По сопротивлению 90 110 75 95 Термометром 65 80 55 70 Коллектор По сопротивлению 85 85 Подшипники Термометром 45 85 45
Указанные в ГОСТ перегревы Н, могут быть допущены при температурах окружающей среды +25 ОС и +35 ОС соответственно: (22. 1) (22. 2) где Н – перегревы, указанные в табл. 23. 1. Если температура окружающей среды В не равна +25 ОС (для ТЭД, расположенных под кузовом) и +35 ОС (для машин расположенных в кузове ЭПС), то допустимые перегревы д будут соответственно равны: (22. 3) (22. 4) Для измерения температуры обмоток электрических машин основным считается метод сопротивления. Сначала измеряют сопротивление медной обмотки при температуре окружающей среды r. O, а затем ее сопротивление в нагретом соcтоянии r. 22
Тогда перегрев обмотки ТЭД над температурой окружающей среды В вычисляют по формуле: (22. 5) где - температурный коэффициент сопротивления меди. Интенсивность охлаждения тяговых двигателей характеризуется коэффициентом вентиляции КВ, представляющим отношение длительной мощности Р∞ к часовой Рч: (22. 6) Для двигателей с независимой вентиляцией, когда через них продувается воздух отдельным вентилятором, КВ = 0, 85 – 0, 95. Коэффициент КВ двигателей с самовентиляцией колеблется в пределах 0, 7 – 0, 85, причем верхний предел относится к бысроходным ТЭД. 23
При отсутствии вентиляции, как у двигателей закрытого исполнения, КВ снижается до 0, 4 – 0, 5. Часто коэффициентом вентиляции считают соотношение токов КВ = I∞/Iч, которое для ТЭД постоянного тока практически совпадает с отношением соответствующих мощностей, а для тяговых двигателей переменного тока отличается незначительно. 24