Математическая модель асинхронного
тягового электродвигателя ДАТ-470 как теплового объекта.
Тихонов
Филипп Владимирович,
аспирант Московского Государственного
Университета Путей Сообщения (МИИТ).
В связи с началом серийного выпуска подвижного состава, оснащенного тяговым приводом с асинхронными тяговыми двигателями (АТД), появилась необходимость подробного исследования нагревания обмоток статора и ротора. Опыт исследования теплового состояния тяговых электродвигателей постоянного тока показывает, что обмотки имеют значительную неравномерность распределения температур, вносящую значительную погрешность в расчет ресурса изоляции [2]. Поэтому для прогнозирования надежности двигателя в эксплуатации необходимо создавать подробные тепловые модели, позволяющие учитывать влияние режимов работы самого двигателя и его системы охлаждения на распределение температур в нем. Создание тепловых моделей двигателя позволяет решить и вспомогательные задачи. В частности, контроль за температурой узлов двигателя дает возможность регулировать тягу локомотива, обеспечивая движение тяжелых составов без перегрева обмоток, управлять мощностью энергетической цепи при неисправности системы охлаждения электрических машин и т.д. [3]
Практикой тепловых расчетов электрических машин доказана достоверность применения метода эквивалентных тепловых схем (ЭТС) для подробного расчета теплового состояния обмоток. В этом методе электродвигатель представляет собой совокупность элементарных тепловых узлов машины, соединенных между собой посредством соответствующих тепловых связей.
Тяговая передача
перспективного тепловоза 2ТЭ25К "Пересвет" включает в себя асинхронный
тяговый электродвигатель ДАТ-470 мощностью 470 кВт. Для расчета температур его
обмоток была разработана ЭТС, состоящая из 21 теплового узла. В модели учтены условия вынужденной конвекции
от основных поверхностей охлаждения двигателя и свободной конвекции от станины
и подшипниковых щитов к окружающему воздуху. Для каждого элементарного узла
составлялось уравнение теплового баланса, имеющее вид [1]:
, (1)
где 
- мощность,
рассеиваемая в узле i;
- теплоотдача от i-го узла к охлаждающему
воздуху;
- тепловая
проводимость от j-го
узла к i-му узлу;
, 
, 
- температура узлов i, j и охлаждающего воздуха
соответственно.
Тепловые проводимости между элементарными тепловыми узлами c учетом сложной структуры изоляции определены из уравнения теплопроводности [1]:
, (2)
где 
- площадь сечения
теплопередачи;
,
,..,
-коэффициенты теплопроводностей материалов соответствующих элементов;
,
,..,
- толщина изоляционного материала соответствующего узла
обмотки.
Теплоотдачи от узлов машины к охлаждающему воздуху определены из выражения [1]:
, (3)
где 
- коэффициент
теплоотдачи;
- площадь поверхности
теплоотдачи;
Коэффициенты теплоотдачи от поверхностей представлены как функции размера канала, скорости потока охлаждающего воздуха, его теплопроводности и вязкости посредством критериальных зависимостей. Выражения для определения коэффициента теплоотдачи в общем случае имеет вид [1]:
, (4)
где 
- число Нуссельта;
где 
- число Рейнольдса;
- коэффициент,
учитывающий шероховатость поверхностей статора и ротора.
- коэффициент теплопроводности воздуха;
- характерный размер
для расчета скорости воздуха;
Математическая
модель представляет собой систему уравнений тридцать восьмого порядка. С ее помощью
произведен расчет теплового состояния участков обмоток тягового
электродвигателя ДАТ-470 при работе на продолжительном режиме, характеризующемся
параметрами: фазное напряжение Uф=495В, фазный ток IФ=425А, частота f1=30,33Гц, скольжение s=2,9%.
На основании полученных результатов построены графики распределения температуры
по длине для верхнего (Т1w) и нижнего (Т1n)
слоев обмотки статора (рис.1) и ротора (Т2) (рис.2), а так же рассчитаны
значения средних температур обмотки статора и ротора, составляющих 132,1ºС
и 115,4ºС соответственно. Приведенные данные показывают, что самая высокая
температура наблюдается в пазовой части и лобовой части со стороны привода обмотки
статора и пазовой части обмотки ротора, а ошибка при рсчете ресурса изоляции
обмотки АТД по значению ее средней температуры составляет 50%.
Рис. 1.
Распределение температур в обмотке статора.
Рис. 2.
Распределение температур в обмотке ротора.
Литература.
1. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах. Борисенко А.И. и др. М., «Энергия», 1974.
2. Влияние температуры обмоток тягового асинхронного двигателя на алгоритм управления им в передаче локомотива / Логинова Е.Ю., Чащин В.В. // Транспорт, наука, техника, управление. – 2003. - №4.
3. Прогнозирование эффективности работы асинхронного тягового привода на тепловозе / Чащин В.В., Логинова Е.Ю., Кофанов В.А. // Вестник ВНИИЖТа. – 2005. - №1.
Поступила в
редакцию 20.05.2008 г.