5.4. Общие требования к системам электрического торможения. Классификация электрического торможения.

При питании ЭПС от контактной сети в режиме торможения возможно использовать основное преимущество электродвигателя (по сравнению с другими способами преобразования энергии в механическую работу) – это его обратимость. В режиме торможения тяговые двигатели ЭПС переходят в генераторный режим и производят преобразование кинетической и потенциальной энергии поезда в электрическую. По способу использования полученной электроэнергии электрическое торможение подразделяются на реостатное (электроэнергия расходуется на нагрев реостатов ЭПС), рекуперативное (электроэнергия возвращается в контактную сеть) и комбинированное (электроэнергия возвращается в контактную сеть, но при отсутствии потребителя гасится на балластных резисторах).

Основным преимуществом электрического торможения следует считать повышение безопасности движения поезда за счет наличия дополнительной системы торможения. Кроме этого возможно увеличение скоростей движения на затяжных спусках, уменьшение износа бандажей колесных пар и загрязнения пути в местах массового торможения (посадочные платформы пригородных участков крупных городов). При электрическом торможении возможна автоматизация регулирования тормозной силы. На высокоскоростном подвижном составе электрическое торможение обеспечивает высокие значения тормозной силы в зоне высоких скоростей. Недостаток электрического торможения – усложнение оборудования ЭПС и увеличение нагрузки на тяговые двигатели.

К системам электрического торможения предъявляются следующие требования:

• механическая устойчивость (тормозные характеристики должны обеспечивать поддержание постоянных скоростей на затяжных спусках и торможение до остановки в пределах, обеспечивающих надежное сцепление колес с рельсами при надежной работе ТД);

• электрическая устойчивость (при выводе системы из состояния равновесия (например бросок напряжения КС) она должна в кратчайшие сроки возвращаться в устойчивое состояние без повреждения ТД и колесных пар);

• минимальное расхождение токов по параллельным ветвям при расхождении характеристик ТД и диаметров колесных пар;

• обеспечивать высокую надежность и удобство управления процессом торможения, возможность автоматизации этого процесса.

Рассмотрим условие, при котором ТД переходит в генераторный режим. Так как электромагнитный момент ТД пропорционален току якоря и магнитному потоку, то для изменения направления этого момента необходимо изменить направление тока якоря или тока возбуждения. Изменение обеих величин не приводит к изменению направления электромагнитного момента.

5.5. Реостатное торможение с самовозбуждением тд.

Поскольку на ЭПС используются ТД последовательного возбуждения, рассмотрим процесс реализации реостатного торможения при самовозбуждении ТД. При переходе в генераторный режим возбуждение ТД происходит за счет остаточного магнитного потока. Для того, чтобы не произошло размагничивания магнитной системы, необходимо сохранить то же направление магнитодвижущей силы, что и в режиме тяги, т.е. сохранить направление тока возбуждения. На рисунке показаны возможные переключения в силовой схеме для реализации самовозбуждения.

Рассмотрим процесс самовозбуждения ТД при условии, что за время переходного процесса скорость движения не изменилась.

;

ЭДС самоиндукции

.

Здесь L – индуктивность цепи реостатного тормоза. На рисунке эти зависимости показаны с учетом начальной ЭДС E₀ = СФ₀V. Заштрихованная область соответствует . Из рисунка следует, что при I = 0 – следовательно ток возрастает. По мере роста тока ЭДС самоиндукции сначала возрастает, затем уменьшается. В точке A – т.е. наступило электрическое равновесие СФV = (R_д + R_т)I. Это равновесие является устойчивым: при уменьшении тока – следовательно ток будет возрастать; при увеличении тока – следовательно ток будет падать.

Отсюда можно сформулировать условие электрической устойчивости реостатного торможения: знак отклонения тока и ЭДС самоиндукции должны быть противоположны.

При данной скорости положение точки A зависит от наклона линии (R_д + R_т)I, т.е. от величины R_т: при увеличении R_т точка A смещается влево; при уменьшении – вправо. Следовательно, зная допустимые параметры ТД по току, а так же ограничение по сцеплению колес с рельсами возможно определить величину R_т min при входе в торможение.

Если бы при переходе в тормозной режим не было бы изменено направление тока якоря, то произошло бы размагничивание ТД и равновесие наступило бы в точке B, т.е. ток в цепи не равен нулю, но ничтожно мал.

Из формулы равновесия электрической цепи следует, что регулировать ток цепи, а следовательно и тормозную силу можно изменяя величину тормозного резистора и магнитного потока, т.е. тока возбуждения. При увеличении сопротивления для реализации той же тормозной силы необходима большая скорость. Следовательно, для поддержания постоянной тормозной силы по мере снижения скорости движения необходимо уменьшать величину тормозного резистора. При увеличении магнитного потока для реализации той же тормозной силы необходима меньшая скорость. Следовательно, для поддержания постоянной тормозной силы по мере снижения скорости движения необходимо увеличивать ток возбуждения.

Выразим из второго закона Кирхгофа ток цепи реостатного торможения в установившемся режиме:

.

Как следует из формулы, ток в режиме реостатного торможения с самовозбуждением прямо пропорционален скорости движения и обратно пропорционален величине тормозного резистора. При скорости, равной нулю ток тоже должен быть равен нулю, однако так как двигатель возбуждается за счет остаточного магнитного потока, зависимости I = (V) не проходят через начало координат. Положение точки пересечения характеристики с осью скорости определяется минимальной величиной скорости, при которой возможен процесс самовозбуждения для данной величины тормозного резистора. После самовозбуждения характеристика становится линейной, как и следует из формулы. Однако в зоне больших токов характеристика снова приобретает некоторую нелинейность за счет насыщения магнитной системы ТД.

Тормозная сила пропорциональна тормозному току и магнитному потоку, который, в свою очередь, пропорционален току. Следовательно, тормозная сила пропорциональна квадрату тока и нелинейность тормозной характеристики при насыщении магнитной системы ТД выражена ярче, чем у зависимости I = (V):

В = СФI; CФ  I B  I².

На тормозные характеристики можно нанести следующие ограничения:

• по максимальной скорости движения (линия 4);

• по максимальному тормозному току (линия 1);

• по сцеплению (линия 2);

• по коммутации (по максимальному напряжению на коллекторе) (линия 3).

При параллельном включении ТД в режиме реостатного торможения с самовозбуждением остро стоит вопрос о выравнивании нагрузок по параллельным ветвям, так как уравнительный ток, возникающий из-за расхождения характеристик ТД, может вызвать нарушение электрического равновесия. Для уменьшения влияния расхождения характеристик ТД применяют уравнительные соединения (с уравнительным резистором (г) или без него (в). Но наибольший эффект дает применение перекрестного включения обмоток возбуждения (д).

Достоинством реостатного торможения с самовозбуждением является его простота (минимум переключений в силовой цепи и дополнительного оборудования) и отсутствие потребления электроэнергии в режиме торможения.

К недостаткам можно отнести сравнительно большое время самовозбуждения ТД и опасность срыва процесса самовозбуждения при длительных перерывах в работе ТД. Для устранения указанных недостатков возможно использовать уже возбужденные ТД, например ЭТ2.

Примерами схем с самовозбуждением в режиме реостатного торможения могут служить вагоны метрополитена 81 серии. У данной схемы используются оба способа регулирования тормозной силы: в зоне высоких скоростей используется регулирование тока возбуждения посредством тир исторного регулятора; после исчерпания данного способа (достижения током возбуждения максимального значения) производится ступенчатый вывод тормозного резистора.

Достоинством схемы является ее стремление самоликвидировать юз одной из колесных пар: например, при возникновении юза 1-й колесной пары снижается суммарная ЭДС ТД 1-2, следовательно снижается ток в этой цепи, следовательно снижается магнитный поток ТД 3-4, следовательно снижается ЭДС ТД 3-4, следовательно снижается ток в этой цепи, следовательно снижается магнитный поток ТД 1-2, следовательно уменьшается тормозная сила ТД1.

В торой пример – реостатное дотормаживание электропоездов ЭТ2 и их аналогов. В данной схеме отсутствует процесс самовозбуждения как таковой, так как данная схема применяется после исчерпания режима рекуперации. Из этого следует, что ток возбуждения уже имеет максимально возможное значение и возможно регулирование тормозной силы только посредством тормозного резистора.

Достоинство схемы – отсутствие проблемы выравнивания токов по параллельным ветвям. Недостаток – склонность к юзу.