5.7. Реверсивное торможение (торможение противовключением).

Реверсирование ТД последовательного возбуждения, находящегося в режиме тяги без отключения от КС приводит к своеобразному режиму торможения, называемому реверсивным. ТД при этом переходит в генераторный режим, причем его ЭДС суммируется с напряжением КС – ТД превращается в генератор последовательного возбуждения, включенный последовательно с КС и работающий на пусковые резисторы. Уравнение электрического равновесия имеет вид

U + СФV = (R_т + R_д)I,

откуда

.

Из формулы следует, что реверсивное торможение можно осуществлять до остановки, так при V = 0 ток ТД, а следовательно и тормозная сила не равны нулю. Если в момент остановки ТД не отключить от сети, то он изменит направление вращения. Из рисунка следует, что этот вид торможения устойчив.

П редположим, что в режиме тяги скорости V соответствует ток I₁. В случае реверсирования тягового двигателя произойдет изменение направление тока тягового двигателя и скорости V будет соответствовать уже ток I₂. Поскольку наклон скоростной характеристики к оси тока в тормозном режиме значительно меньше, чем в тяговом режиме, то I₂ > I₁. Как известно, пересечение скоростной характеристики для безреостатной позиции тяговых двигателей постоянного тока лежит за пределами допустимых токов. Следовательно, реверсивное торможение осуществимо без опасности повредить ТД только на низких скоростях движения с использованием реостатных позиций.

Реверсивное торможение предусмотрено только на электровозах ВЛ85, ВЛ65. Здесь роль пусковых резисторов играет тяговый трансформатор, и переход к этому торможению происходит без дополнительных переключений в силовой цепи из режима рекуперации. На остальных типах ЭПС реверсивное торможение следует рассматривать как аварийное при скоростях не более 25 км/ч.

Достоинством этого вида торможения является возможность тормозить до остановки.

Недостатками – возможность применения только на малых скоростях с опасностью повреждения ТД и значительное потребление электроэнергии из КС.

5.8. Рекуперативное торможение.

Вначале рассмотрим общие вопросы осуществления рекуперативного торможения. Для того, чтобы начался процесс рекуперации (отдачи электроэнергии в контактную сеть) необходимо выполнить три условия:

1. Перевести ТЭД в генераторный режим – как правило, изменить направление тока возбуждения.

2. Суммарная ЭДС ТД должна быть выше напряжения КС. Если суммарная ЭДС ТД окажется ниже напряжения КС, то ТД перейдут в тяговый режим.

3. На участке должен быть потребитель вырабатываемой электроэнергии. При отсутствии потребителя произойдет повышение напряжения на токоприемнике выше допустимого, что может привести к повреждению силового оборудования.

В озможны следующие случаи осуществления рекуперативного торможения:

• на другой подвижной состав, находящийся в режиме тяги (а);

• на энергосистему (б);

• на балластный резистор (в).

Наиболее выгодным случаем является рекуперация на одной фидерной зоне. при этом наблюдаются наименьшие потери электроэнергии.

На практике баланс рекуперируемой и возвращаемой электроэнергии встречается крайне редко. При неодновременном пуске-торможении может наблюдаться недостаток или избыток рекуперируемой электроэнергии. При недостатке электроэнергии происходит ее компенсация за счет тяговых подстанций. При избытке рекуперируемой электроэнергии возможна передача ее части на соседнюю фидерную зону на участках постоянного тока, так как возможен переток электроэнергии через распределительное устройство (РУ) тяговой подстанции. Рассмотрим условие, при котором такой процесс возможен.

При протекании тока рекуперации по тяговой сети в ней неизбежны потери: во-первых, мощности на нагрев проводов и рельсов; во-вторых, напряжения. Для того, чтобы осуществить передачу электроэнергии рекуперации на соседнюю фидерную зону, необходимо "запереть" ТП, т.е. уровень напряжения в контактной сети вблизи тяговой подстанции должен превысить напряжение холостого хода ТП.

Расчеты показывают, что на каждые 10 км двухпутного участка приходится падение напряжения до 1000 В. Величина падения зависит от величины тока, типа контактной подвески, наличия пунктов параллельного соединения контактной сети главных путей и состояния рельсовых цепей. Так как наиболее часто на ТП выпрямительные агрегаты имеют напряжение холостого хода 3500 В, то рекуперация на соседнюю фидерную зону возможна, если рекуперирующий электровоз находится на расстоянии не более 6 км от ТП.

На участках переменного тока соседние фидерные зоны могут питаться от разных фаз, поэтому рекуперация возможна только на своей фидерной зоне. Однако, на участках переменного тока нет проблем с возвратом электроэнергии во внешнюю энергосистему – так как нет диодных выпрямительных установок.

Теперь перейдем к рассмотрению вопроса реализации рекуперации на ЭПС. Так же, как и при реостатном торможении, для перехода ТД в генераторный режим необходимо его реверсировать.

Р ассмотрим случай ТД последовательного возбуждения. При входе в режим рекуперации система описывается следующим уравнением:

.

Как следует из рисунка, кривые ЭДС и падения напряжения на активных сопротивлениях ТД может иметь две точки пересечения. Точка а является точкой неустойчивого равновесия, т.к. при отклонении тока в большую сторону ЭДС самоиндукции стремится увеличить ток, а при отклонении в меньшую – уменьшить. При увеличении тока система попадает в новое положение равновесия а', которое является устойчивым, но при этом величина тока I' недопустима высока. Следовательно, осуществить рекуперацию с ТД последовательного возбуждения очень сложно и на практике не применяется.

Н а сеть постоянного тока устойчиво работают ТД независимого возбуждения (линия 3) и ТД встречно-смешанного возбуждения (линия 1). Из рисунка следует, что точка а пересечения кривых СФV и U+ir является точкой устойчивого равновесия.

Рассмотрим тормозные характеристики ТД независимого возбуждения. Тормозной ток равен:

.

С ростом тока магнитный поток, а следовательно, и ЭДС несколько снижаются за счет реакции якоря. Тормозная сила пропорциональна току якоря. В зоне высоких токов якоря зависимость В = (I) становится нелинейной. Из формулы следует, что зависимости I = (V) и В = (V) не проходят через начало координат. Величина V_min зависит от уровня напряжения в контактной сети, соединения ТД (m) и величины стабилизирующего резистора R_ст.

Тормозные характеристики рекуперации с независимым возбуждением аналогичны тормозным характеристикам реостатного торможения с независимым возбуждением с той лишь разницей, что тормозные характеристики рекуперативного торможения при постоянном токе возбуждения не проходят через ноль. На характеристики накладываются те же ограничения: по коммутации; по току якоря; по току возбуждения; по сцеплению; по максимальной скорости.

Регулировать тормозную силу при рекуперативном торможении возможно, как следует из формулы, изменяя ток возбуждения. Возможно введение в цепь якорей дополнительного сопротивления, но при этом повышается скорость окончания рекуперации.

Рекуперативное торможение с независимым возбуждением обладает теми же преимуществами и недостатками, что и реостатное торможение с независимым возбуждением.

Для стабилизации тормозных характеристик, выравнивания нагрузок по параллельным ветвям, уменьшения бросков тока при изменениях напряжения в КС используются различные схемы рекуперации.

Наиболее простой вариант – чисто независимое возбуждение. Недостаток – большой разброс токов по параллельным ветвям и чувствительность к броскам напряжения.

Для получения падающей характеристики возможно включение стабилизирующего резистора. При увеличении тормозного тока увеличивается падение напряжения на резисторе R_c, следовательно, уменьшается напряжение на обмотке возбуждения и ток возбуждения. Достоинство схем – возможность непосредственного перехода в режим рекуперации из режима тяги. Недостаток – потери, увеличение скорости окончания рекуперации, требуется значительная мощность возбудителя, так как тормозной ток протекает по нему.

Для уменьшения бросков тока при изменении напряжения КС применяется схема с противовозбуждением возбудителя. В этой схеме возбудитель имеет встречно-смешанное возбуждение. При увеличении тормозн ого тока происходит размагничивание возбудителя и уменьшение магнитного потока.

На существующем ЭПС применяется схема с противовозбуждением возбудителя (ВЛ10, ВЛ11) (смотри курсовой проект). На электропоездах ЭТ2 применяется схема независимого возбуждения с системой автоматического управления тормозной силой.