9. Электрическое торможение

9.1. Электрическое торможение в электрических передачах постоянного и переменно-постоянного тока

При электрическом торможении кинетическая энергия движущегося поезда превращается в электрическую. Тяговые электродвигатели при этом работают в генераторном режиме, поскольку вращающий момент электрической машины, работающей в генераторном режиме, направлен противоположно моменту двигательного режима. Из большого многообразия применяемых на локомотивах схем электрического тормоза рассмотрим один пример, позволяющий получить представление о его работе. В схеме электрической передачи переменно-постоянного тока с электрическим тормозом, представленной на рис. 9.1., для перевода тяговых электродвигателей в генераторный режим необходимо отключить их от тяговой выпрямительной установки, якорные обмотки подключить к тормозным резисторам R_т1÷6, а обмотки возбуждения тяговых электродвигателей соединить последовательно и подключить к тяговой выпрямительной установке. Тормозное усилие регулируется плавно путем изменения магнитного потока возбуждения тягового синхронного генератора. В цепь обмоток возбуждения тяговых электродвигателей включен балластный резистор R_б.

При электровозной тяге генерируемая энергия может отдаваться обратно в контактную сеть (рекуперативное торможение). При тепловозной тяге полученная при торможении электрическая энергия практически вся рассеивается в виде тепла в тормозных резисторах.

Частично ее можно использовать для вспомогательных приводов, например, для питания мотор-вентиляторов (на рис. 9.1. МВ1 и МВ2), охлаждающих тормозные резисторы, для подзаряда аккумуляторных батарей и др.

Среди технических преимуществ электрического тормоза следует отметить плавность торможения, возможность удобного регулирования тормозного усилия, высокое быстродействие, независимость тормозных характеристик от влажности и температуры окружающего воздуха. Электрическое торможение позволяет рационально использовать пневматические тормоза, а значит, снизить износ тормозных колодок локомотива и вагонов.

:

Тяговые электродвигатели в тормозном режиме, также как и в тяговом, имеют ряд ограничений, которыми определяются пределы регулирования тормозных усилий В (рис. 9.2):

- ограничение по току возбуждения тяговых электродвигателей, которое определяется условиями нагревания обмотки главных полюсов (линия 1);

- ограничение по максимальному тормозному току, определяемое нагреванием тормозных резисторов, якорных обмоток и обмоток добавочных полюсов тяговых электродвигателей (линия 2);

- ограничение по коммутации (линия 3);

- ограничение по сцеплению колес локомотива с рельсами (линия 4).

9.2. Электрическое торможение в электрических передачах переменного тока

Требованиям, предъявляемым к электрическому тормозу тягового подвижного состава, наиболее полно отвечает способ торможения асинхронных тяговых двигателей при частотном управлении и независимом регулировании частоты и напряжения. При этом обеспечивается реализация всех основных тормозных характеристик локомотива: постоянства момента, мощности и скорости. Генерируемая асинхронными тяговыми двигателями активная энергия может быть возвращена в питающую сеть или направлена в тормозные сопротивления. Для автономных локомотивов, где нет возможности рекуперации генерируемой энергии, основным способом электрического торможения является реостатное.

Реостатное торможение может быть реализовано как при включенном источнике питания инвертора, так и в отсутствие его путем перевода асинхронных тяговых двигателей в генераторный режим с самовозбуждением. Автономность режима реостатного торможения повышает надежность тормозных средств и позволяет рассматривать этот способ, как один из наиболее перспективных способов электрического торможения локомотивов с короткозамкнутыми асинхронными тяговыми двигателями и статическими преобразователями частоты.

По условиям эксплуатации нельзя мгновенно перевести тяговую электрическую машину из двигательного режима в генераторный. Для предотвращения неблагоприятной продольной динамики в составе необходимо в течение некоторого времени использовать режим выбега. За это время имеется возможность выполнить необходимые переключения и подготовить систему управле­ния и статические преобразователи к работе в тормозном режиме.

При переводе асинхронного тягового двигателя в генераторный режим скорость вращения его вала ω_ад можно считать неизменной (ω_ад = const) вследствие большой инерционности поезда. Если торможение производится с заданным абсолютным скольжением ω_ад2 = const, то скорость вращения электромагнитного поля, создаваемого статорными обмотками ω_ад1 = (ω_ад - ω_ад2), также постоянна. Если же торможение осуществляется в режиме ω_ад1 = const, то абсолютное скольжение ω_ад2 = (ω_ад - ω_ад1) также является неизменным. Таким образом, в любом случае перевод асинхронного тягового двигателя в генераторный режим проис­ходит при условии ω_ад1 = const и ω_ад2 = const. Это означает, что регули­ровать тормозной момент в начальной стадии торможения можно толь­ко путем изменения напряжения U₁ (или тока I₁) статорных обмоток асинхрон­ного тягового двигателя, работающего в режиме генератора.

Рассмотрим регулировочные характеристики асинхронного тягового двигателя, работающего в режиме генератора, т.е. зависимости тока, момента, мощности и cos₁ от напряжения на ста­торе U₁ при условиях ω_ад1 = const и ω_ад2 = const (см. рис. 9.3).

По мере увеличения напряжения U₁ возрастает магнитный поток и в квадратичной зависимости увеличивается тормозной момент. В области большого насы­щения (за перегибом характеристики намагничивания) в результате существенного увеличения тока намагничивания происходит резкое возрастание тока статора I₁ и, как следствие, уменьшение cos₁ и сни­жение мощности по цепи статора: Р₁ = U₁ I₁ cos₁. В пределе при оп­ределенном значении напряжения U_1п происходит уменьшение cos₁ и мощности Р₁ до нуля, т.е. поступление активной энергии от асин­хронного тягового двигателя в режиме торможения прекращается.

Рис. 9.3. Регулировочные характеристики асинхронного тягового двигателя в режиме торможения в функции напряжения U₁

Отметим, что при ω_ад1 > ω_{ад1 nom} напряжение U_1п существенно больше номинального U_1ном.

Таким образом, зависимость Р₁ (U₁) нелинейна и состоит из двух ветвей – возрастающей и падающей. Максимальному значению мощности Р₁ (при заданных значениях ω_ад1 и ω_ад2) соответствует определен­ное граничное напряжение на статоре U_1гр. По­скольку приближенно можно считать, что магнитный поток Ф = U₁ / (С ω_ад1), то напряжение U_1гр пропорционально ω_ад1; напряжение U_1гр снижается при уменьшении частоты ω_ад1, т.е. при низких скоростях движения.

Большой практический интерес представляют регулировочные ха­рактеристики, приведенные к звену постоянного тока статического преобразователя, т.е. регулировочные характеристики асинхронного тягового двигателя в функции напряжения U_d (для автономного инвертора напряжения АИН, см. рис. 9.4, а) или в функции тока I_d (для автономного инвертора тока АИТ, см. рис. 9.4, б). Следует учесть, что для любого типа инвертора мощность в звене постоянного тока P_d рав­на мощности Р₁ (если пренебречь потерями в инверторе).

Как показывает анализ зависимостей, пред­ставленных на рис. 9.4, для фиксированных значений ω_ад1 и ω_ад2 имеют место: граничное значение входного напряжения U_гр в случае исполь­зования АИН, при котором достигаются максимальные ток I_d и мощ­ность P_d; граничное значение входного тока I_{d гр} в случае использо­вания АИТ, при котором достигаются максимальные напряжение U_d и мощность P_d.

Превышение значений U_rp и I_{d гр} приводит к уменьшению мощности P_d, при этом асинхронный тяговый двигатель работает в об­ласти большого насыщения, поэтому превышение значений U_гp или I_{d гр} должно быть исключено.

В начальной стадии торможения необходимо для предотвращения толчков и ударов плавно изменять тормозной момент асинхронного тягового двигателя, начиная с малых его значений. Для выполнения этого условия следует плавно уве­личивать напряжение U_d K_p (при использовании АИН) или ток I_d (при использовании АИТ).

Регулировочные характеристики асинхронного тягового двигателя целе­сообразно использовать при исследовании условий электрической устойчивости системы асинхронный генератор – преобразователь час­тоты, а также для расчета режимов реостатного, реостатно-рекуперативного и рекуперативного торможения с асинхронными тяговыми двигателями.

Располагая набором предварительно рассчитанных регулировоч­ных характеристик асинхронного генератора для различных фиксиро­ванных значений ω_ад1 и ω_ад2, можно определить режи­мы торможения. Рассмотрим реостатное и реостатно-рекуперативное торможение применительно к двум вариантам включения тормозных резисторов (рис. 9.5):

- три тормозных резистора включены последовательно с обмотками статора асинхронного тягового двигателя;

- один тормозной резистор вклю­чен в звено постоянного тока статического пре­образователя.

Рис. 9.4. Регулировочные характеристики асинхронного тягового двигателя в режиме торможения при использовании АИН (а) и АИТ (б)

Первый вариант включения тормоз­ных резисторов позволяет сущест­венно увеличить тормозную мощ­ность в зоне высоких скоростей без увеличения напряжения U_вых на выходе автономного инвертора, что является ценным достоинством такого варианта. В этом случае для расчета параметров тормозного резистора используем регулировоч­ную характеристику I₁(U₁) при фиксированных значениях ω_ад1 и ω_ад2 (см. рис. 9.3). На оси абсцисс наносим выходное напряжение инверто­ра U_вых и проводим прямую, пере­секающую характеристику I₁(U₁) в точке К, абсцисса которой равна заданному значению напряжения на обмотках статора U_1K, а ордината – току I_1K. Сопротивление резистора R = (U_1K - U_вых)/ I_1K, а его мощность P_R = I_1K(U_1K - U_вых). Используя набор регулировочных характеристик для фиксирован­ных значений абсолютного скольжения ω_ад2 и различных частот ω_ад1, име­ется возможность определить зависимость сопротивления резистора R от частоты тока статора ω_ад1 (или скорости торможения) при фиксиро­ванных значениях ω_ад2.

Рис. 9.5. Варианты установки тормозных резисторов: в цепи статора асинхронного тягового двигателя (а); в звене постоянного тока (б, в)

При U_вых ≈ 0 получаем режим чисто реостатного торможения, а при U_вых > 0 торможение является реостатно-рекуперативным, причем по характеристике P₁(I₁), проведя вертикальную прямую из точки U_1K до пересечения с кривой P₁(U₁), в точке Р_1К, можно найти мощность рекуперации, используя зависимость Р_1К = I_1K(U_1K - U_вых).

При условии R = 0 напряжение U_вых = U_1K и получаем режим чисто рекуперативного торможения, причем мощность равна Р_1К.

При втором варианте, т. е. при установке тормозного резистора в звене постоянного тока, следует использовать регулировочные харак­теристики в функции напряжения U_p (см. рис. 9.4, а) или в функции тока I_d (см. рис. 9.4, б). Из точки U_B = U_ПК_р (где U_П – напряжение питающего источни­ка, т.е. сети постоянного тока или ведомого сетью инвертора, см. рис. 9.4, а) проводим прямую, пересекающую кривую I_d(U_p) в точке К, абсцисса которой равна заданному значению напряжения U_pK, а ордината – току I_dK. Сопротивление резистора R = (U_pK - U_B)/ I_dK, а его мощность P_R = (U_pK - U_B) I_dK. Проведя из точки U_pK вертикальную прямую до пересечения с характеристикой P_d(U_p), определяем полную мощность торможения по звену постоянного то­ка. Мощность рекуперации равна разности Р_К – P_R. При U_B = 0 получаем режим чисто реостатного торможения, а при R = 0 – чисто рекуперативное торможение асинхронного генератора.

При использовании АИТ аналогичные построения выполняем на графике рис. 9.4, б. Задаем ток I_dK и проводим вертикальную пря­мую, которая пересекает характеристику U_d(I_d) в точке К . Абсцисса точки К равна заданному значению тока I_dK, а ордината - U_dК. На ось ординат наносим точку U_П, соответствующую напряжению источника питания (сети постоянного тока с учетом работы прерывателя или ведомого сетью инвертора). Сопротивление резистора R = (U_dК - U_П)/ I_dK, а его мощность P_R = (U_dК - U_П)/ I_dK.

Проведя из точки I_dK вертикальную прямую до пересечения с характеристикой P_d(I_d) находим полную мощность торможения P_dK, по звену постоянного тока, причем мощность рекуперации равна P_dK – P_R. В случае U_П ≈ 0 имеем режим чисто реостатного торможения, а при R = 0 – режим чисто рекуперативного торможения.

Используя набор регулировочных характеристик, аналогичных представленным на рис. 9.4, а и б и рассчитанных для различных фик­сированных значений ω_ад1 и ω_ад2 имеется возможность определить характер изменения сопротивления резисторов (при реостатном и реостатно-реку­перативном торможении) или же закон изменения питающего напряже­ния (при рекуперативном или реостатно-рекуперативном торможении) в функции изменения частоты статора ω_ад1 или скорости локомотива.

На локомотивах с асинхронными тяговыми двигателями применяется реостатно-рекуперативное торможение с включением тормозного резистора R параллель­но входу инвертора через ключ VS (рис. 9.5, в). Разделительный диод VD исключает протекание тока в резистор со стороны питающего ис­точника. Для ограничения пульсаций тока на входе инвертора уста­навливают сглаживающий реактор. При подаче сигнала управления на ключ VS ток в резистор R поступает только в том случае, если вы­полняется условие U_R = RI_d < U_П, т. е. если падение напряжения на резисторе меньше напряжения питающего источника.

Для расчета режимов рекуперативного и реостатного торможения в рассматриваемой схеме следует использовать регулировочные ха­рактеристики асинхронного двигателя в функции тока I_d (см. рис. 9.4, б) и иметь в виду, что при проводящем состоянии ключа VS имеет место режим реостатного, а при закрытом состоянии ключа – режим рекуперативного торможения асинхронного тягового двигателя.

В качестве примера на рис. 9.6 показана силовая схема тепловоза DE 2500. Здесь ведущую сеть обеспечивает звено постоянного тока и инвертор, причем частота должна быть ниже наводимой ротором. Поскольку генератор с приводом от теплового двигателя не может потреблять энергию торможения, для рассеяния ее параллельно контуру постоянного тока включается тормозное сопротивление.

Переход от тягового режима к тормозному заключается в следующем. При выключенных тормозных сопротивлениях подается небольшой величины напряжение в контур постоянного тока и включается инвертор. Это напряжение резко возрастает при переходе двигателя в генераторный режим, тяговый генератор отключается обратно смещенным выпрямителем. Величина напряжения контура постоянного тока регулируется путем поддержания соответствующей частоты инвертором. Затем включается неизменное тормозное сопротивление. Регулирование тормозного усилия обеспечивается изменением напряжения.

Рис. 9.6. Общая схема тепловоза DE 2500: 1 – асинхронный тяговый двигатель, 2 – автономный инвертор, 3 – тяговая выпрямительная установка, 4 – тяговый синхронный генератор, 5 – дизель, 6 - тормозные сопротивления, 7 – инвертор отопления поезда, 8 – шины отопления

При снижении скорости напряжение в промежуточном контуре также уменьшается, но лишь до уровня напряжения тягового генератора, которое сохраняется постоянным и дает возможность получить постоянное тормозное усилие вплоть до полной остановки.

ПЕРЕЧЕНЬ ОБОЗНАЧЕНИЙ ОСНОВНЫХ ВЕЛИЧИН

D_дк – диаметр движущих колес локомотива

F_к – касательная сила тяги локомотива

f_ад – частота напряжения питания статорной обмотки асинхронного тягового двигателя

f_аг – частота напряжения статорных обмоток асинхронного тягового генератора

f_г – частота напряжения тягового синхронного генератора

f_и – частота напряжения инвертора

f_р – частота напряжения питания обмотки фазного ротора асинхронного тягового двигателя

I_вг – ток возбуждения тягового генератора (тягового синхронного генератора)

I_г – ток тягового генератора (тягового синхронного генератора)

М_д – вращающий момент на валу дизеля

М_дк – вращающий момент на валу движущих колес локомотива

m – масса локомотива

N_д – мощность дизеля

N_к – касательная мощность локомотива

Р_аг – активная мощность асинхронного тягового генератора

Р_{в аг} – мощность, подведенная к обмотке ротора асинхронного тягового генератора

Р_{м аг} – электромагнитная мощность асинхронного тягового двигателя

Р_ад – активная мощность асинхронного тягового генератора

Р_г – мощность тягового генератора (тягового синхронного генератора)

Р_сц – сцепной вес локомотива

р_г – число пар полюсов статорной обмотки тягового синхронного генератора

р_ад – число пар полюсов статорной обмотки асинхронного тягового двигателя

Q_р – реактивная мощность

S – скольжение асинхронного тягового двигателя (асинхронного тягового генератора)

U_г – напряжение тягового генератора (тягового синхронного генератора)

U_аг – напряжение асинхронного тягового генератора

V – скорость движения локомотива

α_р – угол сдвига роторных обмоток асинхронного тягового двигателя

δ – удельный массовый показатель тяговых электрических машин

μ_р – передаточное отношение тягового редуктора

η_п – КПД передачи

η_мп – КПД механической передачи

η_гп – КПД гидравлической передачи

η_эп – КПД электрической передачи

η_р – КПД тягового редуктора

ψ_сц – расчетный коэффициент сцепления движущих колес локомотива с рельсами

ω_ад – скорость вращения вала асинхронного тягового двигателя

ω_д – скорость вращения вала дизеля

ω_дк – скорость вращения движущих колес локомотива

ω_г – скорость вращения вала тягового генератора (тягового синхронного генератора)

ω_{в аг} – скорость вращения магнитного поля, создаваемого током ротора асинхронного тягового генератора

ω_{р аг} – скорость вращения ротора асинхронного тягового генератора

ω_{м аг} – скорость вращения магнитного поля, создаваемого током ротора, относительно статорных обмоток асинхронного тягового генератора