Электрическое торможение

Двигатели постоянного тока, в том числе и тяговые, как уже было отмечено, обладают свойством обратимости, т. е. могут работать как генераторы. При этом кинетическая и потенциальная энергия поезда преобразуются в электрическую.

Получаемая энергия превращается в тепловую в резисторах или возвращается в контактную сеть. В зависимости от этого различают два вида электрического торможения: реостатное и рекуперативное.

При реостатном торможении тяговые двигатели отключают от контактной сети и включают на тормозные резисторы, в качестве которых используют секции пускового реостата. Применяют две системы реостатного торможения: с последовательным самовозбуждением двигателей и с независимым возбуждением. В первом способе обмотки возбуждения соединены последовательно с обмотками их якорей, но начало и конец каждой пары обмоток двух тяговых двигателей меняют местами с помощью контактов реверсора. Это необходимо, так как в генераторном режиме ток по обмоткам якоря и обмоткам возбуждения проходит в направлении, противоположном его направлению в двигательном режиме.

Известно, что сталь после прекращения ее намагничивания обладает остаточным магнетизмом, который исчезнет при противоположном направлении тока в обмотках возбуждения, из-за чего может нарушиться самовозбуждение двигателей.

Во время реостатного торможения каждую группу, например, из двух тяговых двигателей, соединенных последовательно, можно включить на отдельный тормозной резистор (рис. 45). Если в режиме тяги были замкнуты контакты реверсора Вn, то перед переходом на реостатное торможение они размыкаются и замыкаются контакты Наз. При этом тормозной ток I_т намагничивает машины, их общая э. д. с. увеличивается. В результате увеличивается ток I_Т до некоторого значения, определяемого скоростью движения и сопротивлением тормозного реостата r_т. Тормозную силу регулируют, изменяя ток I_т путем включения или выключения секций тормозного реостата с помощью контакторов (на рис. 45 они не показаны).

Рис. 45. Схема реостатного торможения при включении группы тяговых двигателей на отдельный тормозной реостат

Можно осуществить реостатное торможение, включив две группы тяговых двигателей на тормозной реостат и применив перекрестное включение обмоток возбуждения (рис. 46, а). Для этого отключают контакты 1 и 2 и замыкают контакты 3, 4. Если по какой-либо причине э. д. с. двигателей I, II, а следовательно, и ток I_I,II будет больше, чем э. д. с. E_III,IV двигателей III, IV, ток в обмотках возбуждения двигателей III, IV будет возрастать, пока э. д. с. двигателей I, II, и III, IV не уравновесятся.

Рис. 46. Схема реостатного торможения с общим тормозным реостатом при перекрестном (а) и циклическом (б) включении обмоток возбуждения

На шестиосных электровозах в режиме реостатного торможения обмотки двигателей включают по циклической схеме (рис. 46, б). При этом увеличение тока, например, в обмотках якорей двигателей I, II вызовет увеличение его в их обмотках возбуждения, а следовательно, повышение э. д. с. в двух других цепях двигателей. В результате э. д. с. во всех трех параллельных цепях станут равными.

На рис. 46 для упрощения не показаны контакты реверсоров, переключающие обмотки возбуждения при переходе на реостатное торможение. Подразумевается такое включение обмоток, при котором их потоки не размагничивают машины. Реостатное торможение можно также осуществить, применив независимое возбуждение обмоток тяговых двигателей от специального источника тока. В этом случае тормозную силу регулируют, изменяя магнитный поток двигателей путем изменения напряжения источника тока.

В случае рекуперативного торможения электрическая энергия, возвращаемая в контактную сеть рекуперирующим электровозом, потребляется электровозами, находящимися с ним на одном участке и работающими в тяговом режиме. Если потребителей нет или необходимая им энергия меньше рекуперируемой электровозом, то так называемая избыточная энергия рекуперации через устанавливаемые на тяговой подстанции специальные устройства - инверторы, преобразующие постоянный ток в переменный трехфазный, - направляется в энергосистему. На электрифицированных участках с очень интенсивным движением, где, как правило, почти вся рекуперируемая энергия потребляется электровозами или электропоездами, работающими в режиме тяги, иногда вместо инверторов устанавливают поглощающие резисторы. Эти резисторы автоматически включаются при наличии избыточной энергии рекуперации.

Применение рекуперации дает большой эффект. На отдельных участках с крутыми спусками может быть сэкономлено до 20% электрической энергии, затрачиваемой на тягу поездов. Но выгоды, получаемые благодаря электрическому торможению, этим не ограничиваются. Когда поезд следует по крутому спуску, для того чтобы его скорость не превысила допустимую, обычно локомотив и состав периодически подтормаживают пневматическими тормозами.

В результате скорость движения поезда уменьшается, а затем вновь возрастает. Все время притормаживать поезд нельзя, так как истощается пневматическая тормозная система, снижается коэффициент трения колодок вследствие их нагревания. Следовательно, средняя скорость следования по спуску будет ниже допустимой.

Тормозной эффект, создаваемый тяговыми двигателями, работающими в генераторном режиме, может обеспечить на спуске постоянную скорость, близкую к допустимой, зависящей от состояния пути, конструкции электровозов, вагонов, контактной сети. Кроме того, к контактной сети при рекуперации подключается дополнительный источник энергии, напряжение в ней стабилизируется и другие электровозы на этом участке, следующие по подъему или площадке, могут развивать более высокую скорость.

Благодаря электрическому торможению также значительно уменьшается износ тормозных колодок и колес подвижного состава, в результате чего намного снижаются расход металла и затраты на ремонт колесных пар.

Напомним, что для перехода двигателя из тягового режима в генераторный необходимо, чтобы э. д. с., индуктируемая в обмотке якоря, стала больше приложенного напряжения, т. е. напряжения в контактной сети. Но двигатель с последовательным возбуждением не может перейти в режим генератора, потому что магнитный поток возбуждения в нем резко падает с уменьшением нагрузки, и индуктируемая э. д. с. в обмотке якоря не может стать выше напряжения в сети.

Для того чтобы осуществить рекуперативное торможение, необходимо обмотки возбуждения отключить от обмоток якорей и питать от постороннего источника энергии, например от специального генератора возбудителя В (рис. 47, а). В этом случае можно установить в обмотках возбуждения такой ток, при котором э. д. с. в обмотках якорей тяговых двигателей станет больше напряжения в контактной сети. Если скорость движения поезда уменьшится, в результате чего могла бы снизиться э. д. с. двигателей, работающих в режиме генераторов, то достаточно увеличить ток возбуждения I_B, чтобы поддержать необходимую э. д. с., а значит тормозной момент, создаваемый двигателями. Для этого регулируют ток I_ВB в независимой обмотке возбуждения возбудителя В с помощью реостата r. Якорь возбудителя приводится во вращение двигателем ДВ.

Рис. 47. Схема цепей рекуперативного торможения с независимым возбуждением тяговых двигателей со стабилизирующим резистором (а) и с противовозбуждением возбудителя (б)

Однако цепь, показанную на рис. 47, а, практически использовать нельзя, так как она работает неустойчиво. Предположим, что в контактной сети по какой-либо причине напряжение увеличилось, тогда ток в якоре тягового двигателя, работающего в этот момент в режиме генератора, изменит направление, и двигатель автоматически перейдет в тяговый режим. Вместо того, чтобы тормозить поезд, двигатель будет разгонять его. При понижении напряжения, наоборот, ток рекуперации резко увеличится, тормозной момент возрастет, и в поезде возникнут сильные толчки вследствие набегания хвостовых вагонов.

Резкие изменения тока рекуперации объясняются следующим. Сила тока рекуперирующих двигателей определяется разностью суммарной э. д. с. последовательно соединенных машин и напряжения в контактной сети, деленной на сопротивление обмоток машин. Общее сопротивление обмоток машин, даже соединенных последовательно, как уже отмечалось выше, мало. Поэтому даже относительно небольшие резкие изменения разности суммарной э. д. с. и напряжения сети вызывают большие броски тока.

Напряжение в контактной сети часто колеблется хотя бы потому, что от нее в разные периоды питается неодинаковое количество электровозов и электропоездов, да и потребляемая ими мощность меняется в очень широких пределах. Следовательно, при допустимых нормами колебаниях напряжения в контактной сети должен автоматически поддерживаться примерно один и тот же ток рекуперации, а значит и тормозной момент, установленный в зависимости от условий движения поезда.

Предложено несколько схем, обеспечивающих поставленное условие. Так, на восьмиосных электровозах рекуперативное торможение осуществляется с использованием противовозбуждения возбудителя (рис. 47, б). Для осуществления рекуперации обмотки возбуждения тяговых двигателей подключают к якорю возбудителя В. Возбудитель имеет две обмотки: независимую, питающуюся от постороннего источника энергии, и обмотку, включенную последовательно в цепь тока рекуперации. Магнитные потоки обеих обмоток, создаваемые соответственно токами I_р и I_вв, направлены встречно. С увеличением тока рекуперации в случае уменьшения напряжения в контактной сети обмотка противовозбуждения, включенная последовательно в цепь якоря, снижает результирующий магнитный поток возбуждения возбудителя. Соответственно уменьшается возбуждение генератора (тягового двигателя) и его э. д. с. С повышением напряжения в контактной сети ток рекуперации уменьшается и все процессы в возбудителе происходят в обратном порядке. При рекуперативном торможении с использованием противовозбуждения обмотки возбуждения двигателей включают так же, как и при реостатном торможении, по перекрестной схеме. Это позволяет выравнивать токи в параллельных цепях якорей двигателей в случае повышения э. д. с. в одной из них.

На шестиосных электровозах серии ВЛ22^М рекуперативное торможение осуществляется по схеме со стабилизирующими резисторами. На современных электровозах такая схема не используется, так как она неэкономична.

В зависимости от скорости движения поезда рекуперативное торможение применяют на трех соединениях якорей тяговых двигателей. Если скорость движения большая, используют параллельное соединение. В случае малой скорости движения получить большую э. д. с. машин невозможно и тогда применяют последовательно-параллельное или последовательное соединение.

Необходимые переключения в силовой цепи для перехода в рекуперативный режим производят тормозным переключателем. По устройству тормозной переключатель аналогичен реверсору. Как и реверсоры, тормозные переключатели могут быть барабанными и кулачковыми (см. рис. 43 и 44). На электровозах ВЛ8 и ВЛ10 устанавливают по два кулачковых тормозных переключателя, а на электровозах ВЛ22^М - один барабанный.