Электрическое торможение

На электровозах переменного тока может быть применено как рекуперативное, так и реостатное электрическое торможение. Использование рекуперативного торможения стало возможным после создания управляемых вентилей, в том числе и полупроводниковых. Полупроводниковые силовые управляемые вентили называют тиристорами.

В тиристорах можно задерживать на любое время начало прохождения прямого тока через вентиль, т. е. открытие тиристора при подаче прямого напряжения. Чтобы открыть тиристор, на его дополнительный управляющий электрод подают положительный потенциал. Но после того, как тиристор открылся, он становится неуправляемым и, используя управляющий электрод, нельзя прервать ток через вентиль.

При рекуперации на электровозах переменного тока, как и на электровозах постоянного тока, тяговые двигатели работают в генераторном режиме, преобразуя кинетическую и потенциальную энергию поезда в электрическую постоянного тока. Чтобы передать эту энергию в контактную сеть, ее необходимо преобразовать в электрическую энергию переменного тока. Этот процесс называется инвертированием. Если выпрямительную установку электровоза переменного тока собрать из тиристоров, она может быть использована и как инвертор. Инвертирование, как и выпрямление, осуществляют по различным схемам (см. рис. 61 и 62).

Объясним принцип инвертирования на примере мостовой схемы (рис. 68, а). Для осуществления рекуперации тяговые двигатели переводят в генераторный режим с независимым возбуждением. Одновременно изменяют полярность щеток двигателей, для того чтобы направление генерируемого тока соответствовало направлению прямой проводимости тиристоров. Сделать это нетрудно, установив соответствующее направление тока в обмотках возбуждения двигателей.

Рис. 68. Принципиальная схема инвертора

Напряжение от тяговых двигателей, работающих в генераторном режиме, подводится к инверторной установке, плечи которой соединены по схеме моста. В диагональ моста включена вторичная обмотка тягового трансформатора.

Для того чтобы электрическую энергию передать в контактную сеть, необходимо прежде всего обеспечить прохождение тока двигателя, работающего в режиме генератора, через вторичную обмотку Н2 - К2. Ток в ней должен быть направлен встречно по отношению к напряжению, индуктированному в этой обмотке. Предположим, что в первый полупериод напряжение во вторичной обмотке действует слева направо, тогда генерируемый ток должен проходить справа налево. Для этого нужно отпереть вентили 2, 4. В следующий полупериод нужно отпереть вентили 1, 3 и т. д. Так как частота тока в контактной сети равна 50 Гц, то в течение 1 с нужно 100 раз менять направление тока в обмотке Н2 - К2. Кроме того, необходимо, чтобы напряжение, индуктируемое в первичной обмотке трансформатора, было бы несколько выше напряжения в контактной сети. Только при этом ток из первичной обмотки трансформатора пойдет в контактную сеть.

Укажем на одну очень важную особенность инвертирования. Как уже было сказано, тиристор запереть при прохождении через него тока нельзя. Поэтому, если, допустим, были отперты вентили 1 и 3, а затем в начале следующего полупериода будут отперты вентили 2 и 4, то образуются две короткозамкнутые цепи: через вентили 1, 4, и 2, 3. Не вдаваясь в физическую суть процесса, отметим лишь, что во избежание короткого замыкания необходимо подать импульс, отпирающий вентили 2, 4 до того момента, в который изменяющееся синусоидально напряжение во вторичной обмотке достигнет нулевого значения (рис. 68, б). Угол β, отсчитываемый от момента отпирания вентилей 2, 4 в нашем примере, до момента, в который напряжение u₂ становится равным нулю, называют углом опережения отпирания вентилей. В следующий полупериод должны быть отперты с тем же углом опережения вентили 1, 3 и т. д.

Процесс инвертирования значительно сложнее выпрямления и возможность возникновения аварийных ситуаций больше; запаздывание отпирания может привести к короткому замыканию в цепи.

Новочеркасский электровозостроительный завод выпустил несколько восьмиосных электровозов переменного тока с рекуперативным торможением ВЛ80^Р. Образцы этих электровозов демонстрировались на международных выставках "Электро-77" в Москве и "Железнодорожный транспорт-77" на станции Щербинка Московской дороги.

На электровозе ВЛ80^Р установлено четыре выпрямительно-инверторных преобразователя, предназначенных для выпрямления переменного тока в постоянный в тяговом режиме работы электровоза и преобразования тока в переменный в режиме рекуперации. Каждый выпрямительно-инверторный преобразователь соединен с двумя тяговыми двигателями, включенными параллельно. Испытания показали, что возврат электрической энергии в контактную сеть на участках с уклонами до 9% при рекуперации составил более 14% от электроэнергии, расходуемой в тяговом режиме.

Реостатное торможение на электровозах переменного тока может быть осуществлено по тем же схемам, что и на электровозах постоянного тока.

На электровозах серии ВЛ80^Т осуществляют реостатное торможение, применяя независимое возбуждение тяговых двигателей (рис. 69). Чтобы переключить силовые цепи электровоза из режима тяги в режим электрического торможения и наоборот, предварительно ее отключают от контактной сети тормозными переключателями и контакторами (на рис. 64 и 69 контакты переключающих аппаратов не показаны). Якоря всех тяговых двигателей отключают от обмоток возбуждения и включают на отдельные тормозные резисторы Р. Обмотки возбуждения всех двигателей соединяются последовательно.

Рис. 69. Упрощенная схема реостатного торможения электровоза ВЛ80^Т

К обмоткам возбуждения тяговых двигателей подключают два блока выпрямительной установки возбуждения ВУВ, работающих поочередно и предназначенных для выпрямления и плавного регулирования тока в обмотках возбуждения. Выпрямительные установки питаются от части вторичной обмотки тягового трансформатора в первой секции электровоза (первой считается та секция, на которой установлен главный выключатель).

Выпрямительные установки включены по схеме двухполупериодного выпрямления с нулевой точкой (см. рис. 62, а). Последовательное соединение восьми обмоток возбуждения обеспечивает равенство потоков возбуждения всех тяговых двигателей, что способствует равномерному распределению нагрузок между двигателями при торможении. Выпрямленное напряжение плавно регулируется, что обеспечивается изменением момента открытия тиристоров ВУВ с помощью системы автоматики, позволяющей регулировать ток возбуждения тяговых двигателей, работающих в генераторном режиме. В зоне низких скоростей для более полного использования возможностей реостатного торможения уменьшают сопротивления тормозных резисторов, включая контакторы 1.