Как отмечалось ранее, электрические системы торможения локомотивов подразделяются на электродинамические и электромагнитные рельсовые (см. рис. 1).
При электродинамическом торможении энергия движущегося поезда в тяговых электродвигателях локомотива преобразуется в электрическую. В этом случае электродвигатели работают в генераторном режиме и вырабатывают электрический ток. При реостатной системе торможения, которой оборудуются тепловозы с электрической передачей и электровозы, электрическая энергия поглощается тормозными резисторами, преобразуется в них в тепловую энергию и рассеивается в окружающую среду. При рекуперативной системе торможения, которой оборудованы многие единицы электроподвижного состава (э.п.с.), электрическая энергия возвращается в контактную сеть. На отдельных сериях электропоездов постоянного тока применяют системы комбинированного (рекуперативно-реостатного) торможения. Этот вид электрического торможения локомотивом характерен тем, что с изменением (уменьшением) скорости движения последовательно применяют вначале рекуперативное, а затем и реостатное торможение.
Применение электродинамического торможения локомотивов позволяет:
- уменьшить износ тормозных колодок и бандажей колесных пар;
- повысить безопасность движения поездов вследствие наличия на локомотивах дополнительной (электрической) системы торможения;
- повысить скорости движения поездов на затяжных спусках;
- уменьшить затраты на содержание основной (механической) системы торможения;
- применить автоматическое регулирование режимов торможения, что дает наибольший эффект в поездах метрополитена и пригородного сообщения, а также при высокоскоростном движении.
Основным недостатком электродинамического торможения является реализация тормозного эффекта только движущимися осями локомотивов или дизель- и электропоездов.
Применение подобных систем торможения на подвижном составе также связано с ростом температуры нагрева обмоток тяговых электрических машин и увеличением веса локомотивов из-за применения специальных тормозных реостатов; усложняются электрооборудование и системы управления работой силового оборудования электроподвижного состава.
Электродинамическое торможение локомотивов является вспомогательным тормозом и применяется наряду с колесно-колодочным тормозом и другими системами торможения.
При реостатном торможении для обеспечения генераторного режима работы тяговых электродвигателей (ТЭД) локомотива применяют системы независимого возбуждения или самовозбуждения.
Рис. 16. принципиальная схема реостатного торможения при независимом возбуждении тяговых электродвигателей тепловоза
На тепловозах с электропередачами, оборудованных системами электрического реостатного торможения (ТЭМ2, 2ТЭ116, ТЭП70, ТЭП80, 2ТЭ121 и др.), применяют системы независимого возбуждения ТЭД при их работе в генераторном режиме. Питание обмоток независимого возбуждения двигателей при электрическом торможении осуществляется от тягового генератора тепловоза.
Регулирование величины тормозной силы производится, в основном, регулированием напряжения тягового генератора, подаваемого на обмотку возбуждения ТЭД и, соответственно, величины магнитного потока двигателей (рис. 16).
В свою очередь напряжение тягового генератора при постоянной частоте вращения коленчатого вала дизеля тепловоза nе=const регулируется током обмотки возбуждения самого генератора.
Тормозную силу локомотива также можно регулировать изменением общего сопротивления RT тормозных резисторов. Такой способ применяют на маневровых тепловозах ТЭМ2, оборудованных электрическим тормозом.
У равнение электрического равновесия при реостатном торможении имеет вид
(4.36)
откуда скорость движения локомотива при электрическом реостатном торможении
(4.37)
где rя — сопротивление обмоток якоря ТЭД; RT — сопротивление тормозного резистора, отнесенное к одному ТЭД; I — сила тока в цепи якоря ТЭД; Ф — магнитный поток.
Системами независимого возбуждения тяговых электродвигателей при реостатном торможении оборудованы также отдельные серии электровозов переменно-постоянного тока (ВЛ80Т, ВЛ80С, ЧС4Т и др.). Питание обмоток возбуждения возбудителя на этих сериях локомотивов осуществляется через специальную выпрямительную установку с тиристорным управлением от отдельной обмотки тягового трансформатора электровоза.
Реостатное торможение
Реостатное торможение при последовательном возбуждении тяговых электродвигателей, т.е. с их самовозбуждением, широко используется на электроподвижном составе постоянного тока. При торможении тяговые электродвигатели электровоза отключают от контактной сети и замыкают на тормозные резисторы RT (рис. 17, б, в). Переход тяговой машины электровоза в генераторный режим происходит благодаря сохранившемуся в ней магнитному потоку (остаточному магнетизму).
Рис. 17. Принципиальные схемы соединений обмоток якоря Я-ЯЯ и возбуждения К-КК двигателей электровоза при режимах работы: а — тяговом; б и в- реостатного торможения при самовозбуждении двигателей
Для сохранения магнитного потока и, соответственно, величины тормозной силы при реостатном торможении необходимо сохранить направление тока возбуждения iв в обмотке возбуждения К-КК (как при тяговом режиме ТЭД, показанном на рис. 17, а). Одновременно для перевода ТЭД в генераторный режим необходимо изменить направление тока якоря на противоположное. При реостатном торможении э.п.с. с самовозбуждением тяговых машин переключают либо концы Я и ЯЯ обмотки якоря ТЭД (рис. 17, б), либо К и КК обмотки возбуждения (рис. 17, в).
Реостатное торможение при последовательном возбуждении тяговых электродвигателей отличают: относительная простота устройства и независимость от работы контактной сети. К недостаткам этого вида электрического торможения э.п.с. следует отнести заметную задержку начала эффективного торможения, т.к. в начальный период работы (1 — 2 с) остаточный магнетизм в магнитной системе ТЭД невелик.
Физическая природа образования тормозной силы Вт при электрическом реостатном торможении локомотивов та же, что и при создании касательной силы тяги локомотивов с электрическим приводом колесных пар. Основные различия состоят в том, что потери энергии в электрической передаче тепловоза или ТЭД электровозов увеличивают значение тормозной силы и тормозной эффект, т.к. электромагнитная сила при торможении, равная 3,6сФI, направлена в сторону, противоположную движению локомотива вследствие того, что ток якоря ТЭД поменял направление по сравнению с тяговым режимом (см. рис. 17).
Тормозная сила, создаваемая электродвигателями локомотива при взаимодействии колес с рельсами, кН:
(4.38)
где ntэд — число тяговых электродвигателей; ∆В — механические и магнитные потери в электрической передаче локомотива, кН:
(4.39)
где ∆Рмех — механические потери в тяговых электрических машинах локомотива, кВт; ∆Rмагн — потери в магнитной системе тяговых электрических машин, кВт; ∆Rm — потери в тяговом приводе колесных пар локомотива, кВт; V — скорость движения в режиме торможения, км/ч.
Тормозные характеристики локомотива, оборудованного реостатной системой торможения, т.е. зависимости Вт =f( V), можно построить, используя уравнения (4.37) и (4.38).
На рис. 18 приведены токовые характеристики реостатного торможения с самовозбуждением тяговых электродвигателей при различных сопротивлениях тормозного реостата RT. Изменяя сопротивление (ступени) Rт1,..., Rт7 тормозного реостата, регулируют силу тока на тяговом электродвигателе и, соответственно, значение тормозной силы Bт(см. уравнение 4.38)
Зависимость тормозной силы Βτ от силы тока тягового двигателя Iтэд приведена на рис. 19, здесь же показана кривая изменения электромагнитной силы Fтэд, которая в зависимости от направления тока Iтэд обеспечивает создание либо тормозного момента, либо силы тяги при взаимодействии колесной пары с рельсами.
Рис. 18. Токовые характеристики реостатного торможения локомотивов при самовозбуждении ТЭД с ограничениями: 1 — по силе сцепления; 2 — по максимально допустимой силе тока; 3 — по допустимому напряжению; 4 — по максимальной скорости движения
Рис. 19. Зависимости тормозной силы Вт и электромагнитной силы Fтэд двигателей локомотива от силы тока ТЭД
Разницу между характеристиками BT=f (Iтэд) и Fтэд=f(Iтэд) составляют механические и магнитные потери ∆В в электрической передаче локомотива.
На рис. 20 приведены тормозные характеристики реостатного торможения локомотивов с самовозбуждением тяговых машин. Штриховыми линиями на рис. 20 показаны ограничения тормозной силы Вт локомотива: 1 — по силе сцепления колес с рельсами; 2 — по максимальной силе тока ТЭД; 3 — по допустимому напряжению ТЭД; 4 — по максимальной скорости движения;
Необходимо отметить, что одновременное применение электрической и колесно-колодочной тормозных систем на подвижном составе не допускается из-за возможной блокировки колесных пар локомотива и образования юза.
Рис. 20. Тормозные характеристики локомотива, оборудованного реостатным тормозом, с ограничениями:1 — по силе сцепления (юзу); 2 — по максимально допустимой силе тока; 3 — по допустимому напряжению; 4 — по максимальной скорости движения