Рекуперативное торможение применяется на железных дорогах для поддержания постоянной скорости э.п.с. на затяжных спусках с уклонами круче -4...6 %о, а также для снижения их скорости движения. Регулирование скорости движения поезда при рекуперативном торможении может быть осуществлено такими же способами, как и при тяговом режиме работы локомотива (см. раздел 2.7): изменением магнитного потока или схемы соединения тяговых электродвигателей; введением в силовую цепь э.п.с. резисторов и т.д.
Одним из основных условий для реализации рекуперативного торможения является превышение э.д.с. Е тяговой машины (ТЭД) над подведенным от контактной сети напряжением UKC, т.е. Е > UKC. Только в этом случае обеспечивается движение электрической энергии от локомотива в контактную сеть. Также рекуперативное торможение невозможно при отсутствии потребителей энергии контактной сети (других локомотивов).
Другими словами, на участках постоянного тока при движении поезда на спуске применение рекуперативного торможения электровозом возможно при условии, что одновременно навстречу движется поезд, ведомый электровозом в режиме тяги. Теоретически можно оборудовать тяговые подстанции постоянного тока инверторами, преобразующими постоянный ток в переменный, и передавать электрическую энергию другим потребителям.
Рекуперативное торможение на тепловозах с электрической передачей не применяют из-за отсутствия энергоемких аккумуляторов относительно небольших габаритных размеров и веса.
К недостаткам рекуперативного торможения также следует отнести то, что возможностью работы тягового электродвигателя в рекуперативном режиме обладают только тяговые машины постоянного тока с параллельным или независимым возбуждением. В этой связи на отечественных электровозах применяют систему рекуперативного торможения с противовозбуждением возбудителя, т.е. дополнительно устанавливают специальные генераторы-возбудители и используют специальные электрические схемы. Принципиальная схема такой системы рекуперативного торможения для одного тягового электродвигателя электровоза приведена на рис. 21.
Рис. 21. Принципиальная схема включения тяговых электродвигателей электровоза при рекуперации с противовозбуждением
Независимая обмотка возбуждения В-ВВ тягового электродвигателя питается от специального возбудителя-генератора В, имеющего в качестве привода электродвигатель постоянного тока. На каждом полюсе возбудителя В имеются две обмотки: независимого возбуждения возбудителя НВ — НВВ и противовозбуждения ПВ — ПВВ, по которой проходит ток, вырабатываемый тяговой машиной при рекуперации. Обмотки возбуждения возбудителя включены встречно, тем самым при неизменном токе от цепи управления э.п.с. магнитный поток возбудителя с ростом тока рекуперации уменьшается. В результате получают мягкие характеристики тяговых электродвигателей при работе электровоза в режиме рекуперации электроэнергии.
Система рекуперативного торможения с противовозбуждением возбудителя применена на электровозах ВЛ10, ВЛ10У, ВЛ11 и на электропоездах ЭР22.
Тяговые расчеты для электроподвижного состава должны производиться с учетом наибольшего использования рекуперативного торможения в пределах, ограничиваемых тормозными характеристиками.
Тормозные характеристики BT=f(V) э.п.с. рассчитывают с помощью характеристик тягового электродвигателя и генератора-возбудителя. Тормозные характеристики отечественных электровозов и электропоездов при рекуперативном торможении приведены в приложении 4 1 I I P. На тормозных характеристиках при рекуперативном торможении наносят ограничения: по силе тока якоря, по силе сцепления колес с рельсами, максимальному отношению тока якоря к току возбуждения для всех позиций тормозной рукоятки контроллера машиниста.
Скорость движения электровозов и электропоездов в режиме рекуперации регулируется теми же способами, что и в тяговом режиме; изменением схемы соединения ТЭД С-СП-П; изменением магнитного потока ТЭД и введением в силовую цепь резисторов.
На моторных вагонах электропоездов постоянного тока ЭР2Р, ЭР2Т, ЭР2, ЭД2Т, ЭД4, ЭД4М применена рекуперативно-реостатная система торможения.
Образование тормозной силы и электрическое торможение движущегося электропоезда начинается с включением реостатного тормоза при независимом возбуждении тяговых электродвигателей моторных вагонов. В результате работы системы автоматического управления электрическим торможением (САУТ) увеличиваются значения магнитного потока Ф и ЭДС четырех последовательно включенных тяговых электродвигателей каждого моторного вагона поезда. При достижении
величины суммарной ЭДС этих электродвигателей вагона напряжения контактной сети САУТ обеспечивает автоматический переход с реостатной системы на рекуперативное торможение электропоезда при независимом возбуждении ТЭД.
При снижении скорости электропоезда до 40 — 50 км/ч или при отсутствии на линии потребителей рекуперируемой электроэнергии в автоматическом режиме происходит переключение с рекуперативного на реостатное торможение с самовозбуждением ТЭД. В зоне малых скоростей (9 км/ч и менее) происходит автоматический переход на основной электропневматический или пневматический тормоз вплоть до полной остановки электропоезда, так как реостатное торможение не обеспечивает создание тормозной силы, достаточной для остановки электропоезда.
Электромагнитные рельсовые тормоза. Тормозная сила, развиваемая в электромагнитных рельсовых тормозах, не ограничена сцеплением колес с рельсами. Тормозной эффект достигается за счет силы электромагнитного притяжения к рельсам специальных стальных тормозных башмаков (см. рис. 2), на пружинах подвешенных к боковым балкам рамы тележки локомотива. Тормозные башмаки имеют направляющие, обеспечивающие их вертикальное перемещение относительно боковин рамы тележки, и обмотки возбуждения. Вертикальные перемещения тормозных башмаков на расстояния 15 — 20 мм до головки рельса осуществляются с помощью пневматических цилиндров, расположенных на раме тележки. При питании обмоток возбуждения башмаков током от аккумуляторной батареи создается магнитный поток, охватывающий сердечник тормозного башмака и рельс — башмаки притягиваются к рельсам и возникает тормозная сила. В современных конструкциях магнитно-рельсовых тормозов локомотивов сила прижатия тормозного башмака к рельсу достигает удельной величины 50 кН на 1 м длины башмака.
Тормозную силу Β, реализуемую при электромагнитном рельсовом торможении локомотива, можно определить из следующего выражения, Н:
(4.40)
где ΣΚ6 — суммарная сила нажатия тормозных башмаков на рельсы, кН; φб — коэффициент трения тормозного башмака о рельс.
Сила нажатия тормозного башмака к рельсу, кН:
где Вб — магнитная индукция, Тл; S — площадь одного плоского башмака, м2; μ0 — магнитная проницаемость воздуха в зазоре, можно принять μ0 = 4· 10-7Гн/м.
Коэффициент трения тормозного башмака о рельс зависит от скорости движения, погодных условий, материала и состояния трущихся поверхностей.
Установлены следующие эмпирические формулы для определения величины φб в зависимости от скорости и погодных условий: при сухих рельсах
где V — скорость движения, км/ч; при мокрых рельсах
Удельная тормозная сила bт при магнитно-рельсовом торможении, Н/кН:
(4.41)
где ϑм — тормозной коэффициент нажатия башмаков
Электромагнитной рельсовой системой торможения оборудованы тележки скоростного электропоезда ЭР200. На каждой тележке расположено по два тормозных башмака, управление работой которых двойное: из кабины машиниста от контроллера и индивидуальное в каждом вагоне поезда.
В связи с развитием скоростного движения современный подвижной состав оборудуют 5 — 6 различными системами торможения, каждая из которых имеет наибольшую эффективность применения в определенном диапазоне скоростей движения. Например, скоростной
электропоезд ЭР200 оборудован: колесно-колодочным пневматическим тормозом; электрическим реостатным тормозом с самовозбуждением; электропневматическим колесно-колодочным тормозом; дисковым тормозом; магнитно-рельсовым тормозом; ручным тормозом для удержания поезда на месте. Для управления тормозами контроллер машиниста имеет дополнительно еще четыре тормозных положения, обеспечивающих безопасное сочетание различных систем торможения в эксплуатации.
Рис. 22. Зависимости тормозного пути электропоезда ЭР200 от скорости движения и системы торможения: 1 — при магнитно-рельсовом торможении; 2 — при дисковом торможении; 3 — при комбинированном тормозе
На рис. 22 представлены экспериментальные зависимости полного тормозного пути ST от скорости движения электропоезда ЭР200, построенные по приведенным в работе [5] данным, позволяющие оценить эффективность различных систем торможения при одиночном и совместном действии: 1 — электромагнитные рельсовые тормоза; 2 — дисковые тормоза; 3 — при совместном действии дискового и электромагнитной рельсовой систем торможения. Так, при движении электропоезда ЭР200 со скоростью 160 км/ч перед началом торможения применение комбинированной системы торможения позволяет почти в 2,3 раза (см. рис. 22) сократить тормозной путь поезда по сравнению с электромагнитным рельсовым тормозом и примерно в 1,3 раза по сравнению с дисковой системой торможения, что подтверждает высокую эффективность применения комбинированных тормозов при использовании в скоростном движении.