На современном подвижном составе городского электротранспорта повсеместно применяется динамическое торможение путем нагрузки двигателя, работающего в генераторном режиме на активное сопротивление. При этом необходимо обеспечить быстрое действие и высокую эффективность электрического тормоза в широком диапазоне скоростей.
Быстрое действие тормоза определяется в значительной степени процессом нарастания магнитного поля в генераторном режиме. При этом следует различать две основные системы возбуждения: независимое возбуждение (от контактной сети или от автономного источника напряжения — батареи, генератора) и последовательное.
В первом случае процесс нарастания тока возбуждения и магнитного поля протекает в течение 0,5—1 сек (рис. 69) и время возбуждения не оказывает существенного влияния на быстрое действие тормоза и длину тормозных путей.
Во втором случае имеет место процесс самовозбуждения. Длительность этого процесса (особенно в машинах с большим воздушным зазором) может достичь 2—3 сек (рис. 69). Повышенное время самовозбуждения может существенно ухудшить процесс торможения и увеличить длину тормозного пути.
Рис. 69. Время самовозбуждения двигателя ДК-108.
Для сокращения процесса самовозбуждения применяют методы, способствующие быстрому нарастанию магнитного поля (кратковременное усиление поля, импульсное возбуждение от независимого источника, кратковременное замыкание на малое сопротивление и др.).
В частности, в тяговых двигателях для трамвая ДК-257 и для вагонов метрополитена ДК-108 применяется особая независимая подмагничивающая обмотка, включенная на напряжение сети. Применение этой обмотки с намагничивающей силой, равной 10% общей намагничивающей силы машины, позволяет более чем в 2 раза сократить время самовозбуждения (см. рис. 69).
Эффективность электрического тормоза определяется возможным тормозным усилием и величиной замедления, которые могут быть реализованы с учетом тепловых и коммутационных ограничений.
Величина допустимого тормозного момента зависит главным образом от системы возбуждения и отношения максимальной скорости к скорости выхода на первую естественную характеристику (vпуск). Это отношение, как указывалось, в двигателях для трамваев и троллейбусов составляет 2,9, а в вагонах метрополитена достигает 3,6 (вагоны типа Е).
В троллейбусах пусковая мощность равна 1,2 рном при ускорении 1,3 м/сек2. Если считать, что к. п.д. троллейбуса (рассматривая к. п. д. как отношение мощности, расходуемой на ускорение или замедление, к электромагнитной мощности) составляет 0,7 (при замедлении 1,2 м/сек2 с высокой начальной скорости торможения сопротивление движению, включая потери в двигателе, составляет 36 кг/т, т. е. 30% общего замедляющего усилия), то для торможения с замедлением 1,3 м/сек2 необходимо создать электромагнитный тормозной момент, равный 0,5 от двигательного.
При той же кратности тока (1,2) необходимо, чтобы магнитное поле электродвигателя составляло примерно 50% величины поля при пуске.
Противоэлектродвижущая сила двигателя при пуске составляет примерно 500 в.
При заданных условиях величина электродвижущей силы при торможении со скорости 55 км/ч составит: Е = 500-0,5-2,9 = 725 в,
что соответствует напряжению на коллекторе 700 в.
При торможении со скорости 70 км/ч напряжение на коллекторе становится предельно допустимым. В связи с этим замедление при применении динамического тормоза в зоне высоких скоростей ограничено для троллейбуса величиной 1,0—1,2 м/сек2.
Кривые коммутационных ограничений для троллейбусного двигателя ДК-207 приведены на рис. 70.
Приведенная выше формула для определения ек не учитывает насыщения магнитной цепи и при относительно больших значениях реакции якоря приводит к несколько преувеличенным результатам. Применительно к расчету режима торможения троллейбусов явления насыщения при расчете ек должны приниматься во внимание (см. рис. 70).
Как видно из кривой рис. 70, при торможении со скорости 70 км/ч расчетные значения ек превосходят 37 в. Практические значения ек несколько ниже, так как в процессе нарастания тока имеет место снижение скорости и установившийся (расчетный) режим начинается со скорости 65 км/ч.
Для трамвайных вагонов величину к. п. д. следует принять равной 0,75, а значение магнитного поля при замедлении 3 м/сек2 и той же кратности тока (1,3) составляет примерно 0,6 поля при пуске.
Для двигателей с номинальным напряжением на коллекторе 275 в максимальное напряжение в режиме электрического тормоза достигает лишь 460 в (250 · 0,6 · 2,9 · 0,95), что следует считать вполне допустимым, так как максимальное напряжение между коллекторными пластинами не превосходит 38 в.
Таким образом, для четырехосных трамвайных вагонов при применении электродинамического торможения может быть реализовано замедление более 1,3 м/сек2.
В двухосных трамвайных вагонах с двигателями на напряжение на коллекторе 550 в и двухвитковой обмоткой якоря предельная величина замедления составляет 0,6—0,7 м/сек2.
В вагонах метрополитена при отношении
=3,6 величина тормозного усилия ограничивается условиями коммутации в значительном диапазоне скоростей. Действительно, при условном к.п.д., равном 0,85 (при, одноступенчатом редукторе), тормозная мощность с максимальной скорости при величине замедления, равной величине ускорения при пуске, была бы равна:
Подобная перегрузка для построенных машин без компенсационной обмотки в режиме максимальной скорости является недопустимой, так как при этом необходимо использовать машину при двойном напряжении и почти двойном токе.
Практически при торможении с предельной скорости может быть допущена менее чем двойная номинальная э.д.с. при токе 0,7 значения пускового тока при наибольшем ослаблении поля. В этом случае максимальное напряжение между коллекторными пластинами достигает предельных значений — 37 в.
Применительно к вагону метрополитена типа Е с тяговыми двигателями типа ДК-108 могут быть построены кривые коммутационных ограничений при тормозном режиме для различных значений ослабления поля (рис. 71).
Как видно из этих кривых, предельная величина замедления при торможении с максимальной скорости определяется предельными значениями тока и магнитного поля. При предварительных расчетах можно считать, что значение поля определяется из условия достижения двойной э.д.с. при скорости 3,6vпуск.
Величина этого поля, таким образом, равна
=0,55 величины поля при пуске.
Тормозной электромагнитный момент при токе, равном 0,7 пускового тока, и при магнитном потоке, равном 0,55 величины потока в пусковом режиме, составляет 0,7X0,55 = 0,385 пускового момента машины в двигательном режиме.
Учитывая, что условный к. п. д. вагона равен 0,85, а ускорение при пуске равно 1,3 м/сек2, можно определить величину замедления:
Подробное рассмотрение зависимостей (рис. 73) показывает, что в зоне предельных скоростей тормозной момент, ограниченный коммутационными условиями, возрастает с увеличением ослабления поля. При скорости около 70 км/ч предельный тормозной момент мало зависит от степени ослабления поля, а при скорости, меньшей 65 км/ч, наибольшее тормозное усилие имеет место в режиме полного поля.
По мере снижения скорости величина замедления, ограниченного условиями коммутации, повышается и при скорости 60 км/ч (2,4vпуск) достигает 1,3 м/сек2.
Повышение эффективности динамического тормоза в зоне высоких скоростей имеет весьма существенное значение. При величине замедления 0,7 м/сек2 тормозной путь вагона метрополитена (торможение со скорости 90 км/ч до скорости 70 км/ч) составляет 180 м, а со скорости 70 км/ч до полной остановки (при замедлении 1,3 м/сек2) — лишь 130 м.
Рис. 72. Коммутационные ограничения компенсированного двигателя.
Рис. 70. Коммутационные ограничения ДК-207.
Сравнительно небольшое повышение замедления при динамическом торможении в зоне высоких скоростей может быть достигнуто за счет некоторого повышения допустимого межламельного напряжения (улучшение качества щеток и увеличение толщины межламельной изоляции). Однако наиболее эффективным методом повышения тормозных усилий следует считать применение тяговых двигателей с компенсационной обмоткой.
Хотя методы определения межламельных напряжений в компенсированных двигателях еще недостаточно разработаны, все же с надлежащей точностью могут быть определены коммутационные ограничения в режиме динамического торможения и для машин этого типа.
На рис. 72 приведены зависимости применительно к компенсированному двигателю для вагонов метрополитена типа Е. Для размещения компенсационной обмотки в тех же габаритах воздушный зазор несколько уменьшен, что потребовало более глубокого ослабления поля.
Как видно из сравнения значений тормозных усилий, приведенных на рис. 71 и 72, применение компенсационной обмотки позволяет увеличить тормозное усилие в зоне высоких скоростей в 2 раза и сократить тормозной путь в диапазоне скоростей 90—70 км/ч с 180 до 100 м.
Применение компенсационной обмотки может оказаться полезным и для троллейбусных двигателей, работающих при глубоком ослаблении поля и в режиме динамического торможения.
Таким образом, применение компенсационной обмотки, несмотря на значительное усложнение конструкции, является наиболее действенным средством повышения коммутационной устойчивости тяговых двигателей, что особенно важно для повышения эффективности электрического торможения вагонов метрополитена. Компенсированные троллейбусные двигатели можно выполнить при шести полюсах, что позволит снизить их вес на 15%, однако целесообразность этого мероприятия вызывает известные сомнения.
Одним из методов улучшения коммутации при переходных режимах, в том числе в режиме динамического тормоза, является расслоение и изоляция сердечников главных и дополнительных полюсов с целью уменьшения вредного влияния вихревых токов в массивных частях магнитопровода и ускорения переходных процессов. В частности, изоляция листов сердечников главных полюсов и уменьшение их толщины с 1,5 до 0,5 мм в двигателях для метрополитена позволяют сократить время самовозбуждения и несколько повысить эффективность динамического торможения.
Эффективность электрического (динамического) торможения существенно зависит также от отношения максимальной скорости к скорости выхода на первую безреостатную тяговую характеристику. Повышение эффективности электрического тормоза может быть достигнуто за счет повышения значения vпуск при заданном значении vмах. Однако при этом следует учесть вопросы, связанные с увеличением мощности и размеров двигателя, с увеличением пусковых токов и потерь в пускотормозных сопротивлениях.
Применяемые схемы динамического торможения отличаются большим разнообразием. Можно отметить схемы: с последовательным включением обмотки возбуждения (при наличии подмагничивающей обмотки и без нее); включения последовательной обмотки двигателя на напряжение независимого источника; противокомпаундную схему, при которой Н.С. последовательной обмотки направлено противоположно Н. С. параллельной (независимой) обмотки; схему с независимым возбуждением и включением части нагрузочного сопротивления последовательно с независимой обмоткой (рис. 73).
Тормозные характеристики для различных схем торможения представлены на рис. 74.
Следует указать, что схема с противокомпаундным включением приводит к дополнительному нагреву обмоток, так как н. с. независимой и последовательной обмоток направлены встречно.
При противокомпаундной схеме должно быть обеспечено надлежащее превышение Н. С. независимой обмотки над Н. С. противодействующей ей последовательной обмотки с тем, чтобы во всем диапазоне скоростей торможение осуществлялось на устойчивой части кривой (рис. 74).
Торможение в области, лежащей за точкой максимального тормозного момента, осуществляется при повышенных токах якоря, что может в отдельных случаях привести к перегрузке двигателя и неполадкам коммутационного устройства.
Рис. 73. Схемы торможения.
При целесообразной системе торможения троллейбусов вагонов трамвая и метрополитена значение тормозного тока несколько меньше, чем при пусковом режиме, но обычно все же превосходит значение номинального (часового) тока.
С точки зрения режима работы двигателя схемы динамического торможения могут быть разбиты на две основные группы.
Схемы первой группы, применяемые преимущественно для двигателей последовательного возбуждения, предусматривают в зоне высоких скоростей несколько ступеней ослабления поля, определяемых коммутационными ограничениями, и далее после выхода на позицию полного поля — многоступенчатое торможение вплоть до режима короткого замыкания. Такая система, примененная в частности для вагонов метрополитена типа Е, наилучшим образом использует возможности двигателя, так как на всем протяжении процесса торможения имеют место либо коммутационные ограничения (по напряжению) в зоне высоких скоростей, либо ограничение по величине тока в остальной зоне. После прохождения скорости, на которой тормозной эффект ограничен коммутацией, схема может обеспечить высокое тормозное усилие до 1,5 м/сек2 и выше.
К сожалению, подобная схема сложна по числу и взаимодействию входящей аппаратуры и не обеспечивает быстрого действия, необходимого для городского наземного транспорта.
В связи с этим для трамвая и троллейбуса применяются либо схемы со следящим выбегом, либо схемы противокомпаундного типа, которые могут быть отнесены к схемам второй группы.
Рис. 74. Пуско-тормозные характеристики: (стр. 143) а — трамвая ЛМ-57;
б — трамвая РВЗ-6;
в — троллейбуса ЗИУ-5;
г — вагона метрополитена типа Е
В этих схемах общее поле машины при торможении определяется либо разностью Н. С. независимой и последовательной обмоток, либо Н. С. независимой обмотки определяется разностью напряжения сети и падения напряжения, пропорционального току нагрузки, в части нагрузочного сопротивления.
Системе соответствует определенный максимум момента, который имеет место обычно при 1,5 номинального тока.
При данном постоянном значении нагрузочного тока величина главного поля также постоянна, но так как для троллейбусов величина поля определяется коммутационными ограничениями при максимальной скорости, то весь процесс торможения протекает при ослабленном поле. В частности, схема троллейбуса ЗИУ-5 предусматривает, что в зоне высоких скоростей поле двигателя должно быть не более 0,5 поля при пуске, что соответствует максимальному напряжению, т. е.
Значение поля при снижении скорости увеличивается, но весь процесс торможения происходит при относительно высоком значении тока и замедлении не более 1,2—1,3 м/сек2.
Двигатели трамвайного вагона РВЗ-6 допускают торможение с максимальной скоростью при 0,6 поля при пуске. В этом случае напряжение на двигателе составляет 500 в и еще значительно ниже величины, ограниченной коммутацией, но общее напряжение на двух последовательно соединенных двигателях достигает
- 0,6x0,95 = 900 в, что следует признать предельно допустимым.
На трамвайных вагонах с двигателями на напряжение 275/550 в можно таким образом обеспечить несколько более эффективное торможение при меньшем относительно токе якоря, чем у троллейбусов, особенно при применении двигателей с низколежащими характеристиками.
Выбор соотношений Н. С. параллельной (Н. Снез.) и последовательной Н. С. посл. обмоток должен быть сделан исходя из приведенных выше закономерностей. Это соотношение связано с нелинейностью магнитной характеристики. Приближенно можно считать, что, для того чтобы поле двигателя при торможении составляло 0,5 и 0,6 поля при пуске, Н. С. должна составлять соответственно 0,33 и 0,4 Н. С. при пуске.
При I ПуСК = I торм, или намагничивающаяся сила последовательной обмотки (при пусковом и тормозном токе) должна составлять 50% н. с. независимой обмотки.
Тогда для троллейбуса 
В двигателе ДК-207 Н. С. независимой обмотки равна 3800а Н. С. последовательной обмотки, а при I= 250 составляет 8·250 = 2000α, т. е. указанное соотношение выдержано довольно точно.
Для трамвая Н. С. последовательной обмотки составляет немногим более 40% Н. С. независимой.
При токе якоря 200α Н. С. независимой обмотки двигателя ДК-259 составляет 4000 а, Н. С. последовательной обмотки 8Х200= 1600 а. т. е. и для данного двигателя выдержано рекомендованное соотношение.
Для успешной работы двигателя весьма важно правильно выбрать начальное значение тормозного сопротивления. Слишком малое значение этого сопротивления может привести к чрезмерному толчку тормозного тока, а при противокомпаундной системе и к снижению момента. С другой стороны, чрезмерно большое тормозное сопротивление при данном тормозном токе и особенно при случайном проскакивании позиции неблагоприятно с точки зрения коммутационных ограничений. Очевидно, что оптимальное тормозное сопротивление определяется по величине предельного напряжения и тормозного тока
Все сказанное выше относится к режиму динамического торможения на площадке (или на весьма незначительных уклонах). Торможение в этом случае является служебным (остановочным) для снижения некоторой рабочей скорости в конце режима движения до практически полной остановки. В связи с истощением электрического тормоза при малых скоростях должно происходить наложение пневматического или механического тормоза.
Наряду с использованием динамического тормоза в качестве остановочного электрическое торможение применяется также при спуске на уклонах: как непрерывно на протяжении всего уклона при установившейся скорости, так и кратковременно для «подтормаживания».
Правила технической эксплуатации ограничивают скорость при движении на уклонах 40% и более. В связи с этим на уклонах большой крутизны динамическое торможение осуществляется при относительно большом магнитном поле двигателя и умеренных напряжениях на коллекторе. Практически при динамическом торможении и движении на уклоне с установившейся скоростью тепловые и коммутационные ограничения у двигателя отсутствуют.
При системе торможения с применением двигателя в качестве генератора последовательного возбуждения (вагон метрополитена) спуск на уклоне 60% при скорости 40 км/ч имеет место при полном поле, токе 60% номинального и напряжении на коллекторе 400 в. При меньших уклонах для повышения скорости (до 65—70 км/ч) приходится несколько ослаблять поле, но режим двигателя по величине тока и напряжения меняется мало.
На троллейбусах ЗИУ-5 и трамвайных вагонах РВЗ динамическое торможение осуществляется при противокомпаундной схеме. Применение этой схемы позволяет при номинальном токе реализовать тормозной момент, равный 0,6—0,7 номинального двигательного момента, так как поле двигателя составляет лишь 50—60% номинального, а момент, обусловленный потерями в двигателе, суммируется с тормозным моментом.
Однако при подобной величине момента обеспечивается спуск с уклона 80—ЮО%.
Действительно, номинальный момент двигателя соответствует тяговому усилию для трамвая, равному 0,12 веса вагона, и для троллейбуса — 0,14 веса троллейбуса с номинальной нагрузкой.
При тормозном моменте на валу двигателя, равном 0,7Х0,12 = 0,84 (для трамвая) и 0,6x0,14 = 0,84 (для троллейбуса), спуск троллейбуса с уклона 80% с учетом принятых сопротивлений движению может производиться при номинальном токе без наложения дополнительных тормозов. Спуск трамвайного вагона с уклона 90—100% протекает обычно при токе, несколько большем номинального, и требует дополнительного подтормаживания другими видами тормозов в условиях нагрузки выше номинальной.
Двигатели с низколежащими характеристиками для трамвая РВЗ-6 и троллейбусов с двигателями ЕКМ, выбранными по рекомендуемой формуле определения удельной мощности, обладают некоторым избыточным тормозным усилием (для РВЗ-6 в отношении
).
Тормозное усилие троллейбуса ЗИУ-5 при номинальном токе составляет 1600 кГ, а максимальное также 1600 кГ при весе троллейбуса 16 т.
Трамвайный вагон РВЗ-6 при номинальном весе 24 т реализует тормозное усилие при номинальном токе, равное 2800 кГ, и максимальное 3000 кГ.
Так как практические уклоны в большинстве городов СССР не превосходят 80—85%, следует считать, что спуск в режиме динамического тормоза при номинальной нагрузке возможен и ток якоря двигателя при этом режиме и ограниченной скорости не превосходит номинального. При уклоне 1ОО% ток якоря может несколько превысить номинальное значение.
Скорость спуска при неизменном поле зависит от величины тормозного сопротивления при мало меняющемся токе якоря. Напряжение на коллекторе при наибольшей величине сопротивления не должно превосходить пределов, ограниченных коммутацией двигателя.
Известные требования предъявляются к эффективности электрического тормоза в качестве служебного «Правилами технической эксплуатации».
В частности, этими правилами при торможении трамвайных вагонов со скорости 35 км/ч регламентирован тормозной путь не более 35 м.
Эти требования соответствуют весьма высокому значению среднего замедления, равному:
Учитывая необходимость известного резерва по величине тормозного усилия, следует выбирать систему торможения таким образом, чтобы тормозное усилие на валу двигателя составляло не менее 0,1 веса подвижного состава.
Еще более высокие требования предусмотрены ГОСТ 8802 (тормозной путь 25 м со скорости 30 км/ч).
Использование тяговых двигателей в режиме динамического торможения должно, таким образом, явиться результатом тщательных расчетов с учетом коммутационных и тепловых ограничений. Схема торможения должна обеспечивать наиболее эффективное использование машины (как в двигательном, так и в тормозном режиме). Особо тщательно должны быть проведены расчеты для зоны торможения с высоких скоростей. Эффективность торможения в этой зоне в значительной степени определяет общую длину тормозных путей. Реализация высоких тормозных усилий при высоких скоростях связана с необходимостью значительной перегрузки двигателя, желательно до двойной номинальной мощности и более. Обеспечение столь высокой перегрузки может потребовать проведения специальных мероприятий вплоть до применения компенсационной обмотки.