Ценным свойством электрических машин постоянного тока является их способность работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. При генераторном режиме работы двигателя происходит преобразование механической энергии в электрическую. Одним из характерных признаков тягового режима работы двигателя является противоположность направлений э. д. с. и тока якоря. Если направление тока якоря изменится, а направление э. д. с. останется прежним, то ток и э. д. с. будут совпадать по направлению, что и является признаком генераторного режима. Уравнение электрического равновесия для генераторного режима при z = 1 будет иметь следующий вид:
E = U + Ir.
Реостатное торможение. При реостатном торможении силовая цепь двигателя отключается от контактного провода и к ней подключается сопротивление, в котором выделяется в виде тепла электрическая энергия, создаваемая двигателями, работающими в генераторном режиме. В качестве сопротивления обычно используются пусковые реостаты.
При тяговом режиме U > Е, э. д. с. и ток имеют противоположное направление (рис. 31, а). При реостатном торможении, поскольку направления вращения якоря и потока остаются неизменными, э. д. с. сохраняет свое направление, а обусловленный ею тормозной ток Iт будет направлен противоположно току при тяговом режиме. В первый момент перехода в генераторный режим э. д. с. якоря обусловлена остаточным магнетизмом полюсов. В дальнейшем необходимо, чтобы ток в катушках главных полюсов усиливал остаточный магнетизм. Для этого направление тока в катушках должно оставаться таким же, как при тяговом режиме.
С этой целью, поскольку при переходе на генераторный режим направление тока в якоре меняется, нужно переключить концы катушек главных полюсов или концы обмотки якоря (рис. 31, б и в). Если переключения не сделать, то тормозной ток, протекая через обмотку возбуждения в обратном направлении, размагнитит сердечники полюсов. Процесса самовозбуждения не будет, тормозной ток, а следовательно, и тормозная сила будут равны нулю.
Рис. 32. Принципиальные схемы реостатного торможения с двумя тяговыми двигателями
а — последовательное соединение; б — параллельное соединение; в — перекрестная схема; г — перекрестно-петлевая схема
Рис. 31. Принципиальные схемы реостатного торможения с одним тяговым двигателем: а —тяговый режим; б и в —реостатное торможение
При торможении двумя двигателями, включенными в одну общую схему, особое значение приобретает вопрос о внутренней электрической устойчивости. Под внутренней электрической устойчивостью понимают свойство системы восстанавливать устойчивое электрическое равновесие при любых взаимных отклонениях токов, протекающих в цепях тяговых двигателей, параллельно работающих в генераторном режиме. При неравенстве э. д. с. и неравномерном распределении токов в параллельных ветвях система должна выравнивать их.
Вполне устойчивая схема реостатного торможения может быть получена при последовательном соединении двигателей (рис. 32, а). Однако эта схема требует тормозного сопротивления, по величине значительно большего, чем пусковое сопротивление. При параллельном соединении двигателей тормозное сопротивление обычно не превышает величину пускового сопротивления, но для обеспечения электрической устойчивости во время торможения требуется применение специальных схем.
При параллельном соединении двух тяговых двигателей (рис. 32, б) равномерное распределение токов в параллельных ветвях может быть достигнуто лишь в том случае, если будут одинаковы э. д. с. обоих двигателей, работающих в генераторном режиме, т. е. если Е1 = Е2. Тогда будут равны и тормозные токи в цепи каждого генератора Iт1 = Iт2. Однако вследствие несовпадения характеристик двигателей, разных электрических и магнитных сопротивлений, случайного «юза» и других причин, в условиях эксплуатации э. д. с. будут неодинаковы: Е1 = Е2. Напряжение внешней цепи при любых условиях будет определяться следующим соотношением:
Любое нарушение равенства э. д. с. вызовет неравномерное распределение токов в параллельных ветвях. Даже незначительное увеличение э. д. с. первого двигателя приведет к увеличению тока Iт1, причем одновременно уменьшается э. д. с. Е2 и ток Iт2 второго двигателя. В результате второй двигатель несколько разгрузится. Увеличение тока Iт1 вызовет дальнейшее увеличение и соответственно уменьшение Е2. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока ток второго двигателя не упадет до нуля, после чего он изменит свое направление. Это приведет к изменению направления потока полюсов, а следовательно, и Е2, В контуре окажутся два последовательно включенных двигателя, работающих генераторами. Их суммарная э. д. с. вызовет ток, ограниченный, только сопротивлением якорей и обмоток возбуждения, т. е. произойдет короткое замыкание двигателей. Таким образом, система параллельного соединения двигателей на один общий реостат внутренней электрической устойчивостью не обладает.
Для достижения устойчивости параллельно работающих в генераторном режиме двигателей необходимо применять специальные схемы (например, на двухосных вагонах — уравнительную, перекрестную и петлевую, на четырехосных — циклическую, перекрестно-уравнительную и петлевую). Рассмотрим наиболее распространенные схемы.
В схеме перекрестного соединения (рис. 32, в) магнитные катушки каждого двигателя питаются от якоря другого двигателя. Если, например, увеличится э. д. с. двигателя 2, то ток Iт2 усилит магнитное поле двигателя 1 и ослабит поле двигателя 2, вследствие чего э. д. с. двигателя 1 увеличится, а э. д. с. двигателя 2 уменьшится до полного равенства между ними. Данная схема обеспечивает достаточно полное уравнение Iт1 и Iт2, т. е. нагрузок цепей обоих двигателей при торможении, и в этом отношении заслуживает предпочтения перед схемой с уравнительным соединением. Но при обрыве цепи якоря одного из двигателей тормозной эффект совершенно пропадает, так как ни один из двигателей в этом случае не возбуждается. Для устранения этого недостатка применяется перекрестно-уравнительная схема. Значительное распространение имеет схема с перекрестно-петлевым соединением (рис. 32, г). Эта схема не требует переключения концов катушек возбуждения при переходе на тормозной режим.
При наличии на вагоне четырех двигателей следует различать два способа их соединения: 1) постоянное последовательное соединение каждой пары двигателей; 2) параллельное соединение каждой пары двигателей. В первом случае схема реостатного торможения (рис. 33,б) ничем не отличается от схемы с двумя двигателями (см. рис. 32), а во втором случае применяются специальные схемы (например, перекрестно-уравнительная (рис. 33, а).
Рис. 33. Принципиальные схемы реостатного торможения с четырьмя тяговыми двигателями а —перекрестно-уравнительная; б — перекрестно-петлевая
Рассмотренные выше схемы реостатного торможения имеют следующие недостатки: 1) для плавного торможения требуется большое число ступеней реостата; 2) вследствие некоторой длительности процесса самовозбуждения торможение осуществляется недостаточно быстро; 3) эффект торможения продолжается не до полной остановки, а лишь до скоростей порядка 3—5 км/ч. Для ускорения процесса самовозбуждения предложены схемы, где предусмотрена подпитка обмоток последовательного возбуждения от независимого источника тока низкого напряжения или наложение вспомогательной обмотки независимого возбуждения на главные полюса.
При переходе двигателей смешанного возбуждения на реостатное торможение возможны четыре варианта (рис. 34): 1) с питанием цепи параллельного возбуждения от контактной сети — с встречным (схема а) или согласным (схема б) включением последовательной и параллельной обмоток главных полюсов; 2) с самовозбуждением генератора — с встречным (схема в) или согласным включением (схема г). Первый вариант получил наибольшее распространение. Как видно из схемы, для перехода на реостатное торможение достаточно отключить силовую цепь от контактной сети и включить ее на тормозное сопротивление. Но тормозная сила имеет определенные пределы вследствие ограничения величины магнитного потока размагничивающим действием потока последовательной обмотки. Во втором варианте концы последовательной обмотки переключаются. Потоки последовательной и параллельной обмоток складываются. Следовательно, при тех же токах якоря получается большая тормозная сила. Схемы третьего и четвертого вариантов практически не применяют. Параллельная работа двигателей смешанного возбуждения (или группы их) при торможении требует таких же схем соединения в силовой цепи, как при двигателях последовательного возбуждения. Скорость при торможении можно регулировать изменением величины тормозного сопротивления при неизменном токе возбуждения или изменением тока возбуждения при постоянной величине тормозного сопротивления. Преимущественное применение получил второй способ (например, на троллейбусах). Торможение начинается с меньшего значения тока возбуждения, а затем ток двумя или тремя ступенями увеличивается до наибольшего. Торможение обеспечивает полную остановку подвижного состава.
Рекуперативное торможение.
Когда тяговые двигатели работают в рекуперативном генераторном режиме, силовая цепь вагона остается присоединенной к контактной сети. Рекуперируемая энергия используется на линии поездами, работающими в тяговом режиме, или возвращается на тяговую подстанцию. Величина напряжения на зажимах генерирующего двигателя ограничена напряжением в контактной сети. Сопротивление контактной сети является величиной нерегулируемой. Поэтому величина тормозного тока при рекуперации зависит от разности э. д. с. генератора и напряжения сети и определяется из уравнения электрического равновесия (для схемы с одним двигателем):
Для перехода с тягового режима (где Uc > Е) на генераторный необходимо, чтобы э. д. с. была больше напряжения сети (Е > (Iс).
Рис. 34. Принципиальные схемы реостатного торможения с двигателями смешанного согласного возбуждения
I — тяговый режим; II — варианты схем реостатного торможения
Рис. 35. Схема силовой цепи троллейбуса для двух режимов: а — тяги; б — рекуперации
При повышении скорости и при постоянной величине потока Ф наступает момент, когда Е > Uc и ток в якоре изменит свое направление, т. е. двигатель начнет работать в генераторном режиме. Однако двигатель последовательного возбуждения не может перейти автоматически в режим генератора при неизменном направлении вращения его якоря [см. формулу (8)]. Уменьшение тока I по мере роста Е вызывает уменьшение магнитного потока Ф. Очевидно, что э. д. с. Е не может стать больше Uc, а ток не может изменить своего направления. Следовательно, переход на генераторный режим автоматически, например при увеличении скорости поезда на спуске, невозможен. Двигатель можно использовать для работы в генераторном режиме на сеть при переключении обмоток главных полюсов на независимое возбуждение. Для питания обмотки возбуждения может служить возбудитель или аккумуляторная батарея. Существует большое количество схем с возбудителем — генератором, отличающихся друг от друга способом его включения и возбуждения.
На подвижном составе городского электротранспорта исключительное распространение получили рекуперативные системы с двигателями согласно-смешанного возбуждения, позволяющими без большого усложнения аппаратуры переходить с тягового режима на рекуперативный. На рис. 35 показано прохождение тока для двух режимов: тягового (схема а) и рекуперативного (схема б). По первому закону Кирхгофа ток, потребляемый из сети, равен сумме токов силовой цепи и цепи параллельного возбуждения: Iс = I + Iв. Ток, отдаваемый в сеть при рекуперативном режиме, Iс = I — Iв.