Системы управления ЭПС - Системы управления ЭПС с коллекторными ТЭМ в режиме электрического торможения

4. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭПС С КОЛЛЕКТОРНЫМИ ТЯГОВЫМИ МАШИНАМИ (ТЭМ) В РЕЖИМЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ

4.1. Условия электрического торможения

Тяговая электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. может работать как двигатель и как генератор. В генераторном режиме механическая энергия движущегося поезда затрачивается на вращение якорей тяговых электрических машин, которые вырабатывают электроэнергию. При этом тормозная сила будет равна В = СФI.
Для перехода в генераторный режим необходимо, чтобы ЭДС вращения электрической машины СФV была равна сумме напряжения сети Uc (при рекуперации) и падения напряжения на сопротивлении цепи Ir:

Для этого необходимо выполнить три условия (рис. 4.1):

1. наличие магнитного потока в тяговой машине Ф ≠ 0;
2. наличие тока в обмотке якоря ;
3. скорость движения электровоза не меньше минимальной

величины .
Электрическое торможение возможно только в том случае, если электрическая цепь, подключенная к якорю тяговой электрической машины, образует замкнутый контур, в котором имеется потребитель вырабатываемой электроэнергии.

Рис. 4.1 Условия электрического торможения

Наиболее просто осуществляется реостатное торможение, при котором выработанная электроэнергия преобразуется в тепловую, выделяющуюся при прохождении тока по тормозному резистору, установленному на электровозе или моторном вагоне. Напряжение сети Uc в тормозном контуре при этом равно нулю.
Второй вид электрического торможения называется рекуперативным (от латинского recuperatio — получение вновь).
При этом виде торможения выработанная электроэнергия передается в контактную сеть. Потребителями электроэнергии при рекуперативном торможении могут быть:

1. встречные поезда, работающие в режиме тяги;
2. энергосистема, в которой всегда имеются промышленные и бытовые потребители;
3. балластные резисторы, установленные на тяговых подстанциях и автоматически подключающиеся к контактной сети при отсутствии других потребителей энергии.

Электрическая тяга — единственный вид тяги, позволяющий полезно использовать энергию торможения. Применение рекуперативного торможения на участках с крутыми затяжными спусками позволяет сэкономить до 20 % электроэнергии, затрачиваемой на тягу поездов. Рекуперация на балластные резисторы не дает экономии энергии. Она применяется в сочетании с торможением на встречные поезда и гарантирует сохранение тормозной силы при отключении электровоза, потреблявшего энергию рекуперации.
Помимо экономии электроэнергии электрическое торможение имеет еще ряд существенных технико-экономических преимуществ по сравнению с механическим торможением.
1.   Реализация тормозной силы при электрическом торможении не связана с износом тормозных колодок, бандажей колесных пар и засорением верхнего строения пути металлической пылью, что особенно нежелательно в тоннелях.
Применение электрического торможения позволяет снизить затраты на смену тормозных колодок, ремонт колесных пар вагонов и очистку балласта от засорения металлической пылью. Надо иметь в виду, что износ бандажей колесных пар электровоза при этом не уменьшается, а даже несколько увеличивается. Для участков с затяжными крутыми спусками затраты на тормозные колодки вагонов соизмеримы со стоимостью электроэнергии, которая может быть возвращена за счет рекуперации.

1. При механических тормозах на затяжных спусках машинисту приходится чередовать режимы торможения и отпуска тормозов. При этом средняя скорость движения оказывается на 10—13 км/ч меньше максимально допустимой. Механическая устойчивость тормозных характеристик при электрическом торможении упрощает процесс управления тормозами, позволяет его автоматизировать и обеспечивает возможность движения на спуске с постоянной скоростью, равной максимально допустимой.
2. Повышается безопасность движения и надежность экстренного торможения благодаря отсутствию нагрева тормозных колодок и колесных пар вагонов в процессе регулировочного торможения на затяжных спусках.

Наряду с этим электрическое торможение имеет ряд недостатков:

1. Реализация тормозной силы возможна только на тех осях, которые оборудованы тяговыми электродвигателями.
2. Возможно выдавливание порожних вагонов на кривых участках пути, вследствие того, что вся тормозная сила сосредоточена в голове поезда.
3. Дополнительная нагрузка на тяговые электродвигатели и элементы тяговой передачи.
4. Необходимо дополнительное электрооборудование на ЭПС (возбудители, тормозные резисторы и переключатели) и на тяговых подстанциях постоянного тока (инверторы, балластные резисторы).
5. Повышение напряжения на тяговых электродвигателях, а при рекуперации и в контактной сети.

Рекуперативное торможение нашло широкое применение на горных участках Кавказа, Урала, Восточной Сибири, Дальнего Востока.
Реостатное торможение не дает непосредственной экономии электроэнергии. Однако оно характеризуется большей надежностью, чем рекуперативное, так как все электрооборудование, образующее цепь тормозного тока, сосредоточено на электровозе и процесс управления торможением не связан с режимом работы контактной сети.
Электрическое торможение применяется на электровозах и электропоездах отечественных железных дорог, серии которых указаны в табл. 4.1.
Таблица 4.1.
Применение электрического торможения на ЭПС

На электропоездах ЭР22, ЭР2Р, ЭР2Т, ЭТ2, ЭД2 предусмотрено рекуперативно-реостатное торможение с автоматическим переходом в режим реостатного торможения при отсутствии условий для отдачи электроэнергии в сеть.

Требования к системам электрического торможения

Электрическая устойчивость.

Устойчивость — это качество равновесия. Рассмотрим варианты механического равновесия шарика на опорных поверхностях различной формы (рис. 4.2, а, б, в).
В равновесном положении шарика, показанном сплошной линией, сила тяжести шарика mg уравновешивается реакцией опорной поверхности Q. При отклонении шарика от положения равновесия, что на рис. 4.2 показано штриховой линией, сила тяжести разлагается на две составляющие N и Т, направленные нормально и касательно к опорной поверхности. Нормальная составляющая N уравновешивается реакцией опорной поверхности Q'. Форма опорной поверхности определяет направление касательной силы Т. В зависимости от него различают три варианта равновесия: устойчивое (рис. 4.2, а); неустойчивое (рис. 4.2, б); безразличное (рис. 4.2, в).
Анализируя рис. 4.2, можно дать следующее определение устойчивости.
Устойчивой называется система, в которой при отклонении от состояния равновесия возникает сила, стремящаяся вернуть систему к прежнему состоянию.

Рис. 4.2. Варианты механического равновесия: а — устойчивое; б — неустойчивое; в — безразличное

Рис. 4.3. Генератор и нагрузка

Рис. 4.4. Внешние характеристики системы «генератор—нагрузка»: а — неустойчивое равновесие; б — устойчивое равновесие

Рис. 4.5. Силы, действующие на поезд при торможении на спуске

Обеспечение электрической устойчивости является обязательным требованием к системам электрического торможения.

Механическая устойчивость.

Система электрического торможения будет механически устойчива, если при отклонении скорости движения поезда от равновесного значения возникает сила инерции, которая стремится вернуть систему к прежнему состоянию.
Силы, действующие на поезд массой т в режиме торможения на спуске крутизной i, показаны на рис. 4.5.
Уравнение движения поезда в этом режиме имеет вид:

Рис. 4.6. Равновесие сил, действующих на поезд при торможении на спуске: а — устойчивое, б — неустойчивое

Рассмотрим теперь случай, когда (рис. 4.6, б). Рассуждая аналогично, придем к выводу, что при

Следовательно, на рис. 4.6, б приведены характеристики механически неустойчивой системы.
Обобщая сказанное, получим условие механической устойчивости:

Учитывая малый наклон кривой можно с достаточной степенью приближения записать условие механической устойчивости в виде

Механическая устойчивость обеспечивает возможность автоматического поддержания постоянства скорости при движении по затяжным спускам. Однако это требование не является обязательным. Как известно, фрикционные тормоза (колодочные и дисковые) имеют механически неустойчивые характеристики, а поддержание постоянства скорости достигается чередованием режимов торможения и отпуска тормозов. Это можно делать вручную, так как скорость поезда изменяется достаточно медленно.

Влияние изменений напряжения сети.

При изменении напряжения сети на величину  изменение тока рекуперации ΔΙ должно быть возможно меньшим (рис. 4.7). Это требование совпадает с условием электрической устойчивости.

Рис. 4.7. Влияние изменения напряжения сети на ток рекуперации

Увеличение наклона характеристикприводит к уменьшению ΔI. Для уменьшения реакции системы на изменение напряжения сети нужно увеличивать.

Равномерность распределения нагрузок по параллельно работающим тяговым машинам.

Для более равномерного распределения нагрузок между параллельно работающими машинами с разными характеристиками(рис. 4.8) тоже нужно увеличивать.
Однако чрезмерное увеличениеведет к снижению максимальной величины тормозной силы. Это будет показано на с. 175.

Простота, экономичность и надежность системы.

Нужно стремиться к тому, чтобы дополнительное оборудование, необходимое для электрического торможения, было минимальным по массе, габаритам, стоимости и не приводило к снижению надежности всей системы ниже установленного предела. Системы рекуперативного торможения должны иметь достаточно высокий КПД.

Рис. 4.8. Распределение нагрузок между параллельно работающими генераторами