Системы управления ЭПС - Рекуперативно-реостатное торможение

Рекуперативно-реостатное торможение
Автоматическое замещение рекуперации реостатным тормозом (рекуперативно-реостатное торможение) позволяет сохранить электрическое торможение, когда скорость поезда становится меньше нижнего предела скорости рекуперативного торможения, а также в случаях внезапного отключения потребителя рекуперированной энергии.

Рис. 4.34. Сравнение характеристик электропоездов с ТЭД на 1500 В и на 750 В
Рекуперативно-реостатное торможение целесообразно применять на моторных вагонах пригородных поездов и метрополитена, режим работы которых характеризуется частыми торможениями до полной остановки.
Основное требование к системе рекуперативно-реостатного торможения — исключить провал тормозной силы в процессе торможения. Такие провалы могут быть при переходе с рекуперативного торможения на реостатное, а также при изменении группировки тяговых двигателей. Поэтому для рекуперативно-реостатного торможения электропоездов используется только одна группировка — последовательное соединение всех тяговых двигателей.
Сравнение характеристик электропоездов в режиме тяги показано на рис. 4.34.
Применение тяговых двигателей с номинальным напряжением 750 В вместо 1500 В (рис. 4.35, а) позволяет:

1. применить более глубокое ослабление возбуждения (до 0,2) в начале торможения и тем самым снизить минимальную скорость рекуперации;
2. использовать режим полного возбуждения только при пуске и поэтому предусмотреть повышенную плотность тока в обмотке возбуждения в режиме полного поля; это дает возможность уменьшить массу обмотки возбуждения и тягового двигателя в целом, сохранив в допустимых пределах перегрев двигателя при работе его по заданному пуско-тормозному циклу;
3. снизить пусковой ток по сравнению с параллельным соединением двигателей на 1500 В за счет увеличения магнитного потока возбуждения в период пуска; это позволяет получить более благоприятную форму кривой V(I) и снизить пусковые перегрузки
4. избежать переключения группировки ТЭМ.

Назовем недостатки системы с одной группировкой тяговых двигателей.

1. Рекуперация возможна только при скорости выше 40км/ч. Поэтому на коротких перегонах и невысоких скоростях начала торможения не удается получить высокий процент рекуперированной энергии. Энергия рекуперации равна изменению кинетической энергии поезда и пропорциональна разности квадратов скоростей начала и конца рекуперативного торможения. Так, например, при скорости начала торможения 80 км/ч и минимальной скорости рекуперации 40 км/ч энергия рекуперации составляет 75 % всей энергии, выделяющейся при торможении до остановки. При скорости начала торможения 60 км/ч энергия рекуперации составляет лишь 1 - 4/9 = 5/9, или 55 % энергии торможения. Если учесть, что при снижении скорости начала торможения с 80 км/ч до 60 км/ч энергия торможения уменьшается до, то абсолютное значение рекуперированной энергии будет равно 0,56 · 0, 55 = 0, 31, т.е. снижение скорости начала торможения на 25 % приведет к снижению рекуперированной энергии в 3 раза. Поэтому на участках с ограничениями скорости фактическая экономия энергии оказалась существенно меньше планируемой
2. Увеличиваются пусковые потери.
3. При последовательном соединении боксование или юз одного тягового двигателя вызывает уменьшение тока всех ТЭМ.

Система рекуперативно-реостатного торможения для электропоездов с двигателями на 750 В разработана в 1952—1954 г. профессором МЭИ Л.М. Трахтманом и внедрена на электропоездах ЭР6, ЭР10, ЭР22, ЭР2Р и ЭР2Т. В настоящее время серийно выпускаются электропоезда ЭД2 и ЭТ2.

Рис. 4.35. Схемы электропоезда с ТЭД на 750 В в режимах: а — тяги; б — реостатное торможение самовозбуждения рекуперативнореостатного торможения с независимым возбуждением

Рис. 4.36. Питание обмоток возбуждения ТЭД от трехфазного выпрямителя

Система рекуперативно-реостатного торможения (рис. 4.35, б) обеспечивает следующие режимы работы:
1) реостатное торможение с независимым возбуждением для реализации тормозной силы при отсутствии потребителя в контактной сети;2)           рекуперативное торможение с автоматическим регулированием постоянства тормозного тока в процессе снижения скорости до нижнего предела скорости рекуперативного торможения;
2)    рекуперативное торможение с автоматическим регулированием постоянства тормозного тока в процессе снижения скорости до нижнего предела скорости рекуперативного торможения;
2)    рекуперативное торможение с автоматическим регулированием постоянства тормозного тока в процессе снижения скорости до нижнего предела скорости рекуперативного торможения;

1. автоматический переход на реостатное торможение с самовозбуждением и автоматическое регулирование сопротивления тормозного резистора с целью поддержания постоянства тормозного тока (рис. 4.35, в);
2. включение механического тормоза на прицепных вагонах, а при скорости до 5 — 10 км/ч и на моторных вагонах;
3. автоматический переход с одного вида торможения на другой; машинист только задает момент начала торможения и его интенсивность;
4. автоматический переход с рекуперативного торможения на реостатное при недостаточном потреблении энергии в сети;
5. возможность одновременной работы разных моторных вагонов электропоезда в режимах рекуперативного и реостатного торможения при общем управлении торможением.

На электропоездах ЭР6, ЭР10 и ЭР22 для питания обмоток возбуждения использовался электромашинный возбудитель с противовозбуждением и ступенчатым регулированием тока в обмотке независимого возбуждения возбудителя.
На электропоездах ЭР22В, ЭР2Р, ЭР2Т, ЭД2 и ЭТ2 обмотки возбуждения получают питание от трехфазного реверсивного тиристорного выпрямителя (рис. 4.36), подключенного через трансформатор к синхронному генератору 220 В 50 Гц, от которого также получают питание трехфазные асинхронные двигатели компрессора, вентилятора и другие вспомогательные цепи.
Если трехфазный мост состоит из диодов, то естественная коммутация происходит в моменты равенства мгновенных напряжений фаз (рис. 4.37, а). Если мост состоит из тиристоров с углом отпирания α = 90° относительно этого момента времени, то среднее выпрямленное напряжение равно нулю (рис. 4.37, б). При α = 90° напряжение третьей фазы проходит через нуль.
Если угол отпирания тиристоров 0ο< α < 90°, то на выходе моста получается выпрямленное напряжение(рис. 4.37, в).
Такой возбудитель позволяет плавно регулировать ток возбуждения.

Рис. 4.37. Регулирование напряжения трехфазного выпрямителя: а — а = 0°; б — а = 90°; в — а < 90°

Для обеспечения электрической устойчивости с ростом тока рекуперации угол α должен автоматически увеличиваться.
Защитный тиристор на выходе моста (см. рис. 4.36) отпирается при срабатывании защиты в силовой цепи, когда повышается напряжение на обмотках возбуждения, и создает контур для размагничивания тяговых двигателей.
Тормозные характеристики рекуперативно-реостатного торможения приведены на рис. 4.38.
На рис. 4.39 показана зависимость от времени напряжения на ТЭМ, токов якоря и возбуждения, тормозной силы и скорости при реостатно-рекуперативном торможении.

Выводы:

1. Рекуперативно-реостатное торможение перед остановками применяется на электропоездах с одной группировкой ТЭМ (последовательное соединение).
2. При рекуперации поддерживается постоянство тока якоря за счет увеличения тока независимого возбуждения по мере снижения скорости. Регулирование проводится уменьшением угла отпирания тиристоров трехфазного статического возбудителя.
3. При отсутствии потребителя электропоезд автоматически переходит в режим реостатного торможения с независимым возбуждением.
4. При скорости ниже 40 км/ч электропоезд автоматически переходит в режим реостатного торможения с самовозбуждением. Постоянство минимального тормозного тока поддерживается сперва за счет увеличения rш, а затем за счет уменьшения r.

Рис. 4.38. Тормозные характеристики рекуперативно-реостатного торможения

Рис. 4.39. Процесс рекуперативно-реостатного торможения до остановки

5.            Минимальная скорость, до которой возможно реостатное торможение, соответствует r = 0. Для полной остановки на моторных вагонах включаются механические тормоза, создающие тормозную силу Bмех (рис. 4.39).

1. При срабатывании защиты в режиме рекуперации отключаются независимое возбуждение ТЭМ и контактор защиты КЗ. Происходит быстрое размагничивание ТЭМ и затем отключение быстродействующего выключателя БВ (см. рис. 4.35, б).