Торможение ЭПС

С П

Пуск электроподвижного состава.

Необходимость регулирования при пуске определяется тем, что обмотки тяговых электродвигателей имеют очень малое сопротивление r_д. Это позволяет уменьшить затрату мощности на нагревание обмоток I_д²r_д и обеспечить высокий коэффициент полезного действия электродвигателя (до 94%). Однако небольшое значение r_д приводит к тому, что при включении тягового электродвигателя с неподвижным якорем на номинальное напряжение ток в его цепи превысит номинальный примерно в 25 раз. Такая перегрузка недопустима для тягового электродвигателя.

Пуск э.п.с. постоянного тока. Этот процесс начинается с последовательного соединения всех тяговых электродвигателей и пускового резистора (рис. 3.14, а). Группировка тяговых электродвигателей, когда все они включены последовательно, называется последовательным соединением и сокращенно обозначается буквой С (от английского series — последовательность, ряд). При этом число последовательно соединенных тяговых электродвигателей m _д равно общему числу тяговых электродвигателей электровоза N_д. Сопротивление пускового

Рис. 3.14. Схемы соединения тяговых электродвигателей при пуске электровоза постоянного тока

резистора выбирают с таким расчетом, чтобы при неподвижном якоре тягового электродвигателя ток не превышал номинального (обычно не более 0,5I_дн).

Ток, протекающий по обмотке якоря, взаимодействует с магнитным потоком полюсов и создает на валу электродвигателя вращающий момент. Когда колесные пары электровоза начинают вращаться, то в обмотке якоря электродвигателя возникает э.д.с. вращения Е. Теперь напряжение на токоприемнике э.п.с. уравновешено не только падением напряжения в обмотках электродвигателей и пусковом резисторе, но еще и э.д.с. вращения m _д последовательно соединенных тяговых электродвигателей. В этом случае

U_э=I_д(r+m_дr_д)+m_дСФu (3.35)

Из выражения (3.35) видно, что по мере увеличения скорости поезда возрастает э.д.с. вращения СФ u, которая ограничивает ток, потребляемый тяговыми электродвигателями и уменьшает силу тяги электровоза.

Чтобы обеспечить интенсивный разгон поезда, необходимо поддерживать постоянной силу тяги электровоза и, следовательно, ток электродвигателя. Для этого нужно по мере роста скорости u постепенно уменьшать сопротивление пускового резистора r. При этом падение напряжения на нем постепенно уменьшается, а э.д.с. вращения тяговых электродвигателей постепенно растет. При r=0 (рис. 3.14, б) выражение (3.35) принимает вид

Uэ=mдСФu+ mд Iдrд

Отсюда можно получить формулу для определения скорости движения электровоза:

u= ((Uэ/m)-Iдrд)/СФ

Напряжение, отнесенное к одному тяговому электродвигателю U _д= U _э/ m _д. При включении резисторов последовательно с тяговыми электродвигателями значительная часть электроэнергии, потребляемой из сети, затрачивается на бесполезное нагревание резисторов

Поэтому пусковые резисторы используют только кратковременно, в период пуска. Длительная работа электровоза допускается только при полностью выключенных резисторах (рис. 3.14, б, г).

Тяговые электродвигатели можно соединить в несколько параллельных ветвей. С увеличением числа параллельных ветвей a _д уменьшается число последовательно соединенных тяговых электродвигателей в каждой ветви, т. е. m _д=N_д/ a _д, и увеличивается напряжение U _д.

Группировку тяговых электродвигателей, при которой напряжение U _д, отнесенное к двигателю, равно номинальному U _дн, обычно называют параллельным соединением и обозначают буквой П. Такое название не является вполне точным. Для более надежной работы тяговые электродвигатели рассчитывают на номинальное напряжение U _дн = 750¸1500 В. Поэтому на э.п.с. постоянного тока при параллельном соединении в каждой ветви остаются два или четыре последовательно соединенных электродвигателя. На некоторых типах электроподвижного состава предусмотрено еще промежуточное сериес-параллельное соединение, которое обозначают буквами СП.

При переходе с последовательного на сериес-параллельное (или параллельное соединение) в цепь двигателей снова включают пусковой резистор, по которому теперь будет протекать ток a _дI_д (см. рис. 3.14, в). Постепенно уменьшая сопротивление пускового резистора r, обеспечивают рост скорости движения э.п.с. Для дальнейшего повышения скорости на безреостатных позициях применяют режим ослабленного возбуждения 0В (рис. 3.14, д).

На рис. 3.15 построены скоростные и тяговые характеристики э.п.с. для всех позиций регулирования. Утолщенными линиями выделены безреостатные позиции, на которых допускается длительная работа. Эти позиции называют ходовыми в отличие от реостатных, которые используют только при пуске. На этом же рисунке изображены колебания пускового тока и силы тяги при переходе с позиции на позицию. Такой график называется пусковой диаграммой э.п.с.

Рис. 3.15. Пусковая диаграмма электровоза

На рис. 3.15 приведены также кривая ограничения силы тяги по сцеплению F_{к сц}(u) и кривая полного сопротивления движению W(u). Точки пересечения кривой W(u) с тяговыми характеристиками ходовых позиций определяют возможные режимы движения поезда с установившейся скоростью.

Основные закономерности пуска электрического подвижного состава состоят в следующем:

1. В момент перехода с позиции на позицию скорость не может мгновенно возрасти вследствие инерции поезда. Поэтому в момент перехода происходит скачкообразный рост тока и силы тяги при неизменной скорости.

2. Разгон поезда происходит только в том случае, если сила тяги электровоза F_к превышает силу сопротивления движению W. Чем больше разница между F_к и W, тем больше пусковое ускорение поезда.

3. Сила тяги электровоза во время пуска не должна превышать силу тяги, допускаемую по условиям сцепления.

4. Скорость электровоза при работе на каждой позиции увеличивается постепенно при постепенном уменьшении тока и силы тяги. Приращение скорости электровоза при работе на одной из позиций D u пропорционально ускорению поезда и времени работы на этой позиции.

5. После окончания пуска электровоз работает на последней позиции регулирования тяговых электродвигателей. При этом его скорость постепенно возрастает, а ток и сила тяги постепенно уменьшаются до тех пор, пока сила тяги F_к не будет полностью уравновешена силой сопротивления движению W. Тогда наступает равновесный (установившийся) режим и скорость электровоза будет постоянной и равной u _уст.

6. Длительная работа э.п.с. допускается только на безреостатных позициях с полным или ослабленным возбуждением тяговых двигателей.

Пуск э.п.с. переменного тока. При пуске имеется возможность получить до 30—40 ступеней регулирования напряжения на тяговых электродвигателях, что вполне достаточно для обеспечения практически плавного пуска. Поэтому отпадает необходимость применения пусковых резисторов, а также изменения группировки тяговых электродвигателей.

На рис. 3.16 построены тяговые характеристики электровоза переменного тока для некоторых ступеней регулирования. Утолщенными линиями показаны колебания силы тяги электровоза в процессе пуска. При заданном сопротивлении движению поезда [кривая W (u)] каждой позиции соответствует свое значение установившейся скорости движения. Поскольку пусковые резисторы на э.п.с. переменного тока не используются, то в принципе на всех позициях регулирования напряжения возможна длительная работа. Таким образом, на каждом элементе профиля существует несколько десятков различных значений установившейся скорости поезда (по числу позиций регулирования напряжения). Эти значения выделены точками на кривой W (u). С учетом возможного разнообразия условий эксплуатации достаточно иметь около 10 значений установившейся скорости и, следовательно, около 10 ходовых позиций.

Рис. 3.16. Пусковая диаграмма электровоза переменного тока

Отечественные электровозы переменного тока имеют по 33 позиции регулирования напряжения. Причем, на позициях 1, 5, 9, 13, 17, 21, 25, 29 и 33 у электровоза более высокий к.п.д. Эти позиции считаются ходовыми. На рис. 3.16 изображены характеристики только для некоторых позиций. Ходовые позиции показаны утолщенными линиями, а значения установившихся скоростей движения на этих позициях выделены светлыми точками. Кроме позиций регулирования напряжения на э.п.с. переменного тока предусматриваются также позиции ослабленного возбуждения 0В.

Физические основы торможения. Кинетическая энергия поезда массой т _п, движущегося по горизонтальному участку пути со скоростью u, превращается в какой-либо другой вид энергии: тепловую или электрическую. В процессе такого преобразования скорость поезда постепенно снижается до нуля. Чтобы остановить поезд на спуске, необходимо израсходовать не только его кинетическую энергию т _п u²/2, но также и работу силы тяжести mgDH, вызванную изменением высоты железнодорожного пути DH на данном участке.

Для снижения скорости нужно приложить к поезду внешнюю силу навстречу направлению его движения. Эта внешняя сила, совершающая работу за счет уменьшения механической энергии поезда, называется тормозной силой. Если тормозная сила по своей природе является силой трения, то механическая энергия движущегося поезда превращается в работу силы трения, которая выделяется в виде тепла и рассеивается в окружающей среде. Такой вид торможения называют механическим или фрикционным (от латинского frictio— трение). Если тормозная сила возникает в результате взаимодействия электрического тока с магнитным полем, то механическая энергия превращается в электрическую, которая может быть передана по проводам к потребителю. Такой вид торможения называют электрическим.

В зависимости от того, как реализуется тормозная сила, различают колесные и рельсовые тормоза. Колесный тормоз создает тормозной момент M _т, приложенный к колесной паре и действующий навстречу направлению ее вращения (рис. 3.17, а). Кроме этого, на колесную пару действуют две вертикальные силы: сила тяжести G₀ и опорная реакция G'₀. Система сил, действую­щих на колесную пару, изображена на рис. 3.17 черными стрелками; силы, действующие на рельс и тележку электровоза, показаны светлыми стрелками.

Тормозной момент М _т препятствует вращению колесной пары. Под действием силы G'₀ происходит взаимное сцепление поверхностей колеса и рельса в точке К. Сила сцепления колеса с рельсом В₂ стремится сдвинуть рельс по направлению движения поезда. Но рельсы закреплены и остаются неподвижными. Сила сцепления рельса с колесом В, приложенная к ободу колеса в точке его касания с рельсом, препятствует проскальзыванию колеса по рельсу. Согласно третьему закону Ньютона В = В₂.

Наличие силы сцепления В позволяет рассматривать колесо как рычаг второго рода с точкой опоры К (рис. 3.17, б). Под действием тормозного момента М _ти силы В этот рычаг стремится повернуться против часовой стрелки относительно точки К. При этом на буксу передается горизонтальная сила В ₁, направленная навстречу движению поезда. В свою очередь на ось колесной пары действует реакция буксы В ₄= - В ₁.

Рис. 3.17. Схемы сил., действующих на колесо и рельс при реализации тормозной силы

Условиями равновесия колеса, как рычага второго рода, является равенство нулю суммы проекций всех приложенных к нему сил на горизонтальную ось: В - B ₄ = 0 и суммы моментов этих сил относительно точки О. Отсюда следует, что

В=В₁=2М_т/D_к

(3.36)

Силу В называют тормозной силой, отнесенной к ободу колеса. Сила В ₁, приложенная к раме тележки, замедляет движение поезда. Преобразование тормозного момента M _т в пару сил В ₁ и В ₂ возможно только при наличии сцепления колеса с рельсом в точке их соприкосновения. Поэтому максимальное значение тормозной силы по условиям сцепления

В_сц=yG₀,

где y — коэффициент сцепления колеса с рельсом;

G₀ —давление колесной пары на рельсы.

Колесо, у которого нарушено сцепление с рельсом, вращается медленнее, однако поезд продолжает двигаться с прежней скоростью. Проскальзывание колеса по рельсу в процессе торможения называется юзом. Полное нарушение сцепления в режиме торможения приводит к тому, что колесо перестает вращаться и скользит, касаясь рельса одной и той же точкой. Такой режим, называемый заклиниванием колеса, недопустим по двум причинам:

1. На окружности колеса образуется плоский участок, называемый ползуном (выбоиной). Качение колеса с выбоиной сопровождается ударами по рельсу, которые могут послужить причиной возникновения трещин в рельсах и ходовых частях подвижного состава. Трещины в металле особенно интенсивно возникают зимой при низких температурах.

2. При заклинивании колеса тормозная сила B₃=jG₀, где G ₀ — сила нажатия колесной пары, а j — коэффициент трения скольжения между заторможенным колесом и рельсом.

Виды торможения. Виды торможения различают в зависимости от условий применения и значения тормозной силы.

Экстренное — торможение для остановки поезда перед внезапно возникшим препятствием. При экстренном торможении машинист устанавливает максимально возможную тормозную силу с целью скорейшей остановки поезда. Случайно снижение коэффициента сцепления может вызвать заклинивание колес. Чтобы предупредить заклинивание, машинист должен во время экстренного торможения подавать под колеса песок из песочных бункеров электровоза. Но даже и при этом возможность заклинивания колесных пар и образования выбоин на поверхности катания полностью не исключена. Поэтому экстренное торможение применяют только в случаях крайней необходимости для предотвращения крушений и несчастных случаев.

Служебное — торможение для остановки поезда в заранее предусмотренном месте, а также для снижения скорости при приближений поезда к станциям, сигналам и местам постоянного ограничения скорости. Служебное торможение должно обеспечить плавное замедление поезда и исключить возможность повреждения подвижного состава. Тормозная сила при служебном торможении меньше, чем при экстренном. В расчетах принимают тормозную силу при служебном торможении равной 80 % тормозной силы экстренного торможения для пассажирских и 50 %—для грузовых поездов. Машинист обычно регулирует тормозную силу в процессе служебного торможения с тем, чтобы обеспечить плавную остановку поезда в заданном месте.

Регулировочное — торможение для поддержания установленной скорости движения на крутых затяжных спусках. Допустимая скорость движения на спусках устанавливается с таким расчетом, чтобы обеспечить возможность остановки поезда экстренным торможением на заданном расстоянии. В процессе регулировочного торможения машинист изменяет тормозную силу так, чтобы скорость движения поезда не превышала установленной, но и не была слишком низкой. Обычно для этого требуется сравнительно небольшая тормозная сила.

Механический колесно-колодочный тормоз. Этот тормоз является основным видом тормоза на локомотивах и вагонах (рис. 3.18). Сила нажатия К, на тормозную колодку 1 создается давлением сжатого воздуха на поршень 3 в тормозном цилиндре 4 и определяется выражением

К=((pd²_ц/4)p-F_п)ih,

где d ²_ц — внутренний диаметр тормозного цилиндра; р — давление сжатого воздуха в тормозном цилиндре; F_п — сила упругости оттормаживающей пружины 2; i — передаточное отношение системы рычагов между цилиндром и тормозной колодкой; h — к. п. д. системы рычагов, учитывающий трение в шарнирах.

Сила трения между тормозной колодкой и колесом равна произведению силы нажатия К, на коэффициент трения между колодкой и бандажем j. Тормозной момент, приложенный к колесу диаметром D_к, М _т=j К D_к/2, направлен навстречу направлению вращения колеса.

Рис. 3.18. Схема, поясняющая принцип действия колесно-колодочного тормоза

Коэффициент трения j зависит от материала тормозных колодок, скорости движения и нажатия колодки на колесо. Поэтому у тормозных колодок с различным нажатием коэффициенты трения не одинаковы. Наиболее распространены чугунные тормозные колодки. Для увеличения коэффициента трения в чугун добавляют 1,4 % фосфора. С увеличением скорости движения коэффициент трения чугунных тормозных колодок заметно снижается (рис. 3.19). Это нежелательное явление, так как при высокой скорости движения для создания необходимой тормозной силы приходится увеличивать нажатие на колодку. Если в процессе торможения нажатие на колодку оставить неизменным, то создается опасность заклинивания колес при малых скоростях движения, когда коэффициент трения существенно увеличивается.

Рис. 3.19. Зависимость коэффициента трения от скорости движения для композиционных колодок при K =16 кН (кривая 1), чугунных колодок с повышенным содержанием фосфора при K =27 кН (кривая 2) и стандартных чугунных колодок при K =27 кН (кривая 3).

На локомотивах и вагонах скоростных пассажирских и рефрижераторных поездов, а также на поездах метрополитена применяют колодки из композиционного материала, в состав которого входят каучук, асбест, железный сурик, окись цинка. Коэффициент трения этих колодок значительно выше, чем у чугунных, и более стабилен при изменении скорости. Для того чтобы реализовать максимально возможную тормозную силу поезда и не допустить при этом заклинивания колесных пар, тормозами оборудуют все колеса локомотивов и вагонов. Тормозная сила поезда равна сумме тормозных сил, реализуемых на всех осях локомотивов и вагонов, и определяется выражением

B_к=SВ=SКj.

Реальные значения j и К для вагонов различных типов будут разными. Для упрощения расчета по этой формуле тормозную силу каждого вагона принято определять как произведение расчетного коэффициента трения j_р на расчетное тормозное нажатие К _р. Расчетный коэффициент трения j_р принимается одинаковым для всех типов подвижного состава и тормозная сила поезда

B_к=j_рSК_р (3.37)

Из формулы (2.67) видно, что тормозную силу поезда можно косвенно оценить по сумме расчетных нажатий тормозных колодок для всех вагонов S К _р. Значения К _р для каждого типа локомотива и вагона приведены в таблицах справочника. Для грузовых поездов, имеющих максимальную скорость 80 км/ч, суммарное расчетное тормозное нажатие S К _р должно быть не менее 330кН (33тс) на каждые 100 т, массы поезда, а для пассажирских поездов, следующих с максимальной скоростью 100 км/ч,— не менее 600кН (60 тс).

Для уменьшения износа поверхности катания колес вагоны, предназначенные для скоростного движения, оборудуют дисковыми тормозами. Тормозная сила этого вида тормозов создается прижатием тормозных колодок к специальным тормозным дискам, насаженным на оси колесных пар.

Сущность электрического торможения. Тяговый электродвигатель, как всякая электрическая машина, обладает свойством обратимости, т. е. может работать не только как двигатель, но и как генератор. В генераторном режиме механическая энергия движущегося поезда затрачивается на вращение якоря электрической машины, который вырабатывает электрическую энергию. При этом электрическая машина создает тормозной момент М_т= С_мФI_д, действующий навстречу направлению вращения якоря. Согласно закону сохранения энергии механическая мощность

Р_мех=Р_эл+I²_дr_г (3.38)

где Р_эл = U_дI_д — электрическая мощность, вырабатываемая генератором; I²_дr_г — мощность, затраченная на нагревание обмоток генератора.

Механическая мощность генератора

Р_мех=М_тw=С_мФI_дw=EI_д,

где М _т — тормозной момент, w — угловая скорость якоря; Е — э.д.с. вращения генератора.

Подставив в формулу (3.38) значения Р _мех и Р _эл, получим

EI_д=U_дI_д+I²_дr_г

Разделив это равенство на I_д, имеем

E=U_д+I_дr_г

Плавный переход из двигательного режима в генераторный проще всего осуществить при независимом возбуждении электрической машины. При постепенном росте тока возбуждения I_в возрастает магнитный поток Ф и, следовательно, э.д.с. вращения. При этом направление тока якоря изменится и будет совпадать с э.д.с. вращения. Обязательным условием для создания тормозного момента при электрическом торможении М _т является наличие тока в обмотке якоря I_д. Поэтому 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.

Наиболее просто осуществляется реостатное торможение, при котором выработанная электроэнергия преобразовывается в тепловую энергию, выделяющуюся при прохождении тока по тормозному резистору установленному на электровозе или моторном вагоне. Для перехода из режима тяги в режим реостатной торможения тяговые электродвигатели отключают от контактной сети (а на э.п.с. переменного тока оттрансформатора и выпрямителя). Затем якорь тягового электродвигателя Я подключают к тормозному резистору r_т (рис. 3.20, а), а обмотка возбуждения OB к специальному источнику энергии, называемому возбудителем В. Мощность возбудителя составляет около 5 % мощности тяговых электродвигателей. Возможно также реостатное торможение с самовозбуждением, когда обмотка возбуждения включена последовательно с якорем тягового электродвигателя и тормозным резистором. Возбудитель В при этом не требуется. Тормозную силу и, следовательно, скорость движения можно изменять, регулируя сопротивление тормозного резистора или ток независимого возбуждения электрической машины I_в. Реостатным торможением оборудованы электровозы ЧС2^т, ВЛ80^т, ВЛ80^с, ВЛ82 электропоезда ЭР22, ЭР2Р, ЭР2Т и ЭР200, а также вагоны метрополитена.

При рекуперативном торможении (от латинского recuperatio — получение вновь) выработанная электроэнергия передается в контактную сеть. На э.п.с. постоянного тока якорь тягового электродвигателя подключают непосредственно к контактной сети (рис. 3.20, б). При этом обмотки тяговых электродвигателей, так же как и при реостатном торможении, получают питание от возбудителя В. Постепенно увеличивая ток возбуждения, машинист добивается того, что э.д.с. вращения Е становится больше напряжения на токоприемнике U _э, тяговый электродвигатель перестает потреблять ток из контактной сети и переходит в генераторный режим.

На э.п.с. переменного тока процесс рекуперации энергии оказывается более сложным. Выработанная тяговыми электродвигателями энергия постоянного тока должна быть преобразована в электроэнергию переменного тока. Для этого используют полупроводниковый преобразователь И (рис. 3.20, в), называемый инвертором (от латинского invertere — обращать).

Рекуперативное торможение возможно только при наличии потребителей выработанной электроэнергии, т. е. электровозов, работающих в режиме тяги, находящихся на одном участке с рекуперирующим электровозом (рис. 3.21, а). При отсутствии на данном участке таких электровозов, рекуперированную энергию можно возвращать через тяговые подстанции в энергосистему, где всегда имеются потребители (рис. 3.21, б), или расходовать на нагревание специальных балластных резисторов r_б (рис. 3.21, в), которые расположены на тяговых подстанциях и при необходимости автоматически подключаются к контактной сети.

Рис. 3.20. Схемы электрического торможения:

а — реостатное с независимым возбуждением; б — рекуперативное на э.п.с. постоянного тока, в — рекуперативное на э.п.с. переменного тока.

Рекуперативным торможением оборудованы грузовые электровозы постоянного тока ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11, ВЛ15 и переменного тока ВЛ80^р, ВЛ85, а также электропоезда ЭР22, ЭР2Р и ЭР2Т и ЭР29.

Электрическая тяга — единственный вид тяги, позволяющий полезно использовать энергию торможения поезда. На участках с крутыми спусками может быть сэкономлено до 20 % электрической энергии, затрачиваемой на тягу поездов. Кроме того, электрическое торможение позволяет значительно уменьшить износ тормозных колодок и колес электровозов, в результате чего снижаются расход металла и стоимость ремонта колесных пар. Рекуперативное торможение нашло широкое применение на перевальных участках Закавказья, Карпат, Урала, Сибири и Дальнего Востока.

Рис. 3.21. Схемы передачи электрической энергии при рекуперативном торможении:

а — на электровоз, работающий в режиме тяги; б — возврат энергии через тяговую подстанцию в первичную энергосистему; в — на балластный резистор.

Дата добавления: 2013-12-12