Реостатное торможение с самовозбуждением ТД

Общие требования к системам электрического торможения. Классификация электрического торможения.

При питании ЭПС от контактной сети в режиме торможения возможно использовать основное преимущество электродвигателя (по сравнению с другими способами преобразования энергии в механическую работу) – это его обратимость. В режиме торможения тяговые двигатели ЭПС переходят в генераторный режим и производят преобразование кинетической и потенциальной энергии поезда в электрическую.

По способу использования полученной электроэнергии электрическое торможение подразделяются на реостатное (электроэнергия расходуется на нагрев реостатов ЭПС), рекуперативное (электроэнергия возвращается в контактную сеть) и комбинированное (электроэнергия возвращается в контактную сеть, но при отсутствии потребителя гасится на балластных резисторах).

Основным преимуществом электрического торможения следует считать повышение безопасности движения поезда за счет наличия дополнительной системы торможения. Кроме этого возможно увеличение скоростей движения на затяжных спусках, уменьшение износа бандажей колесных пар и загрязнения пути в местах массового торможения (посадочные платформы пригородных участков крупных городов). При электрическом торможении возможна автоматизация регулирования тормозной силы. На высокоскоростном подвижном составе электрическое торможение обеспечивает высокие значения тормозной силы в зоне высоких скоростей. Недостаток электрического торможения – усложнение оборудования ЭПС и увеличение нагрузки на тяговые двигатели.

К системам электрического торможения предъявляются следующие требования:

- механическая устойчивость (тормозные характеристики должны обеспечивать поддержание постоянных скоростей на затяжных спусках и торможение до остановки в пределах, обеспечивающих надежное сцепление колес с рельсами при надежной работе ТД);

- электрическая устойчивость (при выводе системы из состояния равновесия (например бросок напряжения КС) она должна в кратчайшие сроки возвращаться в устойчивое состояние без повреждения ТД и колесных пар);

- минимальное расхождение токов по параллельным ветвям при расхождении характеристик ТД и диаметров колесных пар;

- высокая надежность и удобство управления процессом торможения, возможность автоматизации этого процесса.

Рассмотрим условие, при котором ТД переходит в генераторный режим. Так как электромагнитный момент ТД пропорционален току якоря и магнитному потоку, то для изменения направления этого момента необходимо изменить направление тока якоря или тока возбуждения. Изменение обеих величин не приводит к изменению направления электромагнитного момента.

Поскольку на ЭПС используются ТД последовательного возбуждения, рассмотрим процесс реализации реостатного торможения при самовозбуждении ТД. При переходе в генераторный режим возбуждение ТД происходит за счет остаточного магнитного потока. Для того, чтобы не произошло размагничивания магнитной системы, необходимо сохранить то же направление магнитодвижущей силы, что и в режиме тяги, т.е. сохранить направление тока возбуждения. На рисунке показаны возможные переключения в силовой схеме для реализации самовозбуждения.

Рассмотрим процесс самовозбуждения ТД при условии, что за время переходного процесса скорость движения не изменилась.

;

ЭДС самоиндукции

.

Здесь L – индуктивность цепи реостатного тормоза. На рисунке эти зависимости показаны с учетом начальной ЭДС E₀ = С×Ф₀×V. Заштрихованная область соответствует . Из рисунка следует, что при I = 0 – следовательно ток возрастает. По мере роста тока ЭДС самоиндукции сначала возрастает, затем уменьшается. В точке A – т.е. наступило электрическое равновесие СФ×V = (R_д + R_т)×I. Это равновесие является устойчивым: при уменьшении тока – следовательно ток будет возрастать; при увеличении тока – следовательно ток будет падать.

Отсюда можно сформулировать условие электрической устойчивости реостатного торможения: знак отклонения тока и ЭДС самоиндукции должны быть противоположны.

При данной скорости положение точки A зависит от наклона линии (R_д + R_т)×I, т.е. от величины R_т: при увеличении R_т точка A смещается влево; при уменьшении – вправо. Следовательно, зная допустимые параметры ТД по току, а так же ограничение по сцеплению колес с рельсами возможно определить величину R_{т min} при входе в торможение.

Если при переходе в тормозной режим было изменено направление тока возбуждения, то произойдет размагничивание ТД и равновесие наступит в точке B, т.е. ток в цепи не равен нулю, но ничтожно мал.

Выразим из второго закона Кирхгофа ток цепи реостатного торможения в установившемся режиме:

.

Как следует из формулы, ток в режиме реостатного торможения с самовозбуждением прямо пропорционален скорости движения. При скорости, равной нулю ток тоже должен быть равен нулю, однако так как двигатель возбуждается за счет остаточного магнитного потока, зависимости I = ¦(V) не проходят через начало координат. Положение точки пересечения характеристики с осью скорости определяется минимальной величиной скорости, при которой возможен процесс самовозбуждения для данной величины тормозного резистора.

Запишем формулу для скорости движения:

.

При малых токах магнитная система ТЭД ненасыщена и отношение неизменно. Поэтому скорость практически неизменна. После насыщения магнитной системы ток растет значительно быстрее магнитного потока. Следовательно, в зоне больших токов зависимость I = ¦(V) будет линейной, а ее наклон определяется величиной тормозного сопротивления.

Теоретический анализ зависимости тормозной силы от скорости затруднителен, так как тормозная сила зависит от квадрата магнитного потока, который, в свою очередь, зависит от скорости:

.

Тормозные характеристики, полученные для реальных ТЭД, имеют незначительную нелинейность, что следует объяснить нелинейной зависимостью магнитного потока от скорости.

Из приведенных формул следует, что регулировать ток и тормозную силу можно изменяя величину тормозного резистора и магнитного потока, т.е. тока возбуждения. При увеличении сопротивления для реализации той же тормозной силы необходима большая скорость. Следовательно, для поддержания постоянной тормозной силы по мере снижения скорости движения необходимо уменьшать величину тормозного резистора. При увеличении магнитного потока для реализации той же тормозной силы необходима меньшая скорость. Следовательно, для поддержания постоянной тормозной силы по мере снижения скорости движения необходимо увеличивать ток возбуждения.

На тормозные характеристики можно нанести следующие ограничения:

- по максимальной скорости движения (V_max);

- по максимальной мощности торможения (P_max);

- по сцеплению (B_сц);

- по коммутации (по максимальному напряжению на коллекторе) (е_max).

При параллельном включении ТД в режиме реостатного торможения с самовозбуждением остро стоит вопрос о выравнивании нагрузок по параллельным ветвям, так как уравнительный ток, возникающий из-за расхождения характеристик ТД, может вызвать нарушение электрического равновесия. Для уменьшения влияния расхождения характеристик ТД применяют уравнительные соединения (с уравнительным резистором (а) или без него (б). Но наибольший эффект дает применение перекрестного включения обмоток возбуждения (в).

Достоинством реостатного торможения с самовозбуждением является его простота (минимум переключений в силовой цепи и дополнительного оборудования) и отсутствие потребления электроэнергии в режиме торможения.

К недостаткам можно отнести сравнительно большое время самовозбуждения ТД и опасность срыва процесса самовозбуждения при длительных перерывах в работе ТД. Для устранения указанных недостатков возможно использовать уже возбужденные ТД, например ЭТ2.

Дата добавления: 2014-01-07