Что такое рекуперативно реостатное торможение

Торможение поездов с помощью электродвигателей

Опубликовано 26.07.2019 · Обновлено 04.02.2021

Что такое электродинамическое торможение на локомотивах и электропоездах? Да помимо пневматических тормозов электровозы и современные тепловозы оборудованы электрическим торможением. А называется оно – реостатное и рекуперативное. Как это торможение работает?

В этой статье рассмотрим электродвигатели постоянного тока. Так как они установлены на большей части электровозов, электропоездов как постоянного, так и переменного тока. Любой электродвигатель имеет якорь с коллектором, имеющим свою обмотку в пазах, который вращается в остове двигателя, а в остове (статоре) расположена еще одна обмотка – обмотка возбуждения. По обмотке якоря и по обмотке возбуждения протекает ток, а как известно вокруг каждого проводника с током образуется магнитное поле, возникает электродвижущая сила – ЭДС. Вот силовые линии магнитных полей якоря и обмотки возбуждения складываются и вращают якорь электродвигателя. Но если обмотку якоря обесточить, а ток в обмотке возбуждения оставить то якорь будет вращаться в магнитном поле обмотки возбуждения — тогда электродвигатель превращается в генератор. В обмотке якоря будет наводится ЭДС. В этом случае возникает электродвижущая сила (магнитный поток), направленная против магнитного потока обмотки возбуждения и соответственно против направления вращения якоря, называется эта сила – противо-ЭДС. Проще говоря, тормозная сила. Сила эта очень большая, вот именно она и играет главную роль в электрическом торможении.

колесно-моторный блок тепловоза, колесная пара и электродвигатель от тепловоза

Колесно-моторный блок тепловоза

» data-medium-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/Q1-12-300×225.jpg» data-large-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/Q1-12-1024×768.jpg» width=»1024″ height=»768″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/Q1-12-1024×768.jpg» alt=»колесно-моторный блок тепловоза, колесная пара и электродвигатель от тепловоза | колесно-моторный блок тепловоза, колесная пара и электродвигатель от тепловоза | Движение24″class=»wp-image-1509″ data-srcset=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/Q1-12-300×225.jpg 300w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/Q1-12-768×576.jpg 768w» data-sizes=»(max-width: 1024px) 100vw, 1024px» /title=»колесно-моторный блок тепловоза, колесная пара и электродвигатель от тепловоза | Движение24″ /> Колесно-моторный блок тепловоза

В общем тяговые электродвигатели (ТЭД) из режима электродвигателя переводятся в режим генераторов, путем отключения обмотки якоря. Ну а для того, чтобы в ТЭД начал вырабатываться электрический ток, необходимо подключить якорь к какой-нибудь нагрузке – тормозным (балластным) сопротивлениям или к контактному проводу.

Тормозные реостаты

Когда подключаются тормозные сопротивления, такое торможение называется – реостатным, а при подключении к контактному проводу – рекуперативным. На электровозах и электропоездах постоянного и переменного тока этот процесс протекает практически одинаково, хотя есть некоторые конструктивные различия.

Все переключения в соответствующие режимы осуществляются с пульта управления контроллером машиниста, через соответствующие электропневматические контакты в силовой цепи локомотива, величина тормозной силы регулируется. Работа данных систем требует серьезной защиты от перегрузок и обязательного соблюдения некоторых условий, например, должно обеспечиваться равенство потоков возбуждения всех ТЭД, что способствует равномерному распределению нагрузок между двигателями при торможении и рельсы должны быть сухими. Также необходимо интенсивно охлаждать тормозные сопротивления.

При рекуперативном торможении ток вырабатываемый ТЭД подается в контактную сеть. На электровозах постоянного тока вырабатываемый ток является постоянным, поэтому сразу может поступать в контактную сеть. А вот с переменным током посложнее, ток на двигателях постоянный, а в контактном проводе переменный. Поэтому рекуперативное торможение на электровозах переменного тока применяется только при наличии выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИП). Все современные электровозы переменного тока работатют на таких преобразователях.

При обычном режиме тяги переменный ток проходя через тиристоры в ВИПах преобразуется в постоянный и также, используя свойства тиристров, регулируется. При рекуперативном торможении ток проходит процесс инвертирования, т.е., проходя через тиристоры из постоянного преобразуется в переменный и поступает в контактную сеть. Применение рекуперации дает большой эффект. На отдельных участках с крутыми спусками может быть сэкономлено до 20% электроэнергии.

При любом электрическом торможении на спусках можно обеспечивать постоянную скорость состава, не применяя пневматические тормоза, особенно на затяжных спусках. Частые торможения пневматикой истощают тормозную магистраль, скорость сначала уменьшается, а затем снова растет и необходимо опять применять тормоза, снижается коэффициент трения колодок вследствие их нагревания. Благодаря электрическому торможению значительно уменьшается износ тормозных колодок и колес подвижного состава. В пассажирских поездах обеспечивается плавность хода поезда и комфортность пассажиров, в грузовых исключаются сильные реакции, которые происходят при торможении и отпуске пневматических тормозов. Ну а на электропоездах в пригородном сообщении и в метро электрическое торможение играет главенствующую роль. Также и современные тепловозы оборудуются системами реостатного торможения.

Источник

Чем отличается рекуперативное торможение локомотива от реостатного?

Рекуперативным торможением на железнодорожном транспорте (в частности, на электровозах, оборудованных системой рекуперативного торможения) называется процесс преобразования кинетической энергии движения поезда в электрическую энергию тяговыми электродвигателями (ТЭД), работающими в режиме генераторов. Выработанная электрическая энергия передается в контактную сеть (в отличие от реостатного торможения, при котором выработанная электрическая энергия гасится на тормозных резисторах, то есть преобразовывается в тепло и рассеивается системой охлаждения). Рекуперативное торможение используется для подтормаживания состава в случаях, когда поезд идет по относительно некрутому уклону вниз, и использование воздушного тормоза нерационально. То есть, рекуперативное торможение используется для поддержания заданной скорости при движении поезда по спуску. Данный вид торможения дает ощутимую экономию энергии, так как выработанная электрическая энергия передается в контактную сеть и может быть использована другими локомотивами на данном участке контактной сети.

Рекуперативное торможение имеет следующие проблемы, которые требуют особого учета при разработке схемы электровоза для их решения:

а) тормозной момент пропорционален не скорости, а разности между скоростью и «скоростью нейтрали», зависящей от положения органов управления электровоза и напряжения контактной сети. Так, при скорости ниже нейтрали электровоз будет тянуть, а не тормозить. Таким образом, при скорости вблизи нейтрали даже небольшие (в процентах) скачки напряжения сети сильно меняют упомянутую разность, а с ней и момент, и приводят к рывкам. Правильное проектирование схемы электровоза снижает этот фактор. б) при параллельном включении якорей рекуперирующих ТЭД схема может получиться неустойчивой при буксовании и склонной к «сваливанию» в режим, когда один ТЭД работает в моторном режиме, питаясь от второго ТЭДа, работающего как генератор, что подавляет торможение. Решение: включение обмоток возбуждения крест-накрест от «чужого» ТЭД (см. схемы ВЛ8 и ВЛ10). в) необходимы меры защиты против короткого замыкания контактной сети или же КЗ на самом электровозе. Для этого используются быстродействующие контакторы, срабатывание которых вызывает в схеме переходный процесс, перемагничивающий обмотки возбуждения ТЭД и ликвидирующий таким образом остаточную намагниченность статора (возбуждения генерации от которой может быть вполне достаточно для перегрева или пожара в случае КЗ в сети). В основном, рекуперативным торможением оборудуются электровозы постоянного тока ввиду простоты метода переключения ТЭД в режим генератора (схема появилась ещё на сурамском поколении электровозов, например, ВЛ22 и с незначительными изменениями применялась до ВЛ11, в ней решены все три описанные выше проблемы). В электровозах переменного тока существует проблема, которая заключается в преобразовании выработанного постоянного электрического тока в переменный и синхронизация его с частотой тягового тока, эта проблема решается с помощью тиристорных преобразователей. Электровозы переменного тока, созданные до использования тиристорных инверторов (ВЛ60, ЧС4 и ЧС4Т, а также все поколения ВЛ80, кроме ВЛ80Р) не имели возможности рекуперативного торможения.

Реостатное торможение (реостатный тормоз) — вид электрического торможения, при котором электроэнергия, вырабатываемая тяговыми электродвигателями, работающими в генераторном режиме, поглощается на самом подвижном составе в тормозных резисторах.

В режиме реостатного торможения тяговые электродвигатели, как правило, отключаются от контактной сети, а их обмотки возбуждения реверсируются и подключаются к независимому источнику. Обмотки якорей в свою очередь замыкаются на тормозные резисторы. Основное преимущество данного вида торможения перед рекуперативным, заключается в его независимости от напряжения контактной сети, так как потребитель электрической энергии размещён на самом подвижном составе. Благодаря этому реостатное торможение можно применять не только на электровозах и электропоездах, но и на любом другом подвижном составе с тяговыми электродвигателями, например на тепловозах. Также реостатное торможение возможно применять в достаточно большом диапазоне скоростей, из-за чего им оборудованы многие скоростные (например российский ЭР200) и высокоскоростные поезда, в том числе электропоезда TGV и ICE. Основной же недостаток реостатного тормоза — дополнительный вес от оборудования (возбудитель, тормозные реостаты) и некоторое усложнение конструкции. Также нужен возбудитель и тормозной переключатель, а вместо тормозных реостатов нужны добавочные резисторы, что с точки зрения сложности конструкции почти одно и то же, при том, что отсутствует экономия в электроэнергии.

Преимущества реостатного торможения перед торможением колодками:

1. меньший износ колодок и меньший риск их перегрева

2. начавшийся юз происходит куда более щадящим образом — колесная пара продолжает вращаться, хотя и медленнее, чем требовалось бы для безюзового движения, в то время как при торможении колодками возможна и полная остановка пары

3. процесс линейный, зависимость тормозного момента от положения органа управления — линейная, что крайне упрощает создание автоматики торможения и снижения скорости, такой как автоматика МВПС ЭР2Р (ЭР2T), а также аппаратура БУРТ электровозов ВЛ80. Зависимость же тормозного момента от давления в магистрали для пневматического тормоза сильно нелинейна.

Реостатный тормоз редко применяют на электровозах постоянного тока, ибо там весьма несложна и схема рекуперативного тормоза, однако проблемы рекуперативного торможения в пассажирских локомотивах и в электровозах переменного тока привели к тому, что производились пассажирские электровозы постоянного тока (ЧС2Т, ЧС6, ЧС7) и грузовые электровозы переменного тока (ВЛ80Т и ВЛ80С) с реостатным торможением.

На электропоездах постоянного тока чаще используют рекуперативно-реостатное торможение — гибрид реостатного и рекуперативного видов торможения.

Источник

Содержание материала

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:

Назовем недостатки системы с одной группировкой тяговых двигателей.

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;

Источник

§37. Электрическое торможение

Для торможения подвижного состава тяговые двигатели переводятся в генераторный режим, при котором они создают тормозной момент. В зависимости от условий, при которых требуется осуществлять торможение, генератор может отдавать электрическую энергию в сеть или гасить ее в реостате. В первом случае торможение называется рекуперативным, во втором — реостатным. На э. п. с. применяют как рекуперативное, так и реостатное торможение. Рекуперативное торможение с энергетической точки зрения является наиболее выгодным, так как отданная в сеть электрическая энергия полезно используется другими электровозами или электропоездами. На тепловозах применять рекуперативное торможение нельзя, так как отсутствует приемник электрической энергии. Реостатное торможение может быть использовано, если оборудовать тепловозы реостатами для гашения электрической энергии.

Преимуществом электрического торможения является значительно меньшая склонность колес к заклиниванию (юзу) при больших значениях тормозной силы, чем при механическом торможении, и способность к самозащите колес от юза. В этом случае юз, как правило, проявляется в форме частичного проскальзывания колес по рельсу без резкой потери сцепления, как это имеет место при механическом торможении.

Рекуперативное торможение. В режим рекуперативного торможения можно перевести только электродвигатели с независимым, параллельным и смешанным возбуждением. В электродвигателе с независимым (параллельным) возбуждением при уменьшении нагрузочного момента М_вн, например при переходе локомотива с подъема на площадку, частота вращения якоря возрастает, при этом увеличивается индуцированная в нем э. д. с, уменьшается ток и создаваемый двигателем электромагнитный момент. При М_вн = 0 частота вращения возрастает до значения n₀ (частота вращения при холостом ходе).

Если пренебречь трением и внутренними потерями в машине, то при холостом ходе э. д. с. электродвигателя становится равной напряжению сети, а ток и развиваемый двигателем электромагнитный момент оказывается равным нулю. (В действительности при холостом ходе двигатель потребляет из сети некоторый ток, необходимый для компенсации внутренних потерь мощности в машине.) При изменении направления нагрузочного момента (например, при переходе локомотива на спуск) частота вращения якоря становится

Рис. 141. Механическая характеристика электродвигателя с независимым (параллельным) возбуждением в двигательном режиме и при рекуперативном торможении

больше n₀, э. д. с.— больше напряжения сети, ток и вращающий момент изменяют свое направление и машина переходит из двигательного режима в генераторный (рис. 141). При этом электромагнитный момент направлен против вращения якоря, а выработанная генератором электрическая энергия отдается в сеть.

Таким образом, двигатель с независимым (параллельным) возбуждением при изменении направления М_вн, т. е. при возрастании частоты вращения более n₀, автоматически переходит в режим рекуперативного торможения.

Двигатель с последовательным возбуждением не может быть переведен в режим рекуперативного торможения, так как при уменьшении внешней нагрузки, т. е. вращающего момента двигателя, частота вращения возрастает и он идет вразнос. Следовательно, не представляется возможным изменить направление вращающего момента двигателя и перейти через промежуточный режим холостого хода, что необходимо для перевода его с двигательного в генераторный режим. Поэтому для осуществления рекуперативного торможения обмотку возбуждения такого электродвигателя необходимо переключить на независимое питание от специального электромашинного или полупроводникового возбудителя. При таком переключении электродвигатель начинает работать как генератор с независимым возбуждением.

Генераторы с независимым возбуждением работают вполне надежно и устойчиво. Однако они имеют пологую внешнюю характеристику (см. рис. 121,б) и поэтому непригодны для рекуперативного торможения в условиях тяговых сетей, напряжение которых сильно изменяется. При неизбежных колебаниях напряжения в контактной сети ток такого генератора и создаваемый им тормозной момент очень резко изменяются, что не дает возможности обеспечить надежное торможение поезда. Для того чтобы генератор был малочувствителен к колебаниям напряжения в контактной сети, необходимо придать его внешней характеристике крутопадающий характер, как это имеет место у генератора со смешанным возбуждением при встречном включении обмоток возбуждения (встречно-смешанное возбуждение). Для этого можно питать обмотку возбуждения тягового двигателя в режиме рекуперативного торможения от возбудителя со встречно-смешанным возбуждением или включить в цепь возбудителя так называемый стабилизирующий резистор. Благодаря этим мероприятиям ток, отдаваемый в контактную сеть тяговым двигателем, который работает в генераторном режиме, сохраняется примерно постоянным. Такими способами стабилизируют (поддерживают постоянным) этот ток.

При использовании возбудителя со встречно-смешанным возбуждением (рис. 142, а) уменьшение напряжения в контактной сети и возрастание в связи с этим тока рекуперации I_я, отдаваемого тяговым двигателем, работающим в генераторном режиме, вызовут размагничивание возбудителя и снижение его напряжения, а следовательно, и магнитного потока обмотки возбуждения двигателя. В результате этого э. д. с. тягового двигателя, работающего в генераторном режиме, будет снижаться и ток рекуперации не будет испытывать сильных колебаний. То же самое будет происходить и при увеличении напряжения в контактной сети.

Применять рекуперативное торможение для остановки поезда нельзя. Получение от двигателя, работающего в генераторном режиме на контактную сеть, необходимой э. д. с. потребовало бы при низких частотах вращения очень сильного увеличения его магнитного потока и тока, отдаваемого возбудителем. Поэтому рекуперативное торможение может применяться только до некоторой минимальной частоты вращения n_min.

Рис. 142. Схемы включения тягового двигателя при рекуперативном торможении: 1 — якорь тягового двигателя; 2—обмотка возбуждения; 3— регулировочный реостат; 4— обмотка независимого возбуждения возбудителя; 5 — якорь возбудителя; 6 — последовательная обмотка возбуждения возбудителя; 7 — стабилизирующий резистор

Рис. 143. Схемы перехода из двигательного режима (а) в режим реостатного торможения с переключением обмотки возбуждения (б) или обмотки якоря (в)

Если электродвигатель в режиме рекуперативного торможения отдает энергию не непосредственно в сеть, а через какой-либо преобразователь, то путем уменьшения напряжения, подаваемого от преобразователя на обмотку якоря двигателя, можно существенно уменьшить n_min.

Реостатное торможение. При реостатном торможении тяговые двигатели работают как генераторы с последовательным возбуждением и включаются на тормозные резисторы, в которых электрическая энергия, выработанная генератором во время торможения поезда, превращается в тепловую. В качестве тормозных резисторов используют обычно те же реостаты, что и при пуске двигателя. Реостатное торможение может применяться как при высоких, так и при низких частотах вращения, так как напряжение генератора в этом случае не связано с напряжением сети и может быть установлено таким, какое необходимо для получения требуемой тормозной силы. Для перехода на реостатное торможение двигателя с последовательным возбуждением необходимо отключить его от контактной сети, переключить концы обмотки якоря или обмотки возбуждения двигателя и подключить к обмотке якоря резистор (рис. 143).

Как известно, при переходе машины из двигательного режима в генераторный ток I_я в обмотке якоря изменяет свое направление. Если не переключить концы обмотки якоря или обмотки возбуждения, то при изменении направления тока произошло бы размагничивание машины (исчезновение в ней остаточного магнетизма) и она не смогла бы начать работать в качестве генератора последовательного возбуждения. При переключении направление тока в обмотке возбуждения в генераторном режиме остается таким же, как и при двигательном, благодаря чему обеспечивается самовозбуждение машины за счет остаточного магнетизма.

При уменьшении частоты вращения тягового двигателя в процессе реостатного торможения будет уменьшаться создаваемое им напряжение, а следовательно, ток I_я и развиваемый им тормозной момент (тормозная сила). Чтобы поддержать тормозную силу на определенном уровне по мере уменьшения частоты вращения, не-

Рис. 144. Параллельное включение двух тяговых двигателей с последовательным возбуждением при реостатном торможении

обходимо постепенно уменьшать сопротивление тормозного резистора.

Применять реостатное торможение для остановки поезда нельзя, так как при малых частотах вращения тягового двигателя, работающего в генераторном режиме, резко уменьшаются его э. д. с. Е, ток I_я и электромагнитный тормозной момент. Поэтому окончательная остановка поезда производится в таких случаях механическим тормозом.

Тяговые двигатели локомотивов и электропоездов при реостатном торможении включаются только параллельно. При включении двигателей последовательно суммарное их напряжение могло бы достичь больших значений, что недопустимо для нормальной работы электрического оборудования. Однако параллельно включенные генераторы с последовательным возбуждением не в состоянии работать устойчиво, т. е. поддерживать постоянство своих токов и э. д. с.

Например, если по какой-то причине увеличится ток I₁ (рис. 144, а) в одном из параллельно включенных тяговых двигателей, работающих в генераторном режиме, это вызовет увеличение его э.д.с. Е₁. Одновременно уменьшатся ток I₂ и э.д.с. Е₂ второго двигателя. Этот процесс продолжается до тех пор, пока ток I₂ не упадет до нуля, после чего он изменит свое направление. При этом изменится полярность второй машины и вместо параллельного включения двух генераторов образуется замкнутый контур, в который оба генератора будут включены последовательно без какого-либо внешнего сопротивления (рис. 144,б). Такое включение генераторов представляет собой, по сути дела, их короткое замыкание, поэтому по замкнутому контуру начнет проходить большой ток I_к.

Для получения устойчивой работы нескольких параллельно соединенных генераторов обмотки возбуждения их включают с перекрещиванием (рис. 144, в). В этом случае ток первого генератора проходит через обмотку возбуждения второго генератора и наоборот. Поэтому всякое случайное возрастание тока в цепи одного из генераторов вызовет усиление магнитного потока, а следовательно, и э. д. с. во втором генераторе, что обеспечивает автоматическое выравнивание э. д.с. и токов этих генераторов.

Источник