Что такое рекуперативный режим двигателя

§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 n (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 n, 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 n, 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.

При использовании стабилизирующего резистора его включают в цепь возбудителя так, что по нему, кроме тока возбуждения I_в, проходит и ток обмотки якоря I_я тягового двигателя, работающего в генераторном режиме (рис. 142,б). При уменьшении напряжения в контактной сети возрастут ток рекуперации I_я, отдаваемый тяговым двигателем, и падение напряжения ?U в стабилизирующем резисторе 7. Так как падение напряжения ?U в контуре «стабилизирующий резистор — обмотка якоря возбудителя» действует против напряжения возбудителя U_в, его увеличение приведет к уменьшению тока I_в, поступающего в обмотку возбуждения тягового двигателя, и снижению создаваемой в нем э. д. с. В результате будет иметь место такой же стабилизирующий эффект, как и при возбудителе со встречно-смешанным возбуждением.

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.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ТОРМОЖЕНИЕ

Двигатели постоянного тока, в том числе и тяговые, как уже было отмечено, обладают свойством обратимости , т. е, могут работать как генераторы. При этом кинетическая и потенциальная энергия поезда преобразуются в электрическую. Получаемая энергия превращается в тепловую в резисторах или возвращается в контактную сеть. В зависимости от этого различают два вида электрического торможения: реостатное и рекуперативное.
При реостатном торможении тяговые двигатели отключают от контактной сети и включают на тормозные резисторы. Преимуществом этого способа торможения является независимость тормозного процесса от наличия напряжения в контактной сети. Применяют две системы реостатного торможения: с самовозбуждением двигателей и с независимым возбуждением.
В первом случае обмотки возбуждения двигателей соединены последовательно с обмотками их якорей. Чтобы обеспечить переход из тягового режима в тормозной, начало и конец обмоток возбуждения тяговых двигателей ме­няют местами с помощью контактов реверсора (рис. 45). Это необходимо, так как в генераторном режиме ток по обмоткам якоря проходит в направлении, противоположном его направлению в двигательном режиме, а по обмотке возбуждения ток должен проходить в том же направлении.

Рис.45 Схема цепей электрического торможения при включении группы тяговых двигателей на отдельный тормозной реостат

Действительно, если отсутствует напряжение, подаваемое на двигатель извне, направление тока будет определяться направлением э. д. с. двигателя, противоположным направлению внешнего напряжения.
Известно, что сталь после прекращения ее намагничивания обладает остаточным магнетизмом, который исчезает, когда изменяется направление тока в обмотках возбуждения. При этом может нарушиться самовозбуждение двигателей.
Во время торможения каждую группу, например, из двух тяговых двигателей, соединенных последовательно, можно включить на отдельный тормозной резистор Rт (см. рис. 45). Если в режиме тяги были замкнуты контакты реверсора 1, 2, то перед переходом на реостатное торможение они размыкаются и замыкаются контакты 3, 4. При этом тормозной ток Iт, проходя по обмоткам возбуждения в том же направлении, что и в двигательном режиме, создает поток, намагничивающий машину. Их общая э. д. с. увеличивается. Ток Iт возрастает до некоторого значения, определяемого скоростью движения и сопротивлением тормозного реостата Rт. Тормозную силу регулируют, изменяя ток Iт путем включения или выключения секций тормозного реостата с помощью контакторов (на рис. 45 они не показаны).
При реостатном торможении тяговые двигатели включают параллельно по два в каждом плече. В этом случае возросшее напряжение на каждом двигателе находится в допустимых пределах — в 1,5—1,7 раза выше, чем в тяговом режиме, и можно использовать в режиме торможения пусковой реостат. Однако при параллельном соединении двигателей последовательного возбуждения приходится принимать специальные меры для обеспечения их устойчивой работы и равномерного распределения тока между ними. Если двигатели включить параллельно (рис. 46 — замкнуты контакты 1, 2, а контакты 3, 4 разомкнуты), реостатное торможение неустойчиво, так как любое случайное увеличение тока в одной из двух ветвей, содержащих по два последовательно со­единенных двигателя, увеличивает э. д. с. двигателей этой ветви. Появляется уравнительный ток, который еще больше нагружает их и разгружает двигатели другой ветви. Это может в конце концов привести к короткому замыканию двигателей первой ветви и полному размагничиванию, а затем и перемагничиванию двигателей второй ветви.

(Электрически устойчивой является система, в которой при нарушении установившегося состояния, вызванном так называемыми возмущающими воздействиями, токи и напряжения изменяются, но после исчезновения этих воздействий принимают прежние установившиеся значения. Если меняются условия, определяющие установившийся режим (например, напряжение сети, сопротивление тормозного реостата), то устойчивая система принимает новое состояние равновесия. Система, не удовлетворяющая этим условиям, неустойчива.)

Наилучшее распределение нагрузок между тяговыми машинами и их устойчивую работу обеспечивает так называемая перекрестная схема (на рис. 46 контакты 1, 2 разомкнуты, а контакты 3, 4 замкнуты).

Рис.46. Схема цепей электрического торможения с общим тормозным реостатом при перекрестном включении обмоток возбуждения

Если по какой-либо причине э. д. с. двигателей I, II, а следовательно, и ток будут больше, чем соответственно э. д. с. и ток двигателей III, IV, ток в обмотках возбуждения последних будет возрастать, пока э. д. с. двигателей I, II и III, IV не станут равными.
В случае параллельного соединения трех групп двигателей возможно применение так называемой циклической схемы реостатного торможения, при которой обмотка возбуждения каждого двигателя соединена последовательно с якорем двигателя другой параллельной ветви. Подразумевается такое включение обмоток, при котором их потоки не размагничивают двигатели.
Реостатное торможение двигателей с самовозбуждением имеет ряд недостатков. Одним из них является сравнительно медленное самовозбуждение и относительно большое время, которое требуется для создания необходимой тормозной силы. Чтобы ускорить самовозбуждение, можно подать дополнительное напряжение от независимого источника либо на основную обмотку возбуждения, либо на специальную добавочную обмотку с небольшим числом витков. При этом начальная э. д. с. определяется уже не потоком остаточного магнетизма, а значительно большим магнитным потоком.
Тормозную силу регулируют, изменяя как сопротивление Rт, так и магнитный поток двигателей, для чего изменяют напряжение независимого источника.
В случае рекуперативного торможения электрическая энергия, возвращаемая в контактную сеть рекуперирующим электровозом, потребляется электровозами, находящимися с ним на одном участке и работающими в тяговом режиме. Если таких электровозов нет или необходимая им энергия меньше рекуперируемой, то так называемая избыточная энергия рекуперации через устанавливаемые на тяговой подстанции специальные устройства — инверторы, преобразующие постоянный ток в переменный трехфазный, направляется в энергосистему. На электрифицированных участках с очень интенсивным движением, где, как правило, почти вся рекуперируемая энергия потребляется электровозами или электропоездами, работающими в режиме тяги, иногда вместо инверторов на подстанциях устанавливают поглощающие резисторы. Они автоматически включаются при наличии избыточной энергии рекуперации.
Применение рекуперации дает большой эффект. На отдельных участках с крутыми спусками может быть сэкономлено до 20% электрической энергии, затрачиваемой на тягу поездов. Преимущества рекуперативного торможения этим не ограничиваются. Когда поезд следует по крутому спуску, для того чтобы его скорость не превысила допустимую, обычно локомотив и состав периодически подтормаживают пневматическими тормозами. В результате скорость движения поезда уменьшается, а затем вновь возрастает, т. е. средняя скорость его на спуске ниже допустимой. Кроме того, все время притормаживать поезд нельзя, так как истощается пневматическая тормозная система, снижается коэффициент трения колодок вследствие их нагревания. При рекуперативном торможении можно обеспечить на спуске постоянную скорость, близкую к допустимой, зависящей от состояния пути, конструкции электровозов, вагонов, контактной сети. Кроме того, к контактной сети при рекуперации подключается дополнительный источник энергии, напряжение в ней повышается, и другие электровозы на этом участке, следующие по подъему или площадке, могут развивать более высокую скорость.
Благодаря электрическому торможению также значительно уменьшается износ тормозных колодок и колес подвижного состава, в результате чего намного снижаются расход металла и затраты на ремонт колесных пар.
Системы рекуперативного торможения должны обеспечивать постоянный ток рекуперации в тяговых двигателях и тормозной момент в условиях непрерывного изменения напряжения в контактной сети. Напряжение в контактной сети колеблется хотя бы потому, что от нее в разные периоды питается различное количество электровозов и электропоездов, да и потребляемая ими мощность меняется в очень широких пределах. При эти возможны резкие изменения тока pрекуперации. Этот ток определяется разностью суммарной э. д. с. последовательно соединенных двигателей и напряжения в контактной сети, деленного на сопротивление их обмоток. Общее сопротивление обмоток двигателей, даже соединенных последовательно, как отмечалось выше, мало. Поэтому даже относительно небольшие резкие изменения разности суммарной э. д. с. и напряжения сети вызывают большие броски тока.
Предположим, что в контактной сети по какой-либо причине напряжение увеличилось. Тогда ток в якоре тягового двигателя, работающего в режиме генератора, может изменить направление, и двигатель автоматически перейдет в тяговый режим. Вместо того чтобы тормозить поезд, двигатель будет разгонять его. При понижении напряжения, наоборот, ток рекуперации резко увеличится, тормозной момент возрастет и в поезде возникнут сильные толчки вследствие набегания хвостовых вагонов.
Следовательно, при допустимых нормами колебаниях напряжения в контактной сети в системе рекуперативного торможения должен автоматически поддерживаться примерно один и тот же ток рекуперации, а значит, и тормозной момент, установленный в зависимости от условий движения поезда.
Напомним, что для перехода двигателя из тягового режима в генераторный необходимо, чтобы э. д. с. в обмотке якоря стала больше приложенного напряжения, т. е. напряжения в контактной сети. Но двигатель с последовательным возбуждением не может перейти в режим генератора, потому что магнитный поток возбуждения в нем резко снижается при уменьшении нагрузки, а э. д. с. в обмотке якоря не может стать выше напряжения в сети.
Для того чтобы осуществить рекуперативное торможение, необходимо обмотки возбуждения отключить от обмоток якорей и питать их от постороннего источника энергии, например от специального генератора возбудителя В (рис. 47, а).

Рис.47 Схема рекуперативного торможения при независимом возбуждении тяговых двигателей со стабилизирующим резистором Rст (а) и с противовозбуждением возбудителя (б)

Якорь возбудителя приводится во вращение двигателем Д. В этом случае можно установить в обмотках возбуждения такой ток, при котором э. д. с. в обмотках якорей тяговых двигателей станет больше напряжения в контактной сети. Если скорость движения поезда уменьшится, то может снизиться э. д .с. двигателей, работающих в режиме генераторов. Однако достаточно увеличить ток возбуждения Iв чтобы поддержать необходимую э. д. с, а значит, ток и тормозной момент, создаваемый двигателями. Для этого регулируют ток Iв в независимой обмотке возбуждения возбудителя В, изменяя сопротивление реостата П..
Схемы, построенные по такому принципу, можно использовать для рекуперативного торможения нескольких параллельно включенных двигателей. При этом в каждой цепи двигателя имеется стабилизирующий резистор R т, а обмотки возбуждения подключены к общему возбудителю В. Стабилизирующие резисторы обеспечивают электрическую устойчивость системы в режиме рекуперативного торможения, но они жесоздают и присущий схеме недостаток: значительные потери энергии в этих резисторах и необходимость повышенной мощности возбудителя для их компенсации.
Предложено несколько схем, свободных от этого недостатка. Так, на восьмиосных электровозах для осуществления рекуперативного торможения используют противовозбуждение возбудителя (рис. 47, б). В этом случае обмотки возбуждения ОВ тяговых двигателей подключают к якорю возбудителя В. Возбудитель имеет две обмотки: независимую ОНВ, напряжение в которую подается от постороннего источника энергии, и обмотку противовозбуждения ОПВ, включенную последовательно в цепь тока рекуперации. Магнитные потоки обеих обмоток, создаваемые соответственно токами Iонв и Iр, направлены встречно. При увеличении тока рекуперации в случае уменьшения напряжения в контактной сети ток обмотки противовозбуждения снижает результирующий магнитный поток возбуждения возбудителя. Соответственно уменьшаются возбуждение генератора (тягового двигателя) и его э. д. с. Когда напряжение в контактной сети повышается, ток рекуперации уменьшается и все процессы в схеме проходят в обратном порядке. При рекуперативном торможении с использованием противовозбуждения обмотки возбуждения двигателей включают так же, как и при реостатном торможении, по циклической схеме. Это позволяет выравнивать токи в параллельных цепях якорей двигателей в случае повышения э. д. с. в одной из них.
В зависимости от скорости движения поезда рекуперативное торможение применяют на трех соединениях якорей тяговых двигателей. Если скорость движения большая, используют параллельное соединение. В случае малой скорости движения получить большую э. д. с. машин невозможно, и тогда применяют последовательно-параллельное или последовательное соединение.
Необходимые переключения в силовой цепи для перехода в рекуперативный режим производят тормозным переключателем. По устройству он аналогичен реверсору (см. рис. 44). На электровозах серий ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11 (в двухсекционном исполнении) устанавливают два кулачковых тормозных переключателя.

Рекуперативное торможение

Описание электропоездов и электровозов, расписание поездов, фотографии

§ 94. Рекуперативное торможение

Электроподвижной состав постоянного тока с машинными преобразователями.

Для осуществления рекуперативного торможения используют схемы со стабилизирующими резисторами и с возбудителями встречного смешанного возбуждения.

Схема со стабилизирующими резисторами В схеме рис. 251, а стабилизирующий резистор /?ст сопротивлением гст является общим для цепей якоря и обмотки возбуждения тягового двигателя.

Уравнение напряжения для цепи тока возбуждения в установившемся режиме

= Свп,Фа = /„ (лст + г„ + г„) + /гст,

где £„, С„, га„, Ф„ и гяв — соответственно э. д с, постоянная, частота вращения, поток и сопротивление обмотки якоря возбудителя В, I, гае — соответственно ток и сопротивление двигателя М1.

Из этого выражения следует, что

/ _ £в — 1г„ ^ Сяп„Фв — 1г„

В цепи тока якоря двигателя М1

Еа = vCaФл = ис + /(лдя + г„) + /„/•„,

откуда можно получить уравнение для скорости:

Ц с + А>дя + Г„) + /.Гст

Из уравнения для /в вытекает, что при увеличении тока якоря / ток возбуждения

Рис. 251 Схемы силовых цепей при рекуперации иа электровозах постоянного тока со стабилизирующими резисторами (а) и с возбудителями встречного смешанного возбуждения (б, в, г, д)

уменьшается и наоборот. Чем больше сопротивление гст, тем резче проявляется эта зависимость и тем круче падает характеристика 1>(/), обеспечивая малую чувствительность системы к колебаниям напряжения в контактной сети При увеличении скорости движения V ток якоря / возрастает из-за увеличения э д. с. £д, а следовательно, уменьшаются ток возбуждения /„ и магнитный поток Фд. Поэтому тормозная сила В « 0,367СДФД/ будет возрастать лишь до определенного максимума, наступающего при некоторой скорости о„. В зоне скоростей выше ик тормозная характеристика оказывается механически неустойчивой

С увеличением сопротивления г„ уменьшаются величины Вт„ и ч„ Область возмож-

ного использования рекуперации ограничена минимальной скоростью:

«шн. = (V, — 2£д)/(СдФдт>х) » 1/с/(СжФЖП1М). т. е. ограничена по току /вга,х

Вид характеристики v(l) и для схемы рис. 251, а (так как Фдтах = /втах) определяется внутренними нагрузочными характеристиками СДФД(/В), реакцией якоря и насыщением возбудителя [характеристикой С„Фв(ів)], изменением частоты вращения двигателя Д возбудителя в зависимости от его нагрузки.

При рекуперации суммарная э. д. с двигателей 2£д должна быть больше напряжения сети £/с; с уменьшением скорости 2£д уменьшается. Следовательно, для расширения зоны рекуперации и снижения рт1П необходимо с понижением скорости движения поддерживать 2£д > > £/с. Это осуществляют в первую очередь, увеличивая число последовательно соединенных якорей двигателей, т. е. применяя переход с параллельного на последовательно-параллельное, а с последовательно-параллельного на последовательное соединения якорей двигателей. Жесткость характеристик увеличивается при переходе с параллельного на последовательное соединение якорей тяговых двигателей.

При использовании стабилизирующих резисторов в рекуперативном режиме необходимо иметь специальный возбудитель, мощность которого значительно превосходит мощность, необходимую непосредственно для питания обмоток возбуждения; кроме того, ограничивается область применения рекуперативного торможения и уменьшается максимальная тормозная сила. При рекуперативном торможении, например по схеме рис. 251, а, на электровозе ВЛ22М мощность, потребляемая обмотками возбуждения при токе возбуждения /„ = 200 Л, составляет 23,2 кВт. В действительности из-за наличия стабилизирующих резисторов применяют возбудитель мощностью 57 кВт, а для его привода — двигатель мощностью 67 кВт. В стабилизирующих резисторах теряется также и некоторая часть энергии, вырабатываемой двигателями в генераторном режиме, что уменьшает отдачу энергии в сеть. Поэтому на современных электровозах постоянного тока с тяговыми двигателями последовательного возбуждения применяют схемы рекуперации с возбудителями встречного смешанного возбуждения.

Схема с возбудителями встречного смешанного возбуждения. В схеме рис. 251, б применен возбудитель В с двумя обмотками возбуждения: независимой НО и встречной ВО. Через обмотку ВО протекает ток якоря тягового двигателя /. Во время рекуперации м. д с. обмоткн ВО направлена навстречу м д. с. обмоткн НО. По

мере увеличения тока рекуперации / э. д. с. £в возбудителя, а следовательно, и ток возбуждения /„ уменьшаются. При уменьшении тока / э. д. с. £в и ток /в увеличиваются. Следовательно, обмотка ВО возбудителя сглаживает толчки тока и тормозной силы при изменениях напряжения в контактной сети.

Форма рекуперативных характеристик при возбудителе встречного смешанного возбуждения будет иной, чем в схеме с возбудителем независимого возбуждения и стабилизирующими резисторами. Тре-бумая крутизна характеристик рекуперативного торможения по схеме рис. 251, б достигается изменением соотношения м. д. с. обмоток возбуждения возбудителя при заданном токе /нв. Чем больше

Отношение /И’воАкв^’но. тем больше ВЛИЯет

ток в якоре на э. д. с. возбудителя £в и тем круче характеристики и(/). Однако одновременно уменьшается максимальное значение тормозного усилия Втах.

В схемах со стабилизирующими резисторами в каждой параллельной цепи токи возбуждения определяются только токами якорной цепи. Поэтому, возможно, н отклонения токов в цепи якорей будут частично компенсированы отклонениями токов возбуждения. При одном возбудителе встречного смешанного возбуждения на локомотивах с двумя и большим числом параллельных цепей тяговых двигателей не может быть обеспечено удовлетворительное распределение токов по этим цепям. Неравномерность токов в параллельных цепях можно ограничить, если для каждой цепи установить свой возбудитель, э: д. с. которого уменьшалась бы только при увеличении тока в цепи своих якорей. Однако иметь на электровозе большое число возбудителей (например, на электровозах ВЛ8, ВЛ10У и ВЛ10 по четыре) нежелательно. Поэтому на э. п. с. постоянного тока с числом параллельных цепей двигателей две и больше применяют один или два возбудителя встречного смешанного возбуждения, а для выравнивания токов в параллельных цепях — схемы с циклической стабилизацией, включая в каждую параллельную цепь якорей уравнительные резисторы Яу (рис. 251, и ( 2 трансформатора приложенные к тиристорам прямое и обратное напряжения выше расчетного напряжения питания, что учитывают прн выборе тиристоров.

Инвертор, выполненный по схеме рис. 252, а, устойчиво работает на партии электровозов ВЛ10 и на опытных электровозах ВЛ12. Однако поочередное протекание тока через полуобмотки коммутирующего реактора !

Что такое рекуперативный режим двигателя

7.5. Работа электродвигателей в тормозных режимах

Электрические двигатели используются не только для приведения во вращение механизмов, но и для их торможения. Торможение необходимо, если нужно быстро остановить механизм или уменьшить его частоту вращения. Применение механических тормозов для этого затруднительно из-за нестабильности их характеристик, малого быстродействия и трудностей автоматизации.

Различаются три вида тормозных режимов двигателей постоянного тока:

1) генераторное торможение с отдачей электрической энергии в сеть (рекуперативное торможение);

2) генераторное торможение с гашением выработанной энергии в реостате, подключенном к обмотке якоря (реостатное, или динамическое, торможение);

3) электромагнитное торможение (торможение противовключе-нием).

Во всех трех режимах электромагнитный момент М воздействует на якорь в направлении, противоположном п, т. е. является тормозным. Рассмотрим более подробно эти режимы.

Рекуперативное торможение. Двигатель с параллельным возбуждением переходит в режим рекуперативного торможения, если его частота вращения превышает п_о=и/(с_еф). Тогда ЭДС машины становится больше напряжения сети и ток меняет направление:

т. е. двигатель переходит в генераторный режим, создает тормозной момент, а выработанная электрическая энергия отдается в сеть и может быть использована.

Переход машины с параллельным возбуждением из двигательного режима в генераторный может происходить автоматически, если под действием внешнего момента якорь вращается с частотой, большей частоты вращения холостого хода: п

>п. Можно перевести машину в генераторный режим и принудительно, уменьшив частоту вращения п за счет увеличения магнитного потока (тока возбуждения) или снижения напряжения, подводимого к двигателю. Механические характеристики в генераторном режиме являются продолжением механических характеристик двигательного режима в область отрицательных моментов (рис. 7.23).

Двигатели с последовательным возбуждением не могут автоматически переходить в режим рекуперативного торможения. Если необходимо иметь рекуперативное торможение, схему двигателей в тормозном режиме изменяют, превращая двигатели в генераторы с независимым возбуждением. Двигатели со смешанным возбуждением могут автоматически переходить в генераторный режим, что обусловило их применение в троллейбусах и трамваях, где часты остановки, а двигатель должен обладать мягкой механической характеристикой.

Рис. 7.23. Механические характеристики двигателя с параллельным возбуждением в двигательном и генераторном режимах

Рис. 7.24. Схема включения двигателя с параллельным возбуждением в режиме динамического торможения (а), скоростные и механические характеристики при торможении (б)

Динамическое торможение. При динамическом (реостатном) торможении двигателя с параллельным возбуждением обмотка якоря отключается от сети и к ней присоединяется реостат /?_д (рис. 7.24, о). При этом машина работает в генераторном режиме и создает тормозной момент. Однако выработанная электрическая энергия гасится в реостате. Ток якоря при торможении

прямо пропорционален частоте вращения п, вследствие чего скоростные характеристики I=f(n)—прямые, проходящие через начало координат (рис. 7.24, б).

Тангенс угла наклона характеристик у в масштабе равен сопротивлению в цепи якоря:

В процессе торможения по мере уменьшения скорости постепенно уменьшают Я_л, плавно или ступенями, чтобы поддержать средний ток якоря, а следовательно, и тормозной момент на заданном уровне. При очень больших частотах вращения в режиме торможе-

нчя приходится уменьшать ток возбуждения, чтобы ЭДС машины Е не превзошла допустимого значения

Механические характеристики в тормозном режиме при постоянном магнитном потоке имеют тот же вид, что и скоростные характеристики, только масштаб по оси абсцисс меняется в соответствии с формулой М — с_чФ1_а (рис 7 24, б)

При ослабленном поле (при уменьшенном токе возбуждения) характеристики остаются линейными, но увеличивается угол их наклона При л «О тормозной

момент равен нулю Следовательно, для того чтобы якорь был заторможен в неподвижном состоянии, реостатное торможение должно быть дополнено другим, например механическим

Двигатель с последовательным возбуждением может работать в режиме динамического торможения, но при переводе его в этот режим нужно переключить провода, подводящие ток к обмотке возбуждения (рис 7 25) Это необходимо для того, чтобы при изменении направления тока в якоре при переходе из двигательного режима в генераторный направление тока в обмотке возбуждения оставалось неизменным (от б к а, рис 7 25) и создаваемая этой обмоткой МДС F_в совпадала по направлению с МДС F_OCT от остаточного магнетизма В противном случае генераторы с самовозбуждением размагничиваются

Построение тормозных характеристик поясняется рис 7 26, а. Если в цепь машины включено добавочное сопротивление /?_д, то установившийся режим работы соответствует точке пересечения

Рис 7 25 Изменение схемы при переводе двигателя последовательного возбуждения (а) в режим динамического торможения (б)

Рис 7 26 Характеристики n=f(l_a) при реостатном торможении двигателя последовательного возбуждения и их построение

Рис. 7.27. Схема включения двигателя с параллельным возбуждением в режиме электромагнитного торможения и его механические характеристики

вольт-амперной характеристики сопротивления (2# + /?_д) с характеристикой E—f(I_B), которая близка к характеристике холостого хода. При Пх это точка а_ь при п₂ — точка а₂ и т. д. При некоторой критической скорости, когда вольт-амперная характеристика сопротивления совпадает с начальным прямолинейным участком характеристики E=f(l_a), машина размагничивается и ток становится близким к нулю. По координатам точек а, а₂ и т. д. можно построить зависимость n—f(I_a); эти скоростные характеристики являются нелинейными (рис. 7.26, б).

Механические характеристики строятся на основании скоростных характеристик и моментной — М= =/(/_о), они также нелинейны.

Электромагнитное тормо жение. В этом режиме изменяют направление электромагнитного момента М, сохраняя неизменным направление вращения, т. е. момент делают тормозным. Последнее осуществляют так же, как и при изменении

направления вращения двигателя, путем переключения проводов, подводящих ток к обмотке якоря (рис. 7.27, а) или к обмотке возбуждения. Чтобы ограничить ток в этом режиме, в цепь обмотки якоря вводят добавочное сопротивление /?_д. Регулирование тока I_a=(U+E)/(I,R+R_A), т. е. тормозного момента М, осуществляют изменением R_a (рис. 7.27, б) или ЭДС (тока возбуждения /„).

С энергетической точки зрения рассматриваемый способ торможения невыгоден, так как машина потребляет как механическую, так и электрическую энергию, которые гасятся в обмотке якоря и включенном в ее цепь реостате. Но при этом способе можно получать большие тормозные моменты при низких частотах вращения и даже при п = 0, поскольку в этом случае ток I_a= U/ (2/? + /?_д).