Сущность электрического торможения

Электрическое торможение подразделяется на электродинамическое и электромагнитное рельсовое.

Электродинамическое торможение основано на принципе обратимости электрических машин, то есть переводе тягового электродвигателя в режим генератора. В этом случае, машинист включает электрический ток в обмотки возбуждения тяговых электродвигателей. При поступательном движении локомотива колёсная пара через редуктор вращает якорь в магнитном поле системы возбуждения статора. В якоре наводится электрический ток, который направляется на реостат (реостатное торможение) или преобразователь для передачи тока в контактную сеть (рекуперативное торможение). Так механическая энергия движущегося локомотива преобразуется в электрическую энергию при одновременном образовании тормозной силы.

Применение электродинамического торможения локомотивов позволяет:

· уменьшить износ тормозных колодок и бандажей колёсных пар;

· повысить безопасность движения поездов вследствие наличия на локомотивах дополнительной системы торможения;

· повысить скорости движения поездов на затяжных спусках;

· уменьшить затраты на содержание механической системы торможения;

· применить автоматическое регулирование торможения для поддержания по программе автоведения определённой скорости движения, например: в поездах метрополитена и, особенно в поездах высокоскоростного движения («Сапсан»).

Основными недостатками электродинамического торможения являются: – получение тормозного эффекта только в процессе движения локомотива и только тех осей подвижного состава, которые имеют тяговые электродвигатели;

· рост температуры нагрева обмоток тяговых электродвигателей;

· увеличение веса локомотива из-за применения специальных тормозных реостатов;

· усложнение системы управления работой силового оборудования электроподвижного состава.

Электродинамическое торможение локомотивов и электроподвижного состава является вспомогательным тормозом. Оно применяется наряду с колёсно-колодочными и другими системами торможения.

На тепловозах (ТЭМ2, 2ТЭ116, ТЭП70 и др.), оборудованных электродинамическим тормозом, применяют системы независимого возбуждения ТЭД при их работе в генераторном режиме. Питание обмоток возбуждения двигателей при электродинамическом торможении осуществляется от тягового генератора тепловоза.

Регулирование тормозной силой производится изменением напряжения (тягового генератора) на обмотку возбуждения ТЭД и, соответственно, величины магнитного потока двигателей. При постоянной частоте вращения коленчатого вала дизеля напряжение тягового генератора регулируется током обмотки возбуждения самого генератора.

На маневровых тепловозах ТЭМ2 и ЧМЭ3, оборудованных электрическим тормозом, тормозную силу регулируют изменением общего сопротивления R_т тормозных резисторов (рисунок 3).

Рисунок 3. Принципиальная схема реостатного торможения двигателей.

Уравнение электрического равновесия при реостатном торможении

сvФ = (∑r_я +R_т)I_ТЭД, (24)

где ∑r_я – сопротивление обмоток якорей тяговых электродвигателей;

R_т – сопротивление тормозного резистора;

I_ТЭД – сила тока в цепи якоря ТЭД;

Ф – магнитный поток в обмотках возбуждения ТЭД;

v – скорость движения локомотива, км/ч;

с – электрическая постоянная, отражающая конструкционные параметры двигателя.

Скорость движения локомотива при электрическом реостатном торможении

, км/ч. (25)

Тормозная сила, создаваемая электродвигателями в режиме генератора при взаимодействии колёс с рельсами

, кН, (26)

где n_ТЭД – число тяговых электродвигателей;

ΔВ – механические и магнитные потери в электрической передаче, кН:

, (27)

где ΔР_мех – механические потери мощности в тяговых электрических машинах локомотива, кВт;

ΔР_магн – потери в магнитной системе тяговых электродвигателей, кВт;

ΔР_тп – потери мощности в тяговом приводе колёсных пар локомотива, кВт;

v – скорость движения локомотива в режиме торможения, км/ч.

Рисунок 4. Принципиальные схемы соединений концов обмоток якорей и обмоток возбуждения.

Реостатное торможение при последовательном возбуждении тяговых электродвигателей широко используется на электроподвижном составе постоянного тока. При торможении тяговые электродвигатели отключаются от контактной сети и замыкаются на тормозные резисторы R_т (рисунок 4а). Переход тяговой машины электровоза в генераторный режим происходит благодаря сохранившемуся в ней магнитному потоку (остаточному магнетизму).

При реостатном торможении электроподвижного состава с самовозбуждением тяговые электродвигатели переключают либо концы Я и ЯЯ якоря (рисунок 4б), либо К и КК обмотки возбуждения (рисунок 4в).

Рисунок 5. Токовые характеристики реостатного торможения.

Достоинство такого торможения – относительная простота устройства и независимость от работы контактной сети. К недостаткам следует отнести заметную задержку эффективного торможения, так как в начальный период работы (1-2 с) остаточный магнетизм в магнитной системе электродвигателя невелик. На (рисунок 5) приведены токовые характеристики реостатного торможения с самовозбуждением ТЭД при различных сопротивлениях тормозного реостата R_т. Изменяя сопротивление реостата, регулируют силу тока ТЭД и, соответственно, тормозную силу В_т. Штриховыми линиями показаны ограничения тормозной силы: 1 – по силе сцепления колёс с рельсами; 2 – по максимальной силе тока ТЭД; 3 – по допустимому напряжению ТЭД; 4 – по максимальной скорости движения.

Зависимость тормозной силы В_т от силы тока I_ТЭД приведена на (рисунок 6). На этом же рисунке показана характеристика изменения электромагнитной силы F_ТЭД, которая в зависимости от направления тока обеспечивает создание либо тормозного момента, либо силы тяги при взаимодействии колёсных пар с рельсами. Разницу между характеристиками В_т = f(I_ТЭД) и F_ТЭД= f(I_ТЭД) составляют механические и магнитные потери ΔВ в электрической передаче локомотива.

Рисунок 6. Зависимость тормозной силы и электромагнитной силы тяговых двигателей от тока тяговых электродвигателей.

Следует отметить, что на локомотиве не допускается одновременное применение электрического и пневматического торможения из-за большой вероятности заклинивания колёсных пар и образования юза.

Электромагнитные тормоза. Тормозной эффект достигается за счёт силы электромагнитного притяжения к рельсам специальных стальных тормозных башмаков (рисунок 7), на пружинах подвешенных к боковым балкам рамы тележки локомотива. Тормозные башмаки имеют направляющие, обеспечивающие их вертикальное перемещение относительно боковин рамы тележки. При питании обмоток возбуждения башмаков током от аккумуляторной батареи создаётся магнитный поток, охватывающий сердечник тормозного башмака и рельса – башмаки притягиваются к рельсам и возникает тормозная сила. Эта тормозная сила не ограничена сцеплением колёс с рельсами.

Рисунок 7. Схема рельсового тормоза.

Поэтому в высокоскоростном поезде, при наличии электромагнитного тормоза, дополнительно имеется несколько систем торможения, которые в сочетании с электромагнитным тормозом, обеспечивают наибольшую эффективность применения в определённом диапазоне скоростей движения. Например, скоростной электропоезд ЭР200 оборудован: колёсно-колодочным пневматическим тормозом; электрическим реостатным тормозом с самовозбуждением; электропневматическим колёсно-колодочным тормозом; дисковым тормозом; магнитно-рельсовым тормозом; ручным тормозом для удержания поезда на месте. Для управления скорости движения поезда контроллер машиниста дополнительно имеет четыре тормозных положения, обеспечивающих безопасное сочетание различных систем торможения.

На рисунке 8 представлены опытные зависимости тормозного пути S_т в м от начальной скорости движения v в км/ч электропоезда ЭР200 одиночными и в сочетании различных систем при торможении: 1 – электромагнитные рельсовые тормоза; 2 – дисковые тормоза; 3 – при совместном действии дискового и электромагнитного рельсового тормозных систем.

Анализ представленных зависимостей убедительно доказывает высокую эффективность применения комбинированных тормозов в скоростном движении поездов.

Рисунок 8. Зависимость тормозного пути от скорости движения и системы торможения электропоезда ЭР200.