Тормозные свойства асинхронного ТД.

Тормозной режим, по отношению к тяговому, характеризуется изменением направления вращающего момента – т.е. изменением его знака. Как следует из формулы вращающего момента АТД, для изменения знака вращающего момента достаточно изменить знак скольжения, т.е. для перехода АТД в тормозной режим частота вращения ротора должна быть выше частоты вращения магнитного поля статора. Из этого следует, что перевод АТД в тормозной режим возможен без переключений в силовой схеме, что является неоспоримым преимуществом ЭПС с АТД. Таким образом, для обеспечения тормозного режима АТД необходимы два условия:

1. Частота магнитного поля статора должна быть ниже частоты вращения ротора.

2. Для создания магнитного поля статора из питающей сети продолжает потребляться реактивный ток.

Из формулы вращающего момента АТД следует, что регулирование тормозного момента возможно изменением питающего напряжения и его частоты. Возможны следующие режимы торможения АТД:

1. f₂ = const; U₁ = const.

Ток ротора, приведенный к обмотке статора, определяется ЭДС и полным сопротивлением ротора, приведенным к обмотке статора :

.

,

где и – относительные частоты тока статора и ротора;

и – активное и индуктивное (от потоков рассеяния) сопротивления обмотки ротора, приведенные к обмотке статора.

; ,

где f_1н – номинальная частота тока статора.

Асинхронные двигатели устойчиво работают в очень узком диапазоне изменения скольжения. Для АТД обычно £ 0,01…0,02. Поэтому индуктивным сопротивлением можно пренебречь .

В генераторном режиме АТД потребляет из сети реактивный ток, необходимый для создания магнитного потока статора. Поэтому величина Е₁ определяется аналогично режиму тяги:

Е₁ = U₁ – I₁×Z₁,

где Z₁ – полное сопротивление обмотки статора.

При ³ 0,1 потери в обмотке статора практически не зависят от нагрузки ТД, поэтому в первом приближении можно принять Е₁ » U₁.

С учетом перечисленных выше допущений:

.

Мощность по цепи ротора

.

где j₂ – угол между Е₁ и .

С учетом того, что мы пренебрегаем индуктивным сопротивлением цепи ротора, можно принять j₂ = 180° (в генераторном режиме 90° < j₂ < 180°).

.

С учетом того, что скорость движения ЭПС пропорциональна частоте тока статора, можно записать:

.

С точки зрения механики Р₂ = В_к×V, следовательно

,

т.е. при реализации режима f₂ = const; U₁ = const тормозная сила изменяется обратно пропорционально квадрату частоты тока статора или скорости движения.

2. Р₂ = const; U₁ = const.

,

следовательно, при реализации режима Р₂ = const; U₁ = const тормозная сила изменяется в гиперболической зависимости от частоты тока статора или скорости движения.

3. f₁ = const; U₁ = const.

,

Так как f₁ = const, то V = const и тормозная сила оказывается пропорциональна f₂. Режим f₁ = const; U₁ = const удобно использовать для поддержания постоянной скорости движения поезда на затяжном спуске.

4. В_к = const.

Режим постоянства тормозной силы должен быть дополнен условием f₂ = const, что необходимо для устойчивой работы АТД. Из анализа формулы для тормозной силы, приведенной выше, следует, что для поддержания постоянства тормозной силы необходимо регулировать напряжение статора пропорционально скорости . Данный режим аналогичен тяговому режиму с постоянной силой тяги. Постоянство тормозной силы соответствует постоянству тока статора и магнитного потока:

.

Здесь Е₀ – ЭДС, соответствующая номинальной частоте тока статора.

;

.

Ток намагничивания I_m зависит только от величины магнитного потока. Так как f₂ = const, следовательно, и I₁ = const.

5. P₂ > P_2н.

Для АТД характерно отсутствие ограничения по коммутации. В зоне скоростей, выше номинальной действует ограничение по нагреву. Для реализации режима P₂ > P_2н, как следует из формулы необходимо увеличить скольжение ротора до величины, близкой к критической. В этом случае тормозная характеристика будет аналогична режиму постоянства мощности, но расположена в зоне больших значений тормозной силы. Данный режим вызывает повышенные потери в роторе за счет увеличения скольжения.

Теоретически возможна реализация еще больших значений тормозной силы, соответствующих ограничению по сцеплению и Р_{2 max}, но для этого необходимо помимо реализации критических значений скольжения увеличить напряжение статора, что вызывает утолщение изоляции и ухудшение массо-габаритных показателей ТД.

На тормозные характеристики накладываются ограничения по условиям сцепления колес с рельсами, максимальной и минимальной скоростям. Ограничение по максимальной скорости определяется либо конструкцией ходовой части ЭПС, либо максимально допустимой частотой вращения ротора ТД. Ограничение по минимальной скорости вызвано тем, что в генераторном режиме частота вращения ротора АД должна быть больше частоты тока статора. Теоретически минимальная частота тока статора равна 0, следовательно, для выполнения условия f₂ > f₁, существует некая скорость V_min, ниже которой генераторный режим невозможен.

До настоящего времени в России ЭПС с асинхронными ТД в серию не пошел в основном по причинам недостаточной развитости полупроводниковой и микропроцессорной техники. Были созданы опытные образцы: ВЛ80А, ВЛ86Ф, поезд метрополитена.

В настоящее время разрабатываются несколько образцов ЭПС с асинхронными ТД: ЭП100 – скоростное движение, постоянный ток; ЭП10 – двойное питание; ЭТ2А и ЭД6 – пригородное движение, постоянный ток; ЭН3 – пригородное движение, переменный ток; ЭС250 ("Сокол") – скоростное движение, двухсистемный.