Принцип действия и свойства электродинамического тормоза

Электродинамическое (реостатное) торможение основано на преобразовании кинетической энергии электровоза или, в общем случае, всего подвижного состава сначала в электрическую тяговыми двигателями, работающими в режиме генератора постоянного тока, а затем перевода этой электрической энергии в тепловую в тормозных резисторах.

Если замкнуть якорь тягового двигателя на резистор сопротивлением R (рис. 1), то получим контур, уравнение энергетического баланса которого и* Л. = Д/5, (1)

где /_я и и_я - соответственно ток и напряжение якоря.

При этом двигатель создает тормозной момент

М_т = Phi = IlRhi. (2)

Если R = const, то М_т = к1\1п, где к - коэффициент пропорциональности. Так как частота вращения п якоря изменяется независимо от электрических параметров и связана непосредственно со скоростью движения электровоза, то в определенный промежуток времени справедливо п = = const; тогда можно записать М_т =к'Ц. Это значит, что тормозной момент можно регулировать, изменяя ток якоря.

Ток якоря /_я = UJR-, напряжение на якоре является функцией тока возбуждения /_в и частоты вращения: U_n - f (/_Б, п). Поэтому при условии, что R = const и п = = const (где п - независимо изменяющийся параметр), можно записать м_т = Д (/_я), где /_я = /₂ (/_в).

Из этого следует, что М_т = Д₂ (/_Б), т. е. тормозной момент является функцией тока возбуждения и его можно регулировать, изменяя ток возбуждения.

Значение момента М_т, рассчитанное по выделяемой в резисторе Я мощности, соответствует мощности на выходных зажимах тягового двигателя. Подводимая к оси тягового двигателя механическая энергия больше энергии, поглощаемой тормозными резисторами. Если в тормозных резисторах выделяется мощность Р=1яИ, а момент УИ_Т - Р/п, то на оси тягового двигателя

(3)

Тормозной момент от оси электровоза к тяговому дви-тателю передается через коробку передач. Коробка пере дач, во-первых, обеспечивает изменение передаваемого момента в отношении, обратном отношению входной и выходной частот вращения, а во-вторых, увеличивает тормозной момент, т. е.

где М - момент, рассчитанный по выделяемой на тормозном резисторе мощности; п\ - частота вращения оси электровоза; я₂- частота вращения оси тягового двигателя; к_а=п₂/п1 - постоянная коробки передач; т]_п - механический к. п. д. коробки передач; Т1_тд - электромеханический к. п. д. тягового двигателя в режиме генератора постоянного тока.

Поскольку Т1т_д и т)п всегда меньше единицы, то максимальное значение тормозного момента М_т будет больше, чем соответствующая мощность, выделяемая в тормозных резисторах. Потери, возникающие в механической и электрической частях тормоза, не снижают тормозную силу, а увеличивают ее.

Электродинамический тормоз электровоза используется в различных режимах. При замедлении движения поезда и притормаживании на склонах осуществляется только электродинамическое торможение с требуемой мощностью. Для быстрого замедления или остановки поезда используются одновременно электродинамический тормоз электровоза и пневматический поезда, причем работать они должны согласованно. В случае необходимости резко остановить поезд в исключительных ситуациях применяют одновременно электродинамический тормоз электровоза и пневматический тормоз поезда; оба тормоза работают с максимальной мощностью и независимо один от другого.

Рис 1. Схема тягового двигателя при электродинамическом торможении:

/в - ток возбуждения; /я - ток якоря, ҐІ - частота вращения якоря

На малых скоростях мощность электродинамического тормоза снижается, в то время как тормозной эффект пневматического тормоза возрастает. Поэтому на скорости ниже определенного значения выгоднее перейти от торможения электрического к пневматическому. Это значение скорости должно быть правильно выбрано как по оптимальному использованию обоих видов тормоза, так и по сцеплению, толчцам момента и т. д.

Свойства электродинамического тормоза определяются в основном управляющим регулятором. При разработке управляющего регулятора тормоза необходимо учитывать и механические свойства всего поезда.

Электровоз (рис. 2, а и б) представляет собой, с одной стороны, значительную массу т?., а с другой, является источником сил р тяги и торможения. За электровозом следует какое-то число п вагонов. Каждый вагон обладает своей собственной массой (т₁, ..., т_п), которая может быть у всех вагонов одинакова, но может и существенно различаться. Кроме того, имеет свое сопротивление при движении и тормоз (ге)1, ..., т_п). Связь между вагонами не абсолютно жесткая, а имеет составляющую гибкости (щ., Сц, с₁₂, ..., С(„__Л)₂, с_пХ) в зависимости от типа сцепки и величины зазора б между вагонами.

Скорость передачи команды для торможения поезда определяется способом управления тормозами вагонов. Если тормоза вагонов приводятся в действие вентилями, установленными на вагонах, а этими вентилями управляют с помощью электрического сигнала, поступающего с электровоза, то команда передается без запаздывания и тормоза вагонов реагируют одновременно. Если же производится заполнение тормозных цилиндров вагонов воздухом, поступающим по трубопроводу от электровоза, то тормозная сила в вагонах поезда возникает с запаздыванием (ть ...,т„).

Моделируя эти механические соотношения электрической схемой (рис. 2, в и г), получим цепь, подобную схеме замещения длинной линии в режиме холостого хода на выходе. Как и у длинной линии, при скачкообразных изменениях на входе здесь могут возникнуть ударные волны, вызванные отражением на выходе. Эти волны представляют собой толчки момента, которые повышают механическое

Рис. 2. Поезд, состоящий из электровоза и прицепных вагонов (а), механическая эквивалентная схема поезда (б), электрическая эквивалентная схема динамики поезда (в) и ее схема замещения (г):

N - нелинейность, соответствующая зазору б, 1 -ток, соответствующий силе торможения Р, Сь - емкость, соответствующая массе электровоза тЯь - резистор, соответствующий сопротивлению движения электровоза ^т Ьь - индуктивность, соответствующая гибкости сцепки электровоза; Сь\ С\, . . . , Сп- емкость, соответствующая массе вагонов т_и . . . , щ; Я_и . . . , Яп - резисторы, соответствующие сопротивлениям движению вагонов ш_и . . . , шп; Ь\\, Ьм - индуктивности, соответствующие гибкостям сцепок вагона с_п, сЬп\ - индуктивности, соответствующие гибкости сцепки п-то вагона; т_ь . . . , Тп - запаздывание команды для торможения напряжение в сцепках вагонов. Величина толчков зависит от параметров системы, затухания в ней и, конечно, от значения и скорости изменения входной величины. Параметры системы и затухание уже заданы и на них нельзя активно влиять, поэтому возможно предотвращать возникновение толчков, лишь ограничивая скорость изменения момента. Ограничение скорости тормозного момента является одной из наиболее важных задач управляющего регулятора тормоза.

В зависимости от условий сцепления на трассе при торможении может возникнуть юз, который должен быть ликвидирован автоматически,-это вторая задача управляющего регулятора. Управляющий регулятор должен также реагировать на сигналы о состоянии силовых цепей электровоза, т. е. о состоянии защит, переходе силовых цепей в режим тяги или торможения и т. д.

Электродинамический тормоз производства «Шкода» предназначен для использования на электровозах постоянного тока. Подобные тормоза на электровозах, выпускаемых в ЧССР, устанавливались и раньше, но никогда полностью не удовлетворяли предъявляемым к ним требованиям в отношении эффективности, быстродействия, независимости от напряжения контактной сети, а также плавности, ширины диапазона и качества процесса регулирования.

Описываемая система была впервые проверена на электровозах ЧС2^Т. После успешных эксплуатационных испытаний она была применена и на других электровозах производства «Шкода». Такая система с небольшими изменениями работает на электровозах 55Е и 65Е чехословацких железных дорог. На основе ее создана система электродинамического торможения скоростных электровозов ЧС200, предназначенных для поставок в СССР.