Импульсное регулирование напряжения на тяговых двигателях при торможении

Электрическое торможение. В тиристорно-импульсных системах управления регулирование напряжения на тяговых двигателях (генераторах) в режиме электрического торможения осуществляется периодическим изменением цепи нагрузки с помощью тиристорного регулятора. В зависимости от характера нагрузки различают рекуперативное или реостатное торможение.

При рекуперативном торможении нагрузкой является контактная сеть с потребителями электроэнергии в виде других единиц подвижного состава, работающих в режиме тяги.

Нагрузкой при реостатном торможений является тормозной реостат, устанавливаемый на подвижном составе.

Нетрудно видеть, что надежность реостатного торможения существенно выше, чем рекуперативного, поскольку реостатный тормоз не зависит от условий токосъема, наличия потребителей в контактной сети, соотношения суммарной мощности рекуперирующего и потребляющего подвижного состава на данном участке питающей сети и т. д. С другой стороны, при реостатном торможении вся энергия движущейся транспортной единицы переходит в тепловую энергию тормозных реостатов, в то время как при рекуперативном торможении эта энергия возвращается в сеть потребителям (другим транспортным единицам).

Современные системы тиристорно-импульсного регулирования позволяют осуществить необходимое сочетание преимуществ обоих видов торможения, в частности, так называемое следящее рекуперативно-реостатное торможение.

При следящем р е ку п е р а т и в н о - р е о с т а т н о м торможении основным видом служебного торможения является рекуперативное торможение, которое само по себе обеспечивает снижение общего расхода электроэнергии на движение, а реостатное торможение является только замещающим, когда рекуперативное не может обеспечить заданных параметров торможения (замедления) по внешним причинам (нарушение токосъема, колебания уровня напряжения в контактной сети, отсутствие потребителя). Причем переход с рекуперативного торможения на реостатное и обратно происходит практически мгновенно. Следует отметить, что возможно и совместное действие рекуперативного и реостатного торможения, так как при переходе на реостатное торможение схема рекуперативного торможения сохраняется. Совмещенное рекуперативно-реостатное торможение может осуществляться в том случае, когда суммарная мощность потребителей электроэнергии на участке меньше мощности, отдаваемой в сеть рекуперирующим подвижным составом. Тогда часть энергии тормозящей транспортной единицы возвращается в сеть, а остальная энергия преобразуется в тепловую энергию тормозных реостатов.

Таким образом, следящий рекуперативно-реостатный тормоз позволяет обеспечить надежное и экономичное торможение подвижного состава в широком диапазоне скоростей движения.

Рекуперативное торможение. Принципиальная схема рекуперативного торможения с тиристорно-импульсным регулятором приведена на рис. 94, а.

При рекуперативном торможении двигатель, работающий в режиме генератора, шунтируется ТИР, который, как и при пуске, работает в импульсном режиме. Нулевой диод Д₀ при рекуперативном торможении включается последовательно с источником питания и_т предотвращая протекание тока от этого источника через замкнутый ключ ТИР. Г-образный фильтр Ьф, Сф включен между системой регулирования и контактной сетью. Он, как и при пуске, обеспечивает сглаживание тока ікс, поступающего в контактную сеть, при импульсной форме тока і_п, подводимого к фильтру от тягового двигателя через диод До-

После замыкания ТИР ток тягового двигателя і_д под действием э.д.с. вращение Е нарастает по короткозамкнутому контуру через сопротивление резистора Д_п и индуктивность катушки Т_п. С учетом ранее сделанных допущений напряжение на генераторе и ад в этом случае будет равно нулю (рис. 94, б).

При размыкании ТИР ток двигателя і_д под действием суммы э.д.с. вращения и э.д.с. самоиндукции будет протекать через диод До и источник питания. В этот момент энергия двигателя передается источнику питания, т. е. происходит рекуперация энергии. В период рекуперации ток двигателя уменьшается по мере снижения э.д.с. самоиндукции, наводимой в суммарной индуктивности цепи двигателя Т_д.

В режиме рекуперации, когда ТИР разомкнут, напряжение на зажимах генератора С/_аб равно напряжению на конденсаторе фильтра и_п, которое, как указывалось ранее, при достаточно мощном фильтре можно принять постоянным и равным среднему напряжению в контактной сети !7_КС.

Если, как и при пуске, время замкнутого состояния ТИР обозначить через ?_и и время разомкнутого состояния (Г-/_и), то среднее напряжение на зажимах двигателя (генератора)

Это напряжение связано с э.д.с. вращения двигателя уравнением

Е=и_л + 1_аЯ_я. (66)

Принимая во внимание, что ? = сФо, с учетом уравнений (65) и (66) можно записать

Для определения пульсаций тока тягового двигателя при рекуперативном торможении запишем с учетом допущений п. 41 уравнения двигателя в режимах замкнутого и разомкнутого состояний ТИР:

(68)

(69)

Вычитая из (68) уравнение (69) и учитывая, что % = ^/Т и [=1 /Т, после алгебраических преобразований получим

Таким образом при рекуперативном торможении, как и при пуске, пульсация тока пропорциональна напряжению в контактной сети, обратно пропорциональна суммарной индуктивности в цепи двигателя и частоте регулирования ТИР.

Максимальная пульсация тока двигателя при рекуперативном торможении также соответствует A,_m=0,5, т. е.

Таким образом, кривые, приведенные на рис. 92, справедливы и для рекуперативного торможения.

Для устойчивого рекуперативного торможения необходимо, чтобы в режиме паузы (когда ТИР разомкнут) ток в тяговом двигателе уменьшался. Это условие будет выполняться, если Е<.и_п{1~ 1)-\-1дЯ_я. Оно должно выполняться при любых возможных значениях К. Итак, наибольшая или критическая скорость »нр, при которой рекуперативное торможение будет еще устойчиво, зависит от напряжения в контактной сети, магнитного потока и тока в. двигателе, а также коэффициента заполнения регулятора. Причем наибольшая критическая скорость торможения соответствует минимальному значению коэффициента заполнения регулятора Ко, которое зависит от быстродействия тиристоров регулятора, а также схемы самого регулятора

Минимальная скорость г/щщ, при которой прекращается рекуперация энергии в сеть, будет соответствовать Х=1. Согласно уравнению (67) имеем

Для подвижного состава о_тщ= (3-^5) км/ч, т. е. при импульсном. управлении рекуперативное -торможение может осуществляться практически до полной остановки.

При рекуперативном торможении энергия, отдаваемая в контактную сеть за время торможения и, равна /_пП_п^_т,

Рис. 94. Схема включения ТИР при рекуперативном торможении (а) и осциллограммы (б)

Рис. 95. Зависимости /_п(и), /_д(у) и Х(и) при рекуперативном торможении

а энергия, вырабатываемая на внешних зажимах генератора, равна Uаб/д/т ИЛИ (/д/д/_т.

На основании закона сохранения энергии можно записать, что

Нд /д Лр~ и_а /д ^т>

откуда получим

- ‘Т7^- 7_Д Лр»

°п

где /д, С/д - средний ток и напряжение двигателя;

/_ц - среднее значение тока источника питания; г)р - к. п. д. тиристорного регулятора.

Заменив С/д согласно формуле (65), получим

/_п = (1 X) /_д т]р. (72)

Таким образом, в диапазоне изменения скорости движения ток, отдаваемый в контактную сеть, меняется в диапазоне (1-Я₀)/дГ|р</_п^О (рис. 95).

Характер изменения среднего тока рекуперации 1_п от скорости подвижного состава можно определить из совместного решения уравнений (67) и (72)

/_п=77-г,_р(_Сф_У-/_дЯ_д). (73)

k'n

Согласно уравнению (73) зависимость /_п(и) является линейной и ток рекуперации /_п пропорционален скорости подвижного состава V. В процессе рекуперативного торможения среднее значение тока в тяговом двигателе /_д поддерживается постоянным, равным току уставки, задаваемой водителем.

Реостатное торможение. Принципиальная схема реостатного торможения при тиристорно-импульсном управлении приведена на рис. 96, а. Здесь, как и при рекуперативном торможении, при замыкании тиристорного ключа ТИР ток двигателя нарастает, замыкаясь по цепи Е-7,д-ТИР-Яд-ОВ-Е и накапливая энергию в ее индуктивности. После размыкания ТИР (режим паузы) ток двигателя замыкается через тормозной резистор /?т по цепи Е-Т_д-Ят-Яд-ОВ-Е (рис. 96, б).

Для режимов импульса и паузы соответственно получим:

Д/д

Е = Ь_д + /_д Дд при 0 < t < /_и; (74)

*Л

Е~ -Ь_л + /_д (Яд + Я_т) при t_a < Т. (75)

і -Ги

Из совместного решения уравнений (74) и (75) с учетом того что Х=?и1Т и Т- получим

Таким, образом, при реостатном торможении пульсация тока в тяговом двигателе А/д пропорциональна среднему значению тока в двигателе /_д и сопротивлению тормозного резистора Яч, обратно пропорциональна суммарной индуктивности цепи двигателя Тд и частоте регулирования тиристорного преобразователя /, а также нелинейно зависит от коэффициента заполнения тиристорного регулятора к.

Максимальные пульсации тока будут при кт= 0,5, Т. е.

Рис. 96. Схема включения ТИР при реостатном торможении (а) и осциллограммы (б)

Для реостатного торможения обычно поэтому после размыкания

ТИР (в период паузы) ток двигателя всегда уменьшается. Это обусловливает электрическую устойчивость реостатного торможения.

При реостатном торможении э.д.с. вращения двигателя Е уравновешивается падением напряжения на суммарном сопротивлении цепи двигателя Д_д и средним напряжением на тиристорном регуляторе Паб- Среднее напряжение на тиристорном регуляторе может быть определено как среднее значение напряжения на тормозном резисторе, которое с учетом ранее принятых допущений равно нулю при включенном ТИР и напряжению при выключенном ТИР. Поэтому среднее напряжение на резисторе за период регулирования Т

Из выражения (80) следует, что при постоянном значении ?т для обеспечения заданного тормозного тока /_д и потока сФ каждому значению скорости подвижного состава должно соответствовать определенное значение коэффициента заполнения тиристорного регулятора к. При этом минимальному значению к=ко соответствует максимальное значение тормозной скорости ^кр при выбранном значении Ет и заданных значениях /_д и сФ.

Таким образом при реостатном торможении для обеспечения постоянного среднего значения тормозного тока в двигателе /_д с уменьшением скорости подвижного состава V необходимо увеличивать коэффициент заполнения тиристорного регулятора X.

Заданное значение тормозного тока поддерживается тиристорным регулятором ВПЛОТЬ ДО скорости Vmn, при которой Х=1 и э.д.с. вращения двигателя уравновешивается падением напряжения на активном сопротивлении цепи двигателя Я_я. Скорость Ошы определяется из формулы (80)

Это выражение совпадает с уравнением (71).