Продолжить цикл я собирался еще весной, и планировал затронуть именно эту тему, но все откладывал, и свет увидели другие статьи. Однако меня несколько смутил комментарий @AVKinc из предыдущей статьи про 4QS-преобразователь.

Это дает основание полагать, что у массового читателя есть определенные заблуждения по поводу электродинамического торможения и процессов преобразования энергии в приводах электрического транспорта. Что же, тогда данной публикацией я постараюсь развеять эти заблуждения, а заодно и обобщить современное состояние дел в этой области, обернув это в научно-популярную форму. Возможно, весь материал не войдет в одну статью и тогда их будет несколько.

Введение

Действительно же, в сказанном

Я так понимаю на постоянке возможно рекуперативное торможение, а на переменке это крайне проблематично.

есть определенная доля истины. Действительно, рекуперативное торможение впервые появилось на электровозах постоянного тока. На отечественных локомотивах оно было уже на электровозе ВЛ19, на минуточку, 1932 года постройки. И возможность его реализации в отсутствии каких бы то ни было полупроводниковых преобразователей, как раз обуславливалась тем что

1. Совпадал род тока контактной сети и используемых тяговых двигателей (ТЭД) - постоянный ток

2. Группы двигателей на разных соединениях, так или иначе включались непосредственно в сеть, без дополнительного преобразования.

Рекуперативное торможение на электровозах переменного тока отсутствовало на серийных машинах вплоть до 1968 года, когда был выпущен ВЛ80р-300 - опытный электровоз с плавным тиристорным регулированием напряжения ТЭД. В серию машина пошла в 1974 году с номера ВЛ80р-1500 (у них сквозная нумерация со всеми сериями ВЛ80). Появление рекуперативного торможения стало возможно, благодаря применению тиристорного преобразователя, который обратим, то есть работает как управляемый выпрямитель в тяге и как ведомый сетью инвертор при рекуперативном торможении. Преобразователь превращает постоянный ток, вырабатываемый ТЭД в переменный, и через тяговый трансформатор отдает его в сеть.

Таким образом, проблема рекуперации на переменном токе решена уже давно, и все современные электровозы и электропоезда переменного тока имеют рекуперативное торможение.

В этой статье мы поговорим о коллекторном приводе, который пока еще, является самым распространенным на отечественном подвижном составе. И, по традиции, начнем с определений.

1. Что такое электродинамическое торможение?

По определению

Электродинамическое торможение (ЭДТ) - вид торможения, в котором тормозной эффект достигается за счет преобразования механической энергии транспортного средства в электрическую, при работе тяговых двигателей в генераторном режиме.

Вообще говоря термин относится не только к транспорту, а вообще к любому электроприводу. ЭДТ основывается на том, что абсолютно все типы электрических машин являются обратимыми, то есть могут работать как в двигательном, так и в генераторном режиме. При работе в генераторном режиме, тяговая машина создает электромагнитный момент, приводящий к снижению скорости её вращения, то есть к торможению. При этом тяговая машина вырабатывает электрическую энергию.

По способу "утилизации" выработанной электроэнергии, ЭДТ делят на два вида:

1. Реостатное торможение - когда выработанная электроэнергия рассеивается на резистивной нагрузке, тормозном реостате, превращаясь в тепловую и рассеиваясь в окружающую среду.

2. Рекуперативное торможение - когда выработанная электроэнергия возвращается обратно в питающую сеть.

Есть еще один вид электрического торможения, о котором часто ведутся споры, является ли оно ЭДТ или нет. Это реверсивное торможение, или торможение противовключением, когда двигатель переключают на вращение в обратную сторону, изменяя направление тягового момента. Согласно приведенному выше определению это не ЭДТ, хотя тормозной момент также является электромагнитным, но двигатель работает в двигательном режиме, потребляя энергию из сети, причем больше, чем в двигательном режиме. Этот режим является крайне неэкономичным, а на высоких скоростях вращения еще и опасным - двигатель можно просто сжечь. Поэтому, на современном подвижном составе принимается ряд мер, для исключения торможения "противотоком". Однако, это единственный вид электрического торможения, обеспечивающий торможение до полной остановки и может применятся на малых скоростях. По непроверенной мной информации, схема электровоза ВЛ65 допускала такой вид торможения на малых скоростях, однако я не могу пока гарантировать достоверность данного утверждения. Так что пока отбросим этот режим в сторону, и рассмотрим два основных вида ЭДТ - реостатное и рекуперативное.

2. Реостатное торможение с самовозбуждением

Исторически, по вполне объективным техническим причинам, сложилось так, что основным тяговым двигателем на электрическом подвижном составе стал коллекторный двигатель постоянного тока (ДПТ) с последовательным (сериесным) возбуждением. Почему так получилось, чем это обусловлено, об этом можно почитать в моей же публикации "Ретроспектива развития тягового привода железнодорожных экипажей" - там я постарался подробно и понятно все объяснить. Я лишь напомню, что ДПТ с обмоткой возбуждения имеет три основных вида возбуждения

1. Независимое - когда обмотка якоря и обмотка возбуждения питаются от разных источников.

2. Параллельное - когда обмотка возбуждения соединена параллельно с обмоткой якоря

3. Последовательное (сериесное) - когда обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно

Есть еще смешанное последовательно-параллельное возбуждение, но это уже узкий пример, ничего не меняющий в сути вопроса. Так вот применение сериесных ДПТ обусловлено формой их естественной механической характеристики

при последовательном возбуждении естественная механическая характеристика ДПТ является "мягкой" и близка по форме к гиперболической кривой постоянной мощности, что как раз и требуется для тягового привода. В отсутствие современных сложных преобразователей электрической энергии такие свойства сериесного ДПТ стали основным фактором его широкого применения на ранних этапах развития электрического транспорта.

Можно ли перевести сериесный ДПТ в генераторный режим? Можно, ведь выше мы сказали, что все типы электрических машин - обратимы. Чтобы показать как это можно сделать, обратимся к эквивалентной электрической схеме замещения ДПТ с последовательным возбуждением в режиме тяги (двигательном)

где - индуктивности обмотки якоря и обмотки возбуждения; - активные сопротивления обмоток якоря и возбуждения; - противо-ЭДС, генерируемая в обмотке якоря; - характеристика намагничивания обмотки возбуждения, пропорциональная магнитному потоку; - угловая скорость вращения вала двигателя. Для тока, протекающего в этой цепи справедливо уравнение

где U - подаваемое на двигатель напряжение; I - ток, протекающий через его обмотки. Электромагнитный момент, развиваемый на валу

Указанное на схеме направление протекание тока будем считать соответствующим I > 0, а значит и момент M > 0.

Для перевода двигателя в генераторный режим мы отключаем его от источника напряжения. Ток в цепи обмоток перестает течь. Далее выводы двигателя замыкаются на тормозной резистор

Откуда в этой цепи может появиться ток возбуждения? Дело в том, что до этого машина была в двигательном режиме, и обмотка возбуждения была намагничена. Магнитная система статора, её железная часть, несмотря на то, что изготовлена из магнито- мягких материалов, всё равно обладает гистерезисом, что выражается в следующей зависимости магнитного потока от тока возбуждения при нарастании и последующем спаде тока

По кривой 0-1 происходило намагничивание обмотки, а по кривой 1- 2 - её размагничивание при спаде тока. То есть, железо статора обладает остаточной намагниченностью, которая создает магнитный поток, пусть и незначительный. Однако, если мы просто замкнем цепь на тормозной резистор, ток, возникший за счет противо-ЭДС погасит остаточную намагниченность. Чтобы этого не произошло, необходимо изменить полярность обмотки возбуждения или обмотки якоря. Так как реверсирование на электровозах с такими ДПТ выполняется путем переключения обмотки возбуждения, проще сделать так

В такой схеме направление протекания тока через обмотку возбуждения (ОВ) не измениться, а значит, ток создаваемый противо-ЭДС за счет остаточного магнитного потока будет способствовать нарастанию магнитного потока ОВ. Через обмотку якоря (ОЯ) и тормозной резистор, ток потечет в противоположном направлении. Ток в ОВ будет нарастать до тех пор, пока не достигнет точки равновесия при данной скорости вращения вала двигателя. ЗА время протекания этого процесса скорость вращения, ввиду инертности поезда, не успеет измениться значительно, в установившемся режиме ток, при данной скорости и данном сопротивлении будет равен, исходя из уравнения (1)

где - полное сопротивление обмоток. Исходя из формулы (2) момент поменяет свое направление M < 0. Начнется торможение. Предположим, что сопротивление тормозного резистора таково, что при конструкционной скорости электровоза ток установится на максимальном (часовом) токе для данного двигателя. Это состояние можно проиллюстрировать графиком

Далее скорость начнет снижаться, а вместе с ним будет уменьшаться и противо-ЭДС, и точка равновесия начнет смещаться влево

Снижение тока вызовет снижение тормозного усилия, причем как за счет снижения самого тока, так и уменьшения магнитного потока, им вызванное. Для сохранения уровня величины тока в данной схеме нет другого средства, кроме как уменьшить сопротивление тормозного резистора

Здесь и . Используя уравнения (4) и (2) и зная зависимость для данного типа двигателя, можно построить зависимость тормозного момента двигателя от угловой скорости вращения, при заданном сопротивлении тормозного резистора.

При этом надо учитывать, что область допустимых скоростей и моментов лежит в пределах трех ограничений

1. Ограничение по максимальному моменту, которое определяется исходя из максимального (часового) тока двигателя

2. Ограничение по максимальной скорости вращения вала, которая соответствует конструкционной скорости локомотива

3. Ограничение по часовой мощности двигателя

С учетом этих трех ограничений, используя уравнения (4) и (2) можно построить семейство тормозных характеристик двигателя. Для наглядности я построил эти кривые для некоего абстрактного двигателя, мощностью 850 кВт, параметры которого, однако, соответствуют типичным значениям для типовых ДПТ, применяемых на подвижном составе. Для расчета и построения графиков был написан простенький скрипт на питоне, код которого помещу под спойлер

#------------------------------------------------------------------------------
#
#   Расчет тормозных характеристик двигателя постоянного тока
#   для реостатного торможения при последовательном самовозбуждении
#
#------------------------------------------------------------------------------
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

#------------------------------------------------------------------------------
#   Параметры ТЭД
#------------------------------------------------------------------------------
Unom = 1000.0
Ih = 857.0
Id = 803.0
Ra = 0.007
Rf = 0.03
r = Ra + Rf
omega_nom = 117.3
omega_max = 220.0

# Коэффициенты аппроксимации универсальной кривой намагничивания
a = [2.61, -3.00, 1.97, -0.66, 0.09]

#------------------------------------------------------------------------------
#   Расчет коэффициентов аппроксимации кривой намагничивания
#------------------------------------------------------------------------------
b = []

cPhi_nom = (Unom - (Ra + Rf)*Id) / omega_nom


for i in range(0, len(a)):
    b_i = cPhi_nom * a[i] / Id**(i+1)
    b.append(b_i)
    
#------------------------------------------------------------------------------
#   Функция расчета кривой намагничивания
#------------------------------------------------------------------------------
def cPhi(If):
    cphi = 0
    
    for i in range(0, len(b)):
        cphi += b[i]*If**(i+1)        
    
    return cphi

#------------------------------------------------------------------------------
#   Функция левой части уравнения, для расчета тока установившегося режима
#------------------------------------------------------------------------------
def f(Rt, omega, I):
    return (Rt + r)*I - cPhi(I)*omega

#------------------------------------------------------------------------------
#
#   Рачсет тока установившегося режима при заданной скорости
#   и сопротивлении тормозного резистора
#
#------------------------------------------------------------------------------
def Ib(Rt, omega):
    
    Imin = 1.0
    Imax = 1000.0
    dI = 100.0
    i = np.arange(Imin, Imax, dI)
    
    b = 0;
    a = 0;
    
    for I in i:
        fa = f(Rt, omega, Imin)
        fb = f(Rt, omega, I)
        
        if fa*fb < 0:
            b = I
            a = b - dI
            break
    
    eps = 0.1
    
    while (abs(b - a) >= eps):
        c = (a + b) / 2.0
        fa = f(Rt, omega, a)
        fb = f(Rt, omega, c)
        
        if fa*fb < 0:
            b = c
        else:
            a = c
            
    c = (a + b) / 2.0
    
    return c

#------------------------------------------------------------------------------
#
#------------------------------------------------------------------------------
def f1(M, I):
    return M - cPhi(I)*I

#------------------------------------------------------------------------------
#
#------------------------------------------------------------------------------
def getCurByTorque(M):
    Imin = 1.0
    Imax = 1000.0
    dI = 100.0
    i = np.arange(Imin, Imax, dI)
    
    b = 0;
    a = 0;
    
    for I in i:
        fa = f1(M, Imin)
        fb = f1(M, I)
        
        if fa*fb < 0:
            b = I
            a = b - dI
            break
    
    eps = 0.1
    
    while (abs(b - a) >= eps):
        c = (a + b) / 2.0
        fa = f1(M, a)
        fb = f1(M, c)
        
        if fa*fb < 0:
            b = c
        else:
            a = c
            
    c = (a + b) / 2.0
    
    return c
    

#------------------------------------------------------------------------------
#   Расчет ветви тормозной характеристики при заданном сопротивлении
#   тормозного резистора и максимальном токе двигателя
#------------------------------------------------------------------------------
def get_brake_char_branch(Rt, Imax):
    
    omega_b = []
    M_b = []
    
    # Расчитываем максимальную скорость при данных параметрах
    w_max = (Rt + r)*Imax/cPhi(Imax)
    
    # Расчитываем критическую скорость
    w_min = (Rt + r) / b[0]
    
    dw = 1.0    
    omg = np.arange(w_max, w_min, -dw)
    
    for w in omg:
        I_b = Ib(Rt, w)
        m_b = cPhi(I_b)*I_b
        omega_b.append(w)
        M_b.append(m_b)
    
    omega_b.append(w_min)
    M_b.append(0.0)    
    
    return omega_b, M_b

#------------------------------------------------------------------------------
#   Рассчитываем ступени тормозного резистора на кривой постоянной мощности
#------------------------------------------------------------------------------
Pnom = Unom*Ih

Rt = []
Im = []
Mmax = cPhi(Ih)*Ih
Mmin = Pnom / omega_max
n_steps = 5
dM = (Mmax - Mmin) / (n_steps-1)

for i in range(0, n_steps):
    m = Mmin + i*dM
    print(m)
    i_max = getCurByTorque(m)
    w = Pnom / m
    rt = cPhi(i_max)*w / i_max - r
    Rt.append(rt)
    Im.append(i_max)

#------------------------------------------------------------------------------
#   Дополняем массив сопротивлений и токов значениями для максимального момента
#------------------------------------------------------------------------------    
Rt_min = Rt[len(Rt)-1]

Rt.append(Rt_min * 0.75)
Rt.append(Rt_min * 0.5)
Rt.append(Rt_min * 0.25)
Im.append(Ih)
Im.append(Ih)
Im.append(Ih)

#------------------------------------------------------------------------------
#   Ограничение по моменту ТЭД
#------------------------------------------------------------------------------
omega1 = Pnom / Mmax

omg1 = [0.0, omega1]
M1 = [Mmax, Mmax]

#------------------------------------------------------------------------------
#   Ограничение по мощности ТЭД
#------------------------------------------------------------------------------
omg2 = np.arange(omega1, omega_max, 0.05*(omega_max - omega1))
M2 = []

#------------------------------------------------------------------------------
#   Ограничение по скорости ТЭД
#------------------------------------------------------------------------------
omg3 = [omega_max, omega_max]
M3 = [0.0, Mmin]

for w in omg2:
    M2.append(Pnom/w)

fig = plt.figure(figsize=(16,8), clear=True)

for i in range(0, len(Rt)):
    
    data = get_brake_char_branch(Rt[i], Im[i])
    plt.grid(True)
    plt.xlim(0, omega_max*1.1)
    plt.ylim(0,Mmax*1.1)
    plt.xlabel('$\omega$, рад/с', fontsize=16)
    plt.ylabel('$M_b, Н \cdot м $', fontsize=16)
    plt.plot(data[0], data[1], '-', color='red')
    plt.plot(omg1, M1, '--', color='gray')
    plt.plot(omg2, M2, '--', color='gray')
    plt.plot(omg3, M3, '--', color='gray')
    plt.text(data[0][0], data[1][0], 
             "$R_{T} = $" + "{:1.2f}".format(Rt[i]) + ', Ом', 
             horizontalalignment='right', 
             fontsize=12)
    
    pass

# Показываем график    
plt.show()
# Чистим для возможжности построить новый график
fig.clear()
plt.close(fig)

Эти графики дают представление о доступных значениях тормозного момента при разных скоростях движения, с учетом вышеперечисленных ограничений, для различных сопротивлений тормозного резистора. Из графиков видно, что при максимальной скорости движения тормозной момент ограничен предельной мощностью ТЭД. При постоянной величине сопротивления тормозного резистора момент достаточно быстро снижается при снижении скорости, за счет уменьшения противо-ЭДС. Кроме того, из анимации ниже видно, что (пренебрегая величиной остаточной намагниченности) рано или поздно уравнение (4) не имеет решения в области ненулевых токов. Синяя прямая - нагрузочная характеристика нашего сериесного генератора в этом случае займет положение касательной к кривой .

Исходя из этого соображения можно найти ту скорость вращения ТЭД, при которой прекращается самовозбуждение

Все ветви тормозной характеристики, показанные на графике, обрываются именно на этой критической скорости.

Для регулирования тормозного усилия, как и было показано выше, необходимо снизить сопротивление тормозного резистора. В таких системах на магистральных электровозах применялись несколько ступеней тормозного резистора, которые переключались в зависимости от позиции тормозной рукоятки контроллера машиниста в кабине электровоза.

Как видно из тормозной характеристики, этот, исторически первый способ реостатного ЭДТ имеет ярко выраженный недостаток - тормозное усилие спадает очень резко при снижении скорости, более того, на каждой ветви есть характерная скорость, при которой уравнение (4) уже не имеет решения. Кроме того, ступенчатое регулирование тормозного усилия так или иначе приводит к ухудшению продольной динамики поезда.

В виду перечисленных недостатков, такой реостатный тормоз является малоэффективным и широкого распространения на магистральном подвижном составе не получил. На удивление он достаточно долго продержался на вагонах метрополитена, но там, для обеспечения устойчивого генераторного режима применяют перекрестное питание обмоток возбуждения, например вот так

Обмотки ОВ двигателей 1 и 3 соединяются с обмотками якоря двигателей 2 и 4, и наоборот - ОВ 2 и 4 соединены с ОЯ 1 и 3. Как бы то ни было, на магистральном подвижном составе подобная схема не прижилась и была заменена на

3. Реостатное торможение с независимым возбуждением

При такой схеме, якорь ТЭД отключается от источника напряжения и замыкается на тормозной резистор, а обмотка возбуждения подключается к независимому источнику напряжения. Какому источнику - вопрос отдельный, а пока посмотрим, как изменяться уравнения, описывающие процессы в ТЭД

Для установившегося режима, учитывая что как правило , можно написать, что

Учитывая ограничение тока якоря ТЭД током часового режима, максимальная мощность реостатного тормоза

При максимальной скорости движения, для обеспечения максимального тока якоря ток возбуждения будет существенно меньше чем ток якоря. Поэтому, исходя из выражения для тока якоря (8), его уменьшение, по мере снижения скорости можно компенсировать постепенным увеличением магнитного потока, за счет увеличения тока возбуждения, при этом мощность реостатного тормоза будет максимальной, ограниченной (9), а значит тормозной момент, развиваемый двигателем подчиняется зависимости

то есть будет возрастать, по мере снижения скорости. Так будет продолжаться до тех пор, пока ток возбуждения не станет равным току часового режима, и дальше его уже нельзя будет увеличивать - обмотка возбуждения рассчитана на тот же ток, что и обмотка якоря. В этом случае тормозной момент будет линейно убывать по мере снижения угловой скорости

Тогда тормозная характеристика будет выглядеть так

На участке 1-2 происходит поддержание постоянной величины тока якоря и тормозное усилие возрастает, по мере снижения скорости. На участке 2 - 0 наблюдается линейный спад тормозного усилия и, естественно, что такое торможение не может происходить до полной остановки. На практике, конечно, помогут силы сопротивления движению, но например при движении поезда на крутой спуск, как нетрудно догадаться, наступит равновесие при некоторой скорости. Поэтому, когда тормозное усилие снижается ниже уровня в точке 1, реостатный тормоз считают неэффективным и выполняют его отключение, с одновременным замещением на пневматический в точке 3

Очевидно, что такая тормозная характеристика покрывает существенно больший скоростной диапазон, более того, при торможении с высоких скоростей эффективность такого тормоза возрастает по мере снижения скорости. Кроме того, диапазон максимального тормозного усилия можно расширить, за счет ступенчатого изменения сопротивления тормозного резистора, тогда мы получим семейство тормозных характеристик

В точка 3 и 4 происходит переключение ступеней тормозного резистора, что позволяет существенно снизить скорость при которой ЭДТ теряет эффективность. На современном электровозе постоянного тока ЭП2к применяют три ступени тормозного реостата. На электровозах переменного тока серии ЧС8 их две. Электровозы ЧС2т (постоянный) и ЧС4т (переменный) обходились, а ЧС7 (постоянный) обходится одной ступенью.

Допустим, что мы применяем одну ступень тормозного реостата. Построим тормозную характеристику для того же самого двигателя, но при независимом возбуждении

Сравним две характеристики - для последовательного и независимого возбуждения

Всего при одной ступени тормозного реостата мы получаем следующие преимущества

1. Плавное регулирование тормозного усилия во всем диапазоне скоростей

2. Существенно более плавное снижение тормозного усилия, за счет независимости магнитного потока от тока через якорь и тормозной резистор. Четко видно, что при одинаковом сопротивлении Ом в схеме с последовательным возбуждением спад момента происходит гораздо быстрее

Однако, для реализации такого режима, обмотка возбуждения нуждается независимом регулируемом источнике питания. Перейдем от сухой теории к вопросам практической реализации системы реостатного тормоза с независимым возбуждением ТЭД

3. Примеры реализации систем реостатного тормоза на подвижном составе

Прежде всего интересен вопрос о первичном источнике электроэнергии для питания обмоток возбуждения. Логично предположить, что обмотки следует питать от контактной сети через преобразователь напряжения. На электровозах переменного тока с так и делают - обмотки возбуждения ТЭД питаются от регулируемой выпрямительной установки возбуждения, питаемой от обмотки собственных нужд тягового трансформатора. Такие схемы реализованы на электровозах ВЛ80т и ВЛ80с, на электровозах ЧС4т и ЧС8.

На электровозах постоянного тока поступают немного иначе. Вот схема силовых цепей электровоза ЭП2к в режиме реостатного торможения

При переходе схемы в режим реостатного торможения якоря двигателей подключаются к тормозным реостатам, образу три независимых группы. В каждой группе якоря двух двигателей и тормозной реостат образуют последовательные цепи: M1- M2 - R7 - R6; M3 - M4 - R8 - R6; M5 - M6 - R9 - R6. Видно, что части тормозного реостата могут быть выведены из семы замыканием контакторов, например KM14 и KM15, реализуя таким образом три ступени сопротивления реостата.

Все шесть обмоток возбуждения соединяются между собой последовательно и подключаются к блоку U1, называемый импульсным регулятором возбуждения (РВИ). РВИ управляется микропроцессорной системой управления электровоза (МПСУ), а силовое питание может получать от двух источников.

На начальном этапе работы реостатного тормоза, через контактор KM104, РВИ получает питание от преобразователей собственных нужд электровоза ПСН1 и ПСН2. ПСН преобразует постоянное напряжение 3 кВ в трехфазное переменное напряжение с линейным напряжением 380 В. После того, как в цепях якоря ТЭД появляется устойчивый тормозной ток 200 А, контактор KM104 отключается, а РВИ питается от отпаек тормозных резисторов R7 - R9, подключаемых к РВИ контакторами KM40, KM32 и KM25 (плюсовой провод) и контактами тормозного переключателя QT1 (минусовой провод). Таким образом, реостатный тормоз переходит на самообеспечение и работает без питания от контактной сети.

На электровозах серий ЧС2т, ЧС200, ЧС6 и ЧС7 было сделано еще хитрее - первичное питание подавалось на РВИ от аккумуляторной батареи электровоза, а после выхода на режим - так же от отпаек тормозного реостата. ЭДТ этих электровозов мог работать независимо от наличия напряжения в контактной сети.

Принципиальная схема преобразователя РВИ выглядит так

Силовая часть преобразователя показана красным и представляет собой импульсный понижающий DC/DC-преобразователь, собранный на, синхронно действующих, соединенных параллельно, IGBT-ключах V1 и V2, управляемых от МПСУ через драйверы B1 и B2. Этот преобразователь получает входное постоянное напряжение от двух источников: трёхфазных трансформатора T1 и однополупериодного выпрямителя V4 - V6, в случае питания от ПСН; или от отпаек тормозных резисторов, плюсы которых подключаются к клеммам 1-3, через плавкие предохранители F1-F3 и диоды V1-V3, исключающие попадание постоянного напряжения на выводы тормозного реостата от входного фильтра преобразователя C1.

Что касается электровозов переменного тока, как я уже писал выше, вопрос регулирования тока возбуждения ТЭД решается тривиально - путем питания обмоток возбуждения от отдельной тиристорной выпрямительной установки, подключенной к обмотке собственных нужд тягового трансформатора. Питание от отпаек тормозных резисторов не применяется, в виду того, что такая схема потребовала бы отдельно специального DC/DC-преобразователя. Кроме того, реостатное торможение применялось на электровозах переменного тока с неуправляемыми тяговыми выпрямителями (ВЛ80т, ВЛ80с, ЧС4т, ЧС8). После того как на смену неуправляемым ВУ пришли управляемые тиристорные ВУ, электровозы переменного тока сразу получили режим рекуперативного торможения.

4. Рекуперативное торможение - базовая теория

При рекуперативном торможении двигатель не отключается от источника напряжения, и может быть переведен в генераторный режим. Однако, при последовательном возбуждении ДПТ такой режим невозможен. В самом деле, рассмотрим уравнение (1), рассматривая установившийся режим работы двигателя (). Перенеся противо-ЭДС в левую часть уравнения получим

При заданном направлении тока в двигательном режиме , а значит и левая часть уравнения (10) строго положительна, откуда вытекает что

то есть противо-ЭДС всегда меньше чем напряжение питания двигателя. Уменьшение напряжения повлечет за собой снижение тока и снижение противо-ЭДС.

Соответственно, для того чтобы обеспечить перевод двигателя в генераторный режим без отключения его от сети, нам нужно управлять величиной противо-ЭДС и напряжением питания двигателя независимо друг от друга, что приводит нас к схеме с независимым возбуждением ТЭД. Система уравнений, описывающая этот режим будет похожа на систему (5)-(7) за исключением уравнения (5), в левой части которого будет ненулевое напряжение питания обмотки якоря

В установившемся режиме ток якоря определяется через соотношение

Для реализации торможения необходимо обеспечить , при этом вырабатываемая электроэнергия будет возвращаться обратно в питающую сеть. Отсюда вытекает условие, что генерируемая двигателем противо-ЭДС должна превышать напряжение питания обмотки якоря. Это можно добиться двумя путями: регулированием противо-ЭДС за счет изменения тока возбуждения и снижением напряжения, подводимого к обмотке якоря. Первый путь, как мы показали выше, вполне реализуем за счет питания обмоток возбуждения от преобразователя напряжения. Для реализации второго пути необходимо выполнение следующих условий

1. Цепь питания обмотки якоря должна обеспечивать обратное протекание тока, от обмотки якоря к источнику напряжения

2. Необходимо согласовать род тока и уровень напряжения между тяговым двигателем и питающей сетью

3. Необходимо обеспечить возможность изменения (а конкретно - уменьшения) уровня напряжения, подаваемого на обмотку якоря от источника.

При применении ДПТ, проще всего реализовать все три условия, когда в питающей сети действует постоянное напряжение, а именно:

• Обратимость реализуется за счет непосредственного подключения двигателей к питающей сети, без промежуточного преобразования;

• Согласование уровня напряжения и его регулирование выполняется путем применения группировки тяговых двигателей.

Подробности реализации обсудим ниже, но стоит отметить, что именно по этой причине, первые системы рекуперативного торможения почти сразу были реализованы на электровозах постоянного тока - в виду отсутствия необходимости в преобразователе электрической энергии.

На электровоза переменного тока между питающей сетью и двигателем реализуется двухступенчатое преобразование электроэнергии: понижение напряжение тяговым трансформатором и и преобразование полученного переменного напряжение в постоянное. И если трансформатор работает в обе стороны, то вот выпрямительная установка на диодах, нерегулируемая - преобразователь однонаправленный. Поэтому вплоть до появления на электровоза переменного тока тиристорных преобразователей реализация рекуперативного торможения на них была технически невозможна.

Вернемся к выражению (12). В знаменателе мы видим, кроме сопротивления обмотки якоря еще одно сопротивление - . Зачем оно?

Дело в том, что сопротивление якоря двигателей мощностью порядка 700-800 кВт крайне мало и составляет сотые доли Ома. При этом, разумеется, существует разброс его величины для разных экземпляров двигателей, который при таких малых сопротивлениях довольно существенный. Таким образом, поскольку на электровозе не один ТЭД, мы получим разброс тормозных характеристик по осям. Из-за разного тока протекающего через разные ТЭД разброс еще больше усугубиться, так как сопротивление обмотки зависит от ее температуры.

Чтобы нивелировать этот разброс, в цепь якоря включают балластный резистор , с сопротивлением, на порядок больше чем сопротивление обмотки якоря. Тогда, на фоне величины разброс становиться не таким существенным.

Конечно же на балластном резисторе возникают потери рекуперируемой энергии, она преобразуется в тепло и не возвращается в питающую сеть, и это плохо. Однако, данные потери существенно меньше мощности, по факту возвращаемой в сеть, так что с ними можно мириться. Эти резисторы собираются в блок балластных резисторов (ББР), устанавливаются на крыше электровоза и снабжаются индивидуальным мотор-вентилятором для охлаждения.

Теперь построим предельную тормозную характеристику, получаемую из всех вышеизложенных соображений. Ей будут присущи все ограничения, перечисленные для реостатного тормоза с независимым возбуждением. При максимальной скорости движения, за счет выбора сопротивления балластного резистора, мы получим ветвь тормозной характеристики, соответствующей ограничению по мощности

На учатстке 1-2 напряжение на якоре двигателя - максимальное, ток якоря поддерживается постоянным и равным за счет постепенного увеличения тока возбуждения . В точке 2 ток возбуждения становится равным .

Но теперь, исходя из (12), у нас есть возможность уменьшать напряжение на якоре. Предположим что мы имеем возможность плавно регулировать это напряжение. Тогда, для поддержания постоянного тока якоря, необходимо обеспечить

То есть, мы будем снижать напряжение питания обмотки якоря пропорционально снижению угловой скорости вращения двигателя. При этом ток якоря будет постоянным, а ток возбуждения у нас уже равен максимально возможному и тоже постоянен. Соответственно будет сохраняться постоянная величина тормозного момента, согласно (7). Это выразится в горизонтальный участок характеристики, совпадающий с ограничением по моменту

Положение точки 3 соответствует тому минимальному напряжению которое может установиться на выходе преобразователя, питающего обмотку якоря. И оно не может быть равно нулю, если двигатель подключен в питающую сеть через этот самый преобразователь. На практике оно примет некое минимальное значение. На электровозах постоянного тока с реостатно-контакторной системой регулирования (РКСУ) это будет напряжение на якоре двигателя при последовательном соединении всех ТЭД. На электровозах переменного тока это напряжение соответствует максимальному углу открытия тиристоров в первой зоне регулирования (об этом как-нибудь) позже расскажу. Исходя из (12) и (13) точке 3 соответствует уравнение

откуда находим угловую скорость, соответствующую точке 3

Далее, при постоянном токе возбуждения и постоянном напряжении якоря ток якоря и тормозной момент будут спадать линейно, пока (13) не обратиться в ноль

Скорость, при которой тормозное усилие обнуляется, соответствует скорости идеального холостого хода для ДПТ с независимым возбуждением при данном токе возбуждения и напряжении якоря

В качестве расчетного примера приведу рекуперативную характеристику электровоза ЭП1м, полученную из железнодорожного симулятора.

Здесь показано отрицательное тормозное усилие, но это верно по сути, просто обычно тормозные характеристики изображают абсолютные значения. Кроме того, тут видны отклонения от установившихся режимов за счет переходных процессов в системе регулирования. Но в целом это соответствует изложенной выше теории.

5. Реализация рекуперативного торможения на электровозах постоянного тока

Типичный представитель подобного класса машин - грузовой постоянник 2ЭС4к "Дончак". Данный электровоз имеет как реостатный, так и рекуперативный тормоз. Реостатный тормоз работает абсолютно так же, как мы описали выше для ЭП2к, однако тут аж 6 ступеней тормозного резистора, и тормозная характеристика выглядит так

Что касается рекуперативного тормоза, то тормозная характеристика в руководстве по эксплуатации рисуется в таком формате

Здесь совмещены тормозная характеристика и токовая характеристики, ось скоростей - общая, поэтому картинка выглядит как наша теоретическая, но повернутая влево на 90 градусов. Кроме того, здесь присутствует и неупомянутое мной ограничение по сцеплению колесных пар с рельсами, которое безусловно учитывается, дабы не допустить блокирования и юза.

Интересно тут другое - характеристики состоят как бы из трех кусков, наложенных друг на друга. Это связано с тем, что на данном электровозе применяется группировка тяговых двигателей для регулирования напряжения на них. Обратимся к схеме силовых цепей.

Электровоз двухсекционный, вот схема силовых цепей секции A

Секция Б устроена в целом симметрично секции А. Особенностью данного электровоза, как и всех электровозов постоянного тока с РКСУ, то что регулирование напряжения на ТЭД осуществляется за счет различных способов соединения двигателей. В режиме тяги, при трогании с места, все восемь ТЭД соединены последовательно. Кроме того, последовательно с ТЭД включается пусковой реостат R10, R11, R20, R21, который по мере разгона выводится из цепи. Когда реостат полностью выведен, на один двигатель приходится напряжение 3000 / 8 = 375 В (С-соединение). При дальнейшем разгоне, двигатели каждой из секций соединяются последовательно, а секции - параллельно, и через реостат подключены в сеть. После вывода реостата из цепи на один двигатель приходится 3000 / 4 = 750 В (СП-соединение). Далее, двигатели соединяются последовательно парами, и эти пары включаются параллельно, что на безреостатной позиции дает уже 3000 / 2 = 1500 В на один двигатель (П-соединение).

При рекуперативном торможении переключение происходит в обратном порядке - на высокой скорости движения используется П-соединение. При достижении тока возбуждения максимальной величины (с учетом всех ограничений), двигатели переключаются на СП-соединение, а потом и на С-соединение. Таким образом напряжение на ТЭД регулируется тремя ступенями - 1500, 750 и 375 В. Именно поэтому на тормозных характеристиках отсутствует горизонтальный участок с постоянной тормозной силой - ввиду отсутствия возможности плавного регулирования напряжения на ТЭД.

Таким образом, несмотря на то, что рекуперация на электровозах постоянного тока реализовать проще, из-за по сути прямого подключения ТЭД к сети, отсутствие плавного регулирования напряжения на ТЭД привносит в систему и ступенчатый характер изменения тормозного усилия, что негативно сказывается на продольной динамике поезда.

6. Реализация рекуперативного торможения на электровозах переменного тока

При применении ДПТ на электровозах переменного тока, двигатели не включаются в сеть напрямую, они включены через тяговый трансформатор и выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП). Вот схема силовых цепей электровоза ЭП1м

Тяговые двигатели подключаются к выходу двух ВИП: M1 - M3 к ВИП1 (U1), M4 - M6 к ВИП2 (U2). ВИП обеспечивает плавное регулирование напряжение в пределах от 0 до 1260 В, за счет зонно-фазного управления тиристорами. Пожалуй ВИП достоин того, чтобы посвятить ему отдельную статью, пока я ограничусь тем, что подчеркну, что он выполняем плавное и бесступенчатое регулирование напряжения.

При переходе электровоза в режим рекуперативного торможения, обмотки возбуждения отключаются от обмоток якоря, соединяются последовательно и подключаются к выпрямительной установке возбуждения (ВУВ) U3, которая представляет собой управляемый тиристорный выпрямитель со средней точкой, получающий питание от обмотки собственных нужд тягового трансформатора T1. Якоря тяговых двигателей подключаются к ВИП с обратной по отношению к режиму тяги полярностью, дабы обеспечить протекание тока через тиристоры ВИП в тяговую обмотку трансформатора T1. Эти переключения выполняются тормозным переключателем QT1.

После этого регулирование тока якоря ТЭД, а значит и тормозного усилия, выполняется за счет регулирования тока возбуждения и напряжения питания обмотки якоря, в полном соответствии с принципом, изложенным в параграфе 4. В итоге электровоз имеет следующую тормозную характеристику

Эта характеристика похожа на ту теоретическую кривую, что мы уже рассмотрели, за исключением того, что тут показано ещё и ограничение по сцеплению колесных пар с рельсами, которое должно учитываться системой управления, во избежание блокирования и юза колесных пар.

В отличие от электровозов постоянного тока, здесь, за счет ВИП, осуществляется плавное регулирование тормозного усилия. Отмечу также, что все серийные электровозы переменного с коллекторными ТЭД и ВИП имеют исключительно режим рекуперативного торможения. Реостатным тормозом они не оснащаются - это привело бы к усложнению электрической схемы, хотя, вопрос довольно спорный.

Заключение

В этой статье мы рассмотрели базовые принципы, лежащие в основе технических реализация ЭДТ на локомотивах. Мы ограничились двигателями постоянного тока, пока они составляют основную массу в парке локомотивов, работающих на сети. Я надеюсь что мне удалось опровергнуть главный тезис о сложности реализации рекуперации на ПС переменного тока. По факту, сравнив схемы, можно сказать что рекуперация на переменном токе устроена проще, и имеет лучшие характеристики, в сравнении с электровозами постоянного тока с РКСУ.

Есть еще о чем написать. Например о взаимодействии ЭДТ и пневматического тормоза - этот вопрос остался без внимания. Обошли мы пока и тему асинхронного тягового привода, где ЭДТ есть, и устроен очень интересно. Об этом я напишу как-нибудь потом.

А пока, благодарю читателей за внимание и до новых встреч!