Головна / Технології керування поїздами
Електродинамічне гальмування
Електричні машини мають унікальну властивість оборотності, тобто при деяких умовах вони можуть працювати як електродвигун, а при інших як генератор електричної енергії. Мають цією властивістю і тягові двигуни електровозів і тепловозів.
Застосування електродинамічного гальмування (ЕДТ)
Електродинамічне гальмування - це режим коли кінетична енергія поїзда перетворюється в електричну і далі передається іншим споживачам при рекуперативному гальмуванні або гаситься на гальмівних резисторах при реостатному гальмуванні.
Рекуперативне гальмування можливо тільки на електровозах, при цьому генерується енергія повертається в контактну мережу, де може бути спожита іншими електровозами наступними в тяговому режимі, а при відсутності таких повернута в електричну мережу енергосистеми країни. Існують локомотиви з функцією рекуперативного гальмування, як для постійного струму, так і для змінного. Реостатне гальмування застосовується в основному на тепловозах, а також на деяких серіях електровозів (ВЛ-80т, ЧС-4т). При даному виді гальмування електрична енергія, що виробляється тяговими електродвигунами, витрачається на спеціальних гальмівних резисторах, де вона перетворюється в теплову енергію.
Необхідність застосування електродинамічного гальмування
Застосування електродинамічного гальмування доцільно з багатьох точок зору. Його застосування дозволяє підвищити безпеку руху поїздів - оскільки при застосуванні ЕДТ пневматичні гальма не задіяні, то гальмівна система поїзда завжди готова до застосування. У зв'язку з цим відсутня небезпека проходження на заборонний сигнал світлофора з виснаженою, незарядженою гальмівною магістраллю.
Застосування електродинамічного гальмування дозволяє підвищити швидкість руху. Так, при використанні пневматичного гальмування швидкість руху спочатку зростає до максимальної, а потім при гальмуванні її необхідно істотно знизити, щоб встигнути зарядити гальмівну систему до повторного зростання швидкості до максимальної. Таким чином, середня швидкість руху буде істотно нижче допустимої швидкості руху по даній ділянці, особливо на ділянках з великими ухилами. При електродинамічному гальмуванні можна слідувати при швидкості максимально наближеною до допустимої тривалий час. Також необхідно відзначити можливість виходу зі спуску на майданчик або на підйом з максимально допустимою швидкістю. Застосовуючи пневматичні гальма такого домогтися більш важко. Крім того застосування рекуперативного гальмування може істотно зменшити витрату електричної енергії витраченої на проведення поїзда по ділянці. Особливо суттєве зниження відбувається на ділянках з гірським профілем, на якому існують «шкідливі спуски».
Порядок застосування рекуперативного гальмування
При прийманні локомотива необхідно переконатися в справності електричної схеми рекуперативного гальмування. Перевіряється робота збудників, плавність наростання струму збудження при збільшенні позицій. Роботу електроблокіровочного клапана і клапана заміщення. Електроблокіровочний клапан перешкоджає наповненню гальмівних циліндрів локомотива від розподільника повітря при зібраної схемою рекуперації. Це необхідно для попередження юза колісних пар, оскільки при рекуперативному гальмуванні створюється велика гальмівна сила і якщо до неї додати гальмівну силу гальмівних колодок, то сумарно вони можуть стати більше ніж сила зчеплення колеса з рейкою. Електроблокіровочний клапан, як правило, доповнюється ще одним пневматичним датчиком, який контролює тиск в ТЦ створюване краном допоміжного гальма. Оскільки виключити дію допоміжного гальма локомотива в режимі рекуперативного гальмування неможливо, то для попередження юза колісних пар тиск в ТЦ обмежується на рівні 1,2-1,5 Атм. При перевищенні даного значення відбувається автоматичний розбір схеми рекуперативного гальмування. Клапан заміщення грає роль захисту для попередження від розриву поїзда в разі раптового відключення схеми рекуперації. Оскільки при рекуперативному гальмуванні вся гальмівна сила зосереджена на локомотиві і найбільше її значення докладено між локомотивом і першим вагоном, то демпферні пристрої перших вагонів мають найбільшу стиснення. У разі якщо відбувається раптове відключення рекуперативного гальмування, то стислі пружини різко розпрямляються і при цьому локомотив отримує значне прискорення. З урахуванням його значної маси даний ривок може привести до обриву автозчеплення. Для виключення даних випадків на електровозах встановлюється клапан заміщення - при зриві рекуперації він автоматично, без участі машиніста, виробляє наповнення гальмівних циліндрів до тиску 1,5 2 Атм. Після розбору схеми рекуперативного гальмування, дію даного клапана припиняється.
При проходженні по ділянці необхідно заздалегідь визначити місця, на яких буде застосовуватися рекуперативного гальмування і швидкість його застосування. Швидкість проходження в режимі ЕДТ в будь-якому випадку повинна бути на 5-10 км / год нижче допустимої. Ця вимога необхідно з умов безпеки руху. Так, при зриві рекуперативного гальмування, машиністу необхідно деякий час для розбору схеми рекуперації та застосування гальм поїзда. Оскільки дія автогальм відбувається із затримкою, то за цей час швидкість може значно збільшитися і перевищити дозволену.
При прямуванні спуском збір схеми рекуперації необхідно починати на 5-10 км / год нижче, ніж необхідно для тривалого проходження. Для цього спочатку необхідно стиснути головну частину поїзда, для чого виробляють наповнення гальмівних циліндрів до тиску 0,5-1,0 Атм краном допоміжного гальма. Виробляється запуск мотор-генераторів (збудників), селективної рукояткою встановлюється з'єднання тягових двигунів відповідне планованої швидкості руху. Поступово збільшуючи струм збудження ТЕД, контролюють появу гальмівного струму. Після появи гальмівного струму необхідно витримати кілька секунд для більш повного стиснення складу, після чого відпустивши гальма локомотива збільшувати гальмівну силу збільшенням струму рекуперації. Не допускається швидко збільшувати гальмівну силу, оскільки це може привести до набіганні хвостовій частині поїзда і виникнення значних поздовжньо-динамічних реакцій. Якщо швидкість нижче необхідної, то силу струму встановлюють дещо меншою, ніж необхідно для сталого руху. У міру зростання швидкості струм ТЕД, а отже, і гальмівна сила, буде зростати що згодом призведе до стабілізації швидкості. При подальшому русі по спуску необхідно контролювати зміни напруги контактної мережі і при необхідності проводити коригування гальмівного струму. При наявності на спуску ділянок різної крутизни необхідно коригувати гальмовий струм для підтримки стабільної швидкості. Так при наявності попереду більш пологого ділянки необхідно знижувати гальмівну силу, а після його проходження і виходу знову на більш крутий спуск її збільшити. Зміни повинні відбуватися плавно з витримкою по кілька секунд на кожній позиції. Якщо пологий ділянку досить довгий, то допускається завчасне зниження гальмівного струму. Це дозволить збільшити швидкість перед пологим ділянкою і не допустити значного уповільнення на ньому.
При необхідності припинення рекуперативного гальмування гальмівний струм плавно зменшується, це дозволяє демпферним пристроїв головних вагонів «розтиснутися». Після зниження струму якоря до 50-150 А, виробляють наповнення гальмівних циліндрів краном допоміжного гальма до тиску 0,8-1,0 Атм, після чого проводять відключення рекуперативного гальмування. Після того як дію рекуперативного гальмування припинилося, збільшують тиск в ТЦ до 1,5-2,0 Атм і після витримки 10-15 сек плавно, ступенями, виробляють відпустку допоміжного гальма. Вимикають мотор-генератор, в разі якщо далі буде необхідний тяговий режим, то виробляють відповідні перемикання, якщо ж планується знову застосовувати рекуперативний режим, то перемикання можна не проводити. Вимкнення ЕДТ краще виробляти з таким розрахунком, щоб в кінці спуску і переході на підйом або майданчик поїзд розвинув максимально-допустиму швидкість. Даний метод дозволяє значну частину підйому пройти на вибігу або зі зменшеними струмами, що дозволить зменшити витрати електроенергії і захистити ТЕД від перегріву.
Переваги та недоліки видів ЕДТ
Для всіх видів ЕДТ недоліком є те, що під час руху спуском тягові електродвигуни знаходяться в роботі, в зв'язку з чим їх температура не знижується, або знижується повільно, а при проходженні з струмом вище годинного - підвищується. Тому, якщо за спуском розташований підйом, то на ньому може статися перегрів ТЕД. Виникнення даної ситуації звичайно малоймовірно, але, тим не менше, при водінні важких поїздів на затяжних підйомах і спусках необхідно враховувати цю обставину. Ще одним недоліком є те, що при ЕДТ під впливом реакції якоря істотно змінюється місце розташування фізичної нейтралі. В даному випадку комутація в колекторно-щітковому вузлі відбувається в точці з ненульовим потенціалом, що веде до збільшення іскріння, небезпеки виникнення кругового вогню по колектору, підвищеного зносу щіток і колектора. У сучасних двигунах встановлюються компенсаційні обмотки, які дещо зменшують даний недолік.
реостатне гальмування
До переваг реостатного гальмування можна віднести відносно просту схему, гальмівні характеристики не залежать від зовнішніх чинників (коливання напруги контактної мережі). На електровозах змінного струму не потрібно складне перетворення постійного струму в змінний. Застосування реостатного гальмування можливо практично до повної зупинки поїзда.
До недоліків даного виду можна віднести обмежену потужність, яка визначається потужністю розсіювання гальмівних резисторів, а також необхідність застосування охолоджуючих вентиляторів для них.
рекуперативне гальмування
Одним з основних достоїнств рекуперативного гальмування є повернення електричної енергії та зниження її загальної витрати на тягу поїздів. Друге - це те, що рекуперативного гальмування є більш потужним порівняно з реостатним, в даному випадку вона обмежена потужністю тягових двигунів і наявністю споживачів. До переваг також можна віднести автоматичні гальмові характеристики. При правильно обраному з'єднанні і позиції відбувається автоматична підтримка обраної швидкості (відносно невеликі зміни) при змінах профілю колії. Так, якщо з якихось причин відбулося зниження швидкості, то у відповідь на це зменшується струм рекуперації і як наслідок - уповільнюють зусилля. Тим самим швидкість припиняє знижуватися і стабілізується на новому рівні. При зростанні швидкості струм рекуперації навпаки зростає, а разом з ним і уповільнює зусилля, що також призводить до її стабілізації.
До недоліків рекуперативного гальмування можна віднести більш складну схему роботи ТЕД, залежність гальмівних характеристик від напруги в контактній мережі. Від неї також залежить і віддається потужність в рекуперативному режимі, і навіть сама можливість його застосування. Оскільки для виникнення ефекту рекуперації необхідно перевищення напруги виробляється ТЕД над напругою в контактній мережі, то при підвищеній напрузі в ній застосування рекуперативного гальмування стає неможливим. Також до недоліків можна віднести неможливість застосування рекуперативного гальмування при малих швидкостях руху, оскільки навіть послідовно з'єднані ТЕД не виробляє достатньої напруги для виникнення рекуперативного ефекту. Необхідно також відзначити той фактор, коли при значній зміні напруги контактної мережі змінюється струм рекуперації і відповідно гальмівна сила електровоза. При виникненні таких ситуацій машиністу необхідно самому коригувати ток рекуперації. У 80-ті роки ХХ століття проводилися роботи по поліпшенню роботи схеми рекуперативного гальмування. Так на електровозах ВЛ-11 вперше була застосована система автоматичного управління рекуперативним гальмуванням (САУРТ). Дана система виробляла стабілізацію якірного струму ТЕД незалежно від зміни напруги в контактній мережі або швидкості руху. Однак в даному виді пропадав ефект автоматичних гальмівних характеристик. Так, наприклад, при зниженні швидкості знижувалося напругу, що виробляється ТЕД, і як наслідок зниження якірного струму. Система САУРТ для підтримки струму якоря на заданому рівні виробляла підвищення струму збудження, таким чином, при зниженні швидкості струм якоря залишався постійним, а струм збудження зростав, що призводило до посилення уповільнює сили і до ще більшого зниження швидкості. З даною системою відпала необхідність контролювати струм рекуперації при коливаннях напруги в контактній мережі, але з'явилася необхідність контролювати швидкість руху і при необхідності коректувати струм якоря. Проте, не дивлячись на наявні недоліки, застосування рекуперативного гальмування найбільш бажано.
ЕДТ на сучасних локомотивах
Сучасні локомотиви обладнуються мікропроцесорними системами управління локомотива, які дозволяють в значній мірі поліпшити роботу електродинамічного гальмування. У цих системах можуть бути реалізовані функції автоматичної підтримки заданої швидкості або гальмівного зусилля, проводиться стабілізація уповільнює сили при змінах напруги в контактній мережі. На нових локомотивах реалізовані обидва види гальмування. Так, в основному діапазоні швидкостей застосовується рекуперативного гальмування, а на малій швидкості відбувається автоматичний перехід на реостатне гальмування і діапазон його застосування поширюється практично до зупинки. Можливе підключення гальмівних реостатів і в рекуперативному режимі. Воно проводиться, коли напруга в контактній мережі наближається до максимально-допустимого і при цьому потрібне посилення уповільнює сили. У даній ситуації гальмівні опору споживають частину потужності вироблюваної електровозом, дозволяючи тим самим зберегти або посилити уповільнюючий ефект. Крім того на сучасних локомотивах відсутня електромашинні перетворювач необхідний для збудження тягових електродвигунів. Цей громіздкий і металомісткий агрегат, зі складними схемами збудження замінили напівпровідникові перетворювачі. Вони набагато ефективніше регулюють струм збудження, володіють високою швидкодією і не вимагають великого обслуговування.