В случае рекуперативного торможения электрическая энергия,
возвращаемая в контактную сеть рекуперирующим электровозом,
потребляется электровозами, находящимися с ним на одном участке и
работающими в тяговом режиме. Если таких электровозов нет или
необходимая им энергия меньше рекуперируемой, то так называемая
избыточная энергия рекуперации через устанавливаемые на тяговой
подстанции специальные устройства - инверторы, преобразующие
постоянный ток в переменный трехфазный, направляется в
энергосистему. На электрифицированных участках с очень интенсивным
движением, где, как правило, почти вся рекуперируемая энергия
потребляется электровозами или электропоездами, работающими в режиме
тяги, иногда вместо инверторов на подстанциях устанавливают
поглощающие резисторы. Они автоматически включаются при наличии
избыточной энергии рекуперации.
Применение рекуперации дает большой эффект. На отдельных участках с
крутыми спусками может быть сэкономлено до 20% электрической
энергии, затрачиваемой на тягу поездов. Преимущества рекуперативного
торможения этим не ограничиваются. Когда поезд следует по крутому
спуску, для того чтобы его скорость не превысила допустимую, обычно
локомотив и состав периодически подтормаживают пневматическими
тормозами. В результате скорость движения поезда уменьшается, а
затем вновь возрастает, т. е. средняя скорость его на спуске ниже
допустимой. Кроме того, все время притормаживать поезд нельзя, так
как истощается пневматическая тормозная система, снижается
коэффициент трения колодок вследствие их нагревания.
При рекуперативном торможении можно обеспечить на спуске постоянную
скорость, близкую к допустимой, зависящей от состояния пути,
конструкции электровозов, вагонов, контактной сети. Кроме того, к
контактной сети при рекуперации подключается дополнительный источник
энергии, напряжение в ней повышается, и другие электровозы на этом
участке, следующие по подъему или площадке, могут развивать более
высокую скорость.
Благодаря электрическому торможению также значительно уменьшается
износ тормозных колодок и колес подвижного состава, в результате
чего намного снижаются расход металла и затраты на ремонт колесных
пар.
Системы рекуперативного торможения должны обеспечивать постоянный
ток рекуперации в тяговых двигателях и тормозной момент в условиях
непрерывного изменения напряжения в контактной сети. Напряжение в
контактной сети колеблется хотя бы потому, что от нее в разные
периоды питается различное количество электровозов и электропоездов,
да и потребляемая ими мощность меняется в очень широких пределах.
При этом возможны резкие изменения тока рекуперации. Этот ток
определяется разностью суммарной э. д. с. последовательно
соединенных двигателей и напряжения в контактной сети, деленного на
сопротивление их обмоток. Общее сопротивление обмоток двигателей,
даже соединенных последовательно, как отмечалось выше, мало. Поэтому
даже относительно небольшие резкие изменения разности суммарной э.
д. с. и напряжения сети вызывают большие броски тока.
Предположим, что в контактной сети по какой-либо причине напряжение
увеличилось. Тогда ток в якоре тягового двигателя, работающего в
режиме генератора, может изменить направление, и двигатель
автоматически перейдет в тяговый режим. Вместо того чтобы тормозить
поезд, двигатель будет разгонять его. При понижении напряжения,
наоборот, ток рекуперации резко увеличится, тормозной момент
возрастет и в поезде возникнут сильные толчки вследствие набегания
хвостовых вагонов.
Следовательно, при допустимых нормами колебаниях напряжения в
контактной сети в системе рекуперативного торможения должен
автоматически поддерживаться примерно один и тот же ток рекуперации,
а значит, и тормозной момент, установленный в зависимости от условий
движения поезда.
Напомним, что для перехода двигателя из тягового режима в
генераторный необходимо, чтобы э. д. с. в обмотке якоря стала больше
приложенного напряжения, т. е. напряжения в контактной сети. Но
двигатель с последовательным возбуждением не может перейти в режим
генератора, потому что магнитный поток возбуждения в нем резко
снижается при уменьшении нагрузки, а э. д. с. в обмотке якоря не
может стать выше напряжения в сети.
Рис. 47. Схема цепей рекуперативного
торможения при независимом возбуждении тяговых двигателей со
стабилизирующим резистором Rст (а) и с
противовозбуждением возбудителя (б)
Для того чтобы осуществить рекуперативное торможение, необходимо
обмотки возбуждения отключить от обмоток якорей и питать их от
постороннего источника энергии, например от специального генератора
возбудителя В (рис. 47, а). Якорь возбудителя приводится во вращение
двигателем Д. В этом случае можно установить в обмотках возбуждения
такой ток, при котором э. д. с. в обмотках якорей тяговых двигателей
станет больше напряжения в контактной сети. Если скорость движения
поезда уменьшится, то может снизиться э. с. двигателей, работающих в
режиме генераторов. Однако достаточно увеличить ток возбуждения
I в, чтобы поддержать необходимую э. д.
е., а значит, ток и тормозной момент, создаваемый двигателями. Для
этого регулируют ток Iвв в независимой
обмотке возбуждения возбудителя В, изменяя сопротивление реостата R.
Схемы, построенные по такому принципу, можно использовать для
рекуперативного торможения нескольких параллельно включенных
двигателей. При этом в каждой цепи двигателя имеется стабилизирующий
резистор R т, а обмотки возбуждения подключены к общему возбудителю
В. Стабилизирующие резисторы обеспечивают электрическую устойчивость
системы в режиме рекуперативного торможения, но они же создают и
присущий схеме недостаток: значительные потери энергии в этих
резисторах и необходимость повышенной мощности возбудителя для их
компенсации.
Предложено несколько схем, свободных от этого недостатка. Так, на
восьмиосных электровозах для осуществления рекуперативного
торможения используют противовозбуждение возбудителя (рис. 47, б). В
этом случае обмотки возбуждения ОВ тяговых двигателей подключают к
якорю возбудителя В. Возбудитель имеет две обмотки: независимую ОНВ,
напряжение в которую подается от постороннего источника энергии, и
обмотку противовозбуждения ОПВ, включенную последовательно в цепь
тока рекуперации. Магнитные потоки обеих обмоток, создаваемые
соответственно токами Iо". и
Iр, направлены встречно. При увеличении
тока рекуперации в случае уменьшения напряжения в контактной сети
ток обмотки противовозбуждения снижает результирующий магнитный
поток возбуждения возбудителя. Соответственно уменьшаются
возбуждение генератора (тягового двигателя) и его э. д. с. Когда
напряжение в контактной сети повышается, ток рекуперации уменьшается
и все процессы в схеме проходят в обратном порядке. При
рекуперативном торможении с использованием противовозбуждения
обмотки возбуждения двигателей включают так же, как и при реостатном
торможении, по циклической схеме. Это позволяет выравнивать токи в
параллельных цепях якорей двигателей в случае повышения э. д. с. в
одной из них.
В зависимости от скорости движения поезда рекуперативное торможение
ослабления возбуждения - замкнуты и какие разомкнуты на каждой
позиции рукоятки контроллера. Пользуясь этой таблицей, можно узнать,
в какой последовательности включаются и выключаются индивидуальные
контакторы реостата и контакторы группового переключателя при
переходе с одного соединения тяговых двигателей на другое.
Как же выглядит силовая схема электровоза? На рис. 48, а для примера
показана несколько упрощенная схема электровоза ВЛ10 для 1-й позиции
главной рукоятки контроллера машиниста. Элементы электрического
оборудования, входящие в силовую схему, показаны условными
графическими изображениями. Силовая схема имеет четыре
горизонтальные строки. В верхних двух строках приведены элементы
оборудования, относящиеся к 1-й секции кузова, в двух нижнихко 2-й
секции. Силовые цепи секций I и II подключены друг к другу
межкузовными соединениями (рис. 48, б).
Прежде чем рассмотреть прохождение тока в силовой цепи, отметим
следующее: цифровые или буквенные обозначения элементов здесь не
такие, как в заводской схеме; элементы электрооборудования, рядом с
буквенным обозначением которых стоит цифра 1, размещены в 1-й секции
электровоза (кузова), а элементы с цифрой 2 - во 2-й секции; на
схеме для упрощения приведены не все обозначения, а только
использованные при описании. Некоторые цепи, не упоминаемые при
описании, не показаны.
В силовую цепь электровоза ВЛЮ (см. рис. 48, а) входят
дифференциальное реле РДф, реле перегрузки РП, реле боксования (на
схеме не показано), которые защищают силовую цепь в ненормальных
режимах; дроссель Др и конденсатор С необходимы для защиты от
радиопомех. Сведения об их устройстве и действии приведены на с.
137.
Электрический ток из контактной сети проходит через один из поднятых
токоприемников, например 77, крышевой разъединитель РК1, дроссель Др,
обмотку дифференциального реле РДф, быстродействующий выключатель БВ,
линейный контактор 1-1 (в действительности их два для облегчения
разрыва цепи), первую группу секций пускового реостата R1-R2,
контакторный элемент 2-1 группового переключателя ПкГ. Затем ток
проходит через вторую группу секций пускового реостата R3-R4, шунт
амперметра А, обмотку реле перегрузки РП 1 в цепи тяговых двигателей
I и II, нож отключателя ОД1-П, контакты PI-II реверсора, обмотки
якорей двигателей, контакты реверсора PI-II, контакты тормозного
переключателя Т, обмотку возбуждения OBI двигателя I, контакты
тормозного переключателя Т, обмотку возбуждения OBII двигателя II,
контакты тормозного переключателя Т, нож отключателя двигателя
ОД1-П.
Далее ток через замкнутый контакторный элемент 3-1 группового
переключателя проходит в цепь двигателей III и IV, в которую
включены реле перегрузки РП2, отключатели и другие аналогичные
элементы, упомянутые при описании прохождения тока в верхней строке
схемы. Цепь двигателей III и IV отличается от цепи двигателей I и II
лишь наличием реле давления РД1.
Во 2-ю секцию ток проходит через замкнутый контакторный элемент
группового переключателя 4-0 (буква О означает, что контакторный
элемент относится к групповому переключателю, общему для обеих
секций кузова) и межкузовное соединение. Прохождение тока в силовой
цепи 2-й секции аналогично прохождению его в 1-й. Силовая цепь
замыкается на рельсы (землю), с которыми находятся в постоянном
контакте колесные пары, через вторую обмотку дифференциального реле
РДф и токовые обмотки двух счетчиков электрической энергии Сч. На
1-й позиции рукоятки контроллера в цепь тяговых двигателей полностью
введен пусковой реостат. Цепь, по которой проходит ток на 1-й
позиции рукоятки контроллера, показана на схеме жирными линиями.
Отметим особенность силовых схем электровозов ВЛ10 и ВЛ11. На 1-й
позиции рукоятки контроллера (см. эис. 48) замкнуты контакты
контактоhов 5-1, 6-1, 5-2, 6-2, 7-1, 8-1, 7-2, 8-2, е. включена
первая ступень ослабления возбуждения тяговых двигателей (75%). Это
противоречит утверждению, что ослабление возбуждения применяют
только на ходовых позициях (см. с. 66), и вызвано следующим. В
процессе эксплуатации первой партии электровозов ВЛ10 недопустимо
нагревалась часть секций пускового реостата. Поэтому на локомотивах
следующих выпусков была увеличена мощность секций, т. е. увеличено
число параллельно включенных элементов. Однако возникли трудности с
их размещением и пришлось уменьшить сопротивление пускового реостата
на 1-й позиции. В результате ток тяговых двигателей на 1-й позиции
возрос сверх допустимого по условиям плавного трогания. При этом
тяговые двигатели развивали бы больший вращающий момент и большее
тяговое усилие. Чтобы сохранить первоначальное значение тягового
усилия при увеличившемся токе, пришлось уменьшить магнитный поток (применить
ослабление возбуждения), а значит, и вращающий момент двигателей,
так как при пуске э. д. с. в якорях двигателей равна нулю и
уменьшение потока возбуждения не вызывает изменения тока двигателей.
На 2-й позиции прекращают ослабление возбуждения и сила тяги
возрастает. На 3-й позиции включается контактор 9-2 и тем самым
выводится ступень пускового реостата R7-R8. При дальнейшем
перемещении главной рукоятки контроллера происходит ступенчатое
уменьшение сопротивления пускового реостата; полностью оно выводится
на 16-й (ходовой) позиции.
Переходя с одной реостатной позиции на другую, машинист,
ориентируясь на показания амперметров А, следит за тем, чтобы ток
двигателей не превышал допустимого по условиям сцепления. Чтобы
предотвратить повышенный нагрев секций пускового реостата,
рассчитанных на кратковременное включение, рукоятку контроллера
задерживают на реостатных позициях не более чем на 30 с. После того
как рукоятка контроллера будет установлена на ходовую позицию,
машинист для увеличения скорости применяет четыре ступени ослабления
возбуждения. Чтобы еще больше увеличить скорость движения, он
осуществляет переход на последова-тельно-параллельное соединение
двигателей, но предварительно переводит двигатели в режим полного
возбуждения. Для этого сначала машинист устанавливает рукоятку
контроллера на 17-ю позицию, при этом в силовой цепи происходят
переключения в соответствии с рис. 38. Затем, переводя рукоятку
контроллера, он вновь ступенями уменьшает сопротивление пускового
реостата; при этом увеличивается напряжение, подводимое к двигателям.
На 27-й позиции полностью выводится реостат; эта позиция является
ходовой. Затем машинист может использовать вновь четыре ступени
ослабления возбуждения, и скорость движения поезда еще более
возрастет. Предварительно переведя двигатели в режим полного
возбуждения, машинист устанавливает рукоятку контроллера на 28-ю
позицию, т. е. осуществляет переход на параллельное соединение
двигателей. На 38-й позиции пусковой реостат выведен - эта позиция
также ходовая.
При ведении поезда чаще всего используют параллельное соединение
двигателей и применяют при этом ослабление возбуждения. Если ток
достигнет слишком большого значения, например, на крутом подъеме,
переходят на более низкую ступень ослабления возбуждения или на
полное возбуждение. В том случае, когда необходимо значительно
понизить скорость, машинист переводит рукоятку контроллера с 38-й на
27-ю или 16-ю ходовую позицию.
В процессе работы может произойти повреждение одного из тяговых
двигателей. Чтобы в этом случае поезд мог дойти до станции,
предусмотрена возможность работы электровоза с двумя отключенными
двигателями. Отключают их ножами отключателей двигателей, например
при повреждении двигателя 1 ножами ОД1, ОДП отключают двигатели I,
II, и электровоз работает по аварийной схеме.
Для учета расхода электроэнергии установлены два счетчика. Счетчик
Сч1 учитывает расход электроэнергии на тягу поезда и собственные
нужды. В режиме рекуперации диск этого счетчика вращается в
направлении, противоположном направлению его вращения в режиме тяги.
Счетчик Сч2 предназначен только для учета рекуперируемой энергии.
Заканчивая рассказ об электровозах постоянного тока с тяговыми
двигателями последовательного возбуждения, отметим, что для
осуществления их пуска и регулирования частоты вращения требуется
большое число индивидуальных и групповых контакторов. Например,
только для получения различных соединений секций пускового реостата
на электровозе ВЛ10 установлен 21 индивидуальный
электропневматический контактор.
