[04-2019] Полнее использовать возможности рекуперативно-реостатного торможения

[Admin]

Полнее использовать возможности рекуперативно-реостатного торможения

В.А. БАРАНОВ, канд. техн, наук, Санкт-Петербургский центр организации работы станций Октябрьской дирекции управления движением
И.П. ВИКУЛОВ, канд.техн, наук инж. А.А. КИСЕЛЁВ, А.С.МАЗНЕВ, д-р техн, наук, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Большая часть парка отечественного электроподвижного состава (ЭПС) постоянного тока представлена электровозами серий ВЛ10, ВЛ11, 2ЭС4К, 2ЭС6, ЭП2К и электропоездами серий ЭР2Т, ЭТ2М, ЭД4М, ЭП2Д с коллекторными тяговыми двигателями (ТД). Силовые схемы этого подвижного состава предусматривают применение электродинамического торможения ОДТ).

В последние десятилетия парк ЭПС постоянного тока пополнился локомотивами и электропоездами с асинхронным тяговым приводом (2ЭС10, ЭП20, ЭВС1, ЭВС2, ЭС1, ЭС2Г), на которых установлены ТД с большей удельной мощностью. Подобный подвижной состав является более экономичным благодаря меньшим эксплуатационным затратам на обслуживание, обладает меньшими потерями в зоне низких скоростей и более широким диапазоном надежного применения рекуперативного торможения. Однако данный вид ЭПС в 2 — 3 раза дороже существующей техники с коллекторными ТД, что сказывается на поставках перспективного подвижного состава.

Поэтому необходимо повышать технико-экономические показатели эксплуатируемого подвижного состава постоянного тока с традиционным тяговым приводом. Один из путей решения задачи — более эффективно использовать энергию, вырабатываемую тяговыми двигателями в режиме ЭДТ.

Грузовые электровозы серий 2ЭС4К «Дончак» и 2ЭС6 «Синара» оборудованы системой рекуперативно-реостатного торможения (РРТ). Поскольку переключение режимов торможения автоматизировано, от машиниста требуется минимальное число ручных операций. Помимо увеличения уровня напряжения в контактной сети, она обладает важным преимуществом — в случае исчезновения потребителя энергии рекуперации или уменьшения

его мощности наступает переход на замещающее реостатное торможение.

Подобная схема также внедрена на электропоездах ЭР2Т, ЭТ2М, ЭД4М. Однако система РРТ не предполагает обратный переход в режим рекуперативного торможения, если восстановилось потребление энергии тяговой сетью. Когда после срыва рекуперации появляется потребитель электроэнергии, ток рекуперации в режиме РРТ составляет 20 — 50 А при токе якоря 350 А. Исходя из этого, целесообразно создать систему ЭДТ, которая изменяет ток рекуперации в зависимости от возможности возврата энергии в контактную сеть.

Современные силовые полупроводниковые элементы позволяют решить данную задачу. С помощью импульсного регулирования величины сопротивления тормозного резистора можно плавно изменять токи реостатного и рекуперирующего контуров. При этом не нужно устанавливать мощный входной фильтр и импульсный преобразователь, рассчитанный на напряжение сети при импульсном регулировании напряжения.

На рис. 1 приведена упрощенная силовая цепь моторного вагона электропоезда ЭД4М в режиме ЭДТ со следящей системой РРТ. Она работает следующим образом. Когда электродвижущая сила ТД превысит напряжение контактной сети, начинает протекать тормозной ток от якорей Я1 — Я4 через диоды рекуперации VD. Он определяется задаваемой уставкой (например, в положении контроллера машиниста ЗТ — 350 А). Обмотки главных полюсов ОВ1 — ОВ4 в режиме независимого возбуждения питаются от вращающегося преобразователя через трансформатор возбуждения ТрВ и управляемый выпрямитель VS1 — VS6, собранный по схеме трехфазного моста.

При исчезновении потребителя рекуперируемой энергии отпираются тиристор 1/S и импульсный преобразователь ИР. Ток якорей ТД замыкается по контуру: якоря Я1 — Я4 —> тиристор 1/S -> резистор R1 —> импульсный преобразователь ИР -> якоря Я1 — Я4. Очевидно, что тиристор 1/S заменяет контактор Т штатной силовой цепи. Силовая цепь переходит в режим реостатного торможения с независимым возбуждением.

Для защиты тяговых двигателей в режиме электродинамического торможения применяется быстродействующий контактор защиты КЗ. Резистор R3 ограничивает ток короткого замыкания при размагничивании обмоток возбуждения.

Сопротивление резистора R1 определяется из условия равенства среднего напряжения на токоприемнике 3500 В:

На электропоездах скоростной диапазон применения электродинамического торможения с независимым возбуждением (и, значит, рекуперативного) ограничен максимально допустимой мощностью вращающегося преобразователя (максимальный ток возбуждения — 250 А). При скорости ниже минимальной силовая цепь переводится в режим реостатного торможения с самовозбуждением.

Установка статического преобразователя собственных нужд, питающего обмотки возбуждения ТД в режиме ЭДТ на моторных вагонах, позволила не только снизить расходы на обслуживание, но и сняла ограничение максимального тока возбуждения. Тем самым увеличился диапазон скоростей рекуперативного торможения. Данное решение применено на электропоезде ЭП2Д и электровозах 2ЭС6 «Синара» и 2ЭС4К «Дончак».

Чтобы изучить электромагнитные процессы в силовых цепях электропоезда в режиме ЭДТ, была создана математическая модель, имитирующая электропоезд постоянного тока со следящей системой ЭДТ. Ее разработали в среде Matlab с помощью пакета Simulink на основе схемно-технических модулей элементов электрооборудования. На рис. 2 приведена функциональная схема имитационной модели следящей системы РРТ.

Исходные данные для исследования: 10-вагонный электропоезд ЭД4М с двигателями ТД-2 У1, длина максимальной фидерной зоны — 10 км, скорость начала торможения — 120 км/ч, уставка тормозного тока якоря — 350 А. Были смоделированы следующие режимы:

- рекуперативно-реостатное торможение с независимым возбуждением;

- рекуперативно-реостатное торможение под контролем следящей системы;

- реостатное торможение с выводом ступеней тормозных резисторов.

В качестве потребителей энергии рекуперации — ЭПС в режиме тяги — в исследовании смоделировали эквивалентную активно-индуктивную цепь. Ее сопротивление подобрали по результатам предварительного расчета из условия потребления максимального тока рекуперации. Величины индуктивностей были приняты равными индуктивностям четырех последовательно соединенных ТД. В модели учли также влияние вихревых токов на электромагнитные процессы в силовой цепи электропоезда.

олученные результаты подтвердили работоспособность пред

лагаемого схемотехнического решения. Так, чтобы увеличить диапазон РРТ, предлагается увеличить максимальный ток возбуждения до 350 А, поскольку имеется запас мощности двигателя по кривой намагничивания (при токе 250 А насыщения еще не происходит). Это можно реализовать, применив более мощный вращающийся преобразователь или статический преобразователь собственных нужд. Кстати, второй вариант позволит также снизить эксплуатационные расходы и массу подвагонного оборудования.

Предложенный вариант позволяет также регулировать величины токов рекуперирующего и реостатного контуров в зависимости от эквивалентного сопротивления потребителя энергии рекуперации. При уставке тока обмотки якорей 350 А максимальный ток рекуперации в режиме РРТ равен 250 А при сохранении тока реостатного контура 100 А.
Результаты исследования математической имитационной модели показали способность системы управления торможением с встроенной в нее следящей системой стабилизировать ток якоря при набросе напряжения контактной сети. Для этого уменьшалось сопротивление реостатного контура и увеличивался ток возбуждения (при снижении напряжения контактной сети — ток возбуждения уменьшался).

Применение статического преобразователя собственных нужд позволяет увеличить максимальный ток возбуждения до 350 А и увеличивать тем самым зону применения рекуперативного торможения, а также снижать эксплуатационные расходы и массу подвагонного оборудования.

Относительное увеличение отдаваемой энергии в систему тягового электроснабжения может достигать 30,8 %. При доле энергии рекуперации на эксплуатируемых электропоездах, равной 15 % от общего расхода, его снижение (расход) следящей системой составит 4,62 %.

Таким образом, можно утверждать, что следящая система электродинамического торможения повышает технико-экономические показатели электропоездов постоянного тока с коллекторными тяговыми двигателями. Подобные результаты свидетельствуют о целесообразности более подробно изучить режимы работы следящей системы в режиме ЭДТ и решить вопрос о ее внедрении на ЭПС с коллекторными ТД.