Введение
Динамическое торможение – это использование тяговых двигателей в качестве генераторов при замедлении транспортного средства. Динамическое торможение заключается в использовании электродвигателя в качестве генератора для замедления таких транспортных средств, как электрические или дизель-электрические локомотивы. Оно называется "реостатическим", если вырабатываемая электрическая энергия рассеивается в виде тепла в тормозных резисторах, и "регенеративным", если энергия возвращается в сеть. Динамическое торможение снижает износ фрикционных тормозных компонентов, а регенерация уменьшает общее потребление энергии. Динамическое торможение также может применяться на моторвагонном подвижном составе, легкорельсовом транспорте, электрических трамваях, троллейбусах, а также в электромобилях и гибридных электромобилях.
Принцип действия
Преобразование электрической энергии в механическую энергию вращающегося вала (электрического двигателя) является обратным преобразованию механической энергии вращающегося вала в электрическую энергию (электрического генератора). Оба процесса достигаются посредством взаимодействия обмотки якоря с (относительно) движущимся внешним магнитным полем, при этом якорь соединен с электрической цепью либо с источником питания (для двигателя), либо с приемником питания (для генератора). Поскольку роль устройства, преобразующего электрическую/механическую энергию, определяется тем, какой интерфейс – механический или электрический – обеспечивает или принимает энергию, одно и то же устройство может выполнять роль как двигателя, так и генератора. При динамическом торможении тяговый двигатель переключается в режим генератора путем перехода с цепи питания на цепь приемника при одновременной подаче электрического тока на обмотки возбуждения, создающие магнитное поле. Величина сопротивления, прикладываемого к вращающемуся валу (тормозная мощность), равна скорости генерации электрической энергии плюс потери на эффективность. Это, в свою очередь, пропорционально силе магнитного поля, регулируемой током в обмотках возбуждения, и скорости вращения якоря и магнитного поля относительно друг друга, определяемой вращением колес и передаточным отношением между силовым валом и колесом. Тормозная мощность регулируется изменением силы магнитного поля посредством изменения тока в обмотках возбуждения. Поскольку скорость генерации электрической энергии, и, следовательно, тормозная мощность, пропорциональны скорости вращения силового вала, для поддержания тормозной мощности при снижении скорости требуется более сильное магнитное поле, и существует нижний предел эффективности динамического торможения, зависящий от доступного тока для обмоток возбуждения. Два основных метода управления электричеством, генерируемым при динамическом торможении, – реостатическое и регенеративное торможение, которые описаны ниже. Для двигателей с постоянными магнитами динамическое торможение легко реализуется путем замыкания выводов двигателя, что приводит к быстрой и резкой остановке. Однако этот метод рассеивает всю энергию в виде тепла непосредственно в двигателе, поэтому он не может использоваться в приложениях, кроме низкомощных и кратковременных, из-за ограничений по охлаждению, например, в беспроводных электроинструментах. Он не подходит для тяговых применений.
Реостатическое торможение
Электрическая энергия, вырабатываемая двигателями, рассеивается в виде тепла с помощью блока бортовых резисторов, называемого тормозной сетью. Для защиты резисторов от повреждений требуются мощные охлаждающие вентиляторы. В современных системах предусмотрен термический мониторинг, поэтому при превышении температуры блока он отключается, и торможение переходит на чисто фрикционный режим.
Регенеративное торможение
В электрифицированных системах применяется процесс регенеративного торможения, при котором ток, вырабатываемый при торможении, возвращается в систему электроснабжения для использования другими тяговыми единицами, а не рассеивается в виде тепла. В электрифицированных системах обычно используется как регенеративное, так и реостатическое торможение. Если система электроснабжения не "воспринимает" ток, то есть не способна его поглотить, система автоматически переключается в реостатический режим для обеспечения тормозного эффекта. Сейчас доступны маневровые локомотивы с бортовыми системами накопления энергии, позволяющими восстанавливать часть энергии, которая в противном случае была бы потеряна в виде тепла. Например, модель Green Goat используется Canadian Pacific Railway, BNSF Railway, Kansas City Southern Railway и Union Pacific Railroad. На современных пассажирских локомотивах, оснащенных инверторами переменного тока и тянущих поезда с достаточной потребностью в головной мощности (HEP), энергия торможения может использоваться для питания бортовых систем поезда посредством регенеративного торможения, даже если система электрификации невосприимчива или путь изначально не электрифицирован. Потребность в головной мощности на современных пассажирских поездах настолько велика, что некоторые новые электровозы, такие как ALP 46, были спроектированы без традиционных сопротивлений.
Смешанное торможение
Динамического торможения недостаточно для остановки локомотива, поскольку его эффективность быстро снижается при скорости ниже определенного значения. Поэтому оно всегда используется совместно с обычной пневматической тормозной системой. Эта комбинированная система называется комбинированным торможением. Литий-ионные аккумуляторы также применяются для накопления энергии, используемой для полной остановки поезда. Хотя комбинированное торможение сочетает в себе динамическое и пневматическое торможение, результирующая тормозная сила рассчитывается так, чтобы быть эквивалентной тормозной силе, создаваемой только пневматической системой. Это достигается за счет максимального использования динамического торможения и автоматической регулировки пневматического торможения, поскольку основная цель динамического торможения – уменьшить потребность в пневматическом торможении. Это позволяет экономить сжатый воздух и снижает риск перегрева колесных пар. По оценкам производителя локомотивов Electro-Motive Diesel (EMD), динамическое торможение обеспечивает от 50% до 70% общей тормозной силы при комбинированном торможении.
Заторможение с помощью вилки
Третий метод электрического торможения – торможение встречным током, или «замыкание на коротко», при котором на короткое время прикладывается обратный крутящий момент. Это самый быстрый вид электрического торможения, но он связан с возникновением значительных переходных нагрузок на двигатели и механические компоненты. Как правило, это резкое и «рывковое» торможение, эквивалентное кратковременному пуску («рывок») при движении вперед, и торможение встречным током никогда не используется в приложениях электрической тяги. Тем не менее, оно широко применяется в приводах длинного и поперечного хода подвесных кранов, работающих от постоянного и переменного тока; подъемные механизмы таких кранов обычно используют реостатическое торможение. Приводы с реверсом, использующие (преднамеренное) торможение встречным током, обычно применяют реостатическое управление для разгона и всегда имеют сопротивление в цепи двигателя при торможении встречным током для ограничения обратного (тормозного) момента. Торможение встречным током обычно достигается кратковременным переключением контроллера на первую ступень в противоположном направлении, а затем обратно в положение выключения. После достижения нулевой скорости торможение встречным током должно прекращаться, чтобы избежать движения в обратном направлении, и эта функция может быть реализована автоматически с помощью «реле торможения встречным током». Торможение встречным током несовместимо с приводами, управляемыми инвертором; оно становится все менее распространенным и активно не рекомендуется при современных крановых операциях.
Испытание на самозагрузке
Тормозные решетки можно использовать как динамометр или банк нагрузки для проведения испытания локомотива на самозагрузку с целью определения его выходной мощности. При неподвижном локомотиве выход основного генератора (МГ) подключается к решеткам вместо тяговых двигателей. Решетки, как правило, достаточно велики, чтобы поглощать всю мощность двигателя, которая вычисляется на основе напряжения и тока, выдаваемых МГ.
Гидродинамическое торможение
Дизельные локомотивы с гидравлической передачей могут быть оснащены системой гидродинамического торможения. В этом случае гидротрансформатор или гидромуфта выполняет роль замедлителя, аналогично водному тормозу. Энергия торможения нагревает гидравлическую жидкость, а тепло отводится (через теплообменник) радиатором системы охлаждения двигателя. Во время торможения двигатель работает на холостом ходу (и выделяет мало тепла), поэтому радиатор не перегружается.