Динамическое торможение — это использование электротягового двигателя в качестве генератора при замедлении транспортного средства, такого как электрический или дизель-электрический локомотив . Оно называется « реостатным », если вырабатываемая электрическая мощность рассеивается в виде тепла в резисторах тормозной сетки , и « регенеративным », если мощность возвращается в линию питания. Динамическое торможение снижает износ тормозных компонентов на основе трения , а рекуперация снижает чистое потребление энергии. Динамическое торможение может также использоваться на железнодорожных вагонах с несколькими единицами , легкорельсовых транспортных средствах , электрических трамваях , троллейбусах , а также электрических и гибридных электрических автомобилях .
Преобразование электрической энергии в механическую энергию вращающегося вала (электродвигателя) является обратным преобразованию механической энергии вращающегося вала в электрическую энергию (электрогенератора). Оба процесса осуществляются посредством взаимодействия обмоток якоря с (относительно) движущимся внешним магнитным полем, при этом якорь подключен к электрической цепи либо с источником питания (двигателем), либо с приемником энергии (генератором). Поскольку роль устройства преобразования электрической/механической энергии определяется тем, какой интерфейс (механический или электрический) обеспечивает или получает энергию, одно и то же устройство может выполнять роль как двигателя, так и генератора. При динамическом торможении тяговый двигатель переключается в роль генератора путем переключения с цепи питания на цепь приемника при подаче электрического тока на катушки возбуждения , которые генерируют магнитное поле ( возбуждение ).
Величина сопротивления, приложенного к вращающемуся валу (мощность торможения), равна скорости выработки электроэнергии плюс некоторая потеря эффективности. Это, в свою очередь, пропорционально силе магнитного поля, контролируемой током в катушках возбуждения, и скорости, с которой якорь и магнитное поле вращаются друг против друга, определяемой вращением колес и отношением вращения вала привода к вращению колеса. Величина мощности торможения контролируется путем изменения силы магнитного поля через величину тока в катушках возбуждения. Поскольку скорость выработки электроэнергии и, наоборот, мощность торможения пропорциональны скорости вращения вала привода, для поддержания мощности торможения требуется более сильное магнитное поле по мере снижения скорости, и существует нижний предел, при котором динамическое торможение может быть эффективным в зависимости от тока, доступного для приложения к катушкам возбуждения.
Двумя основными методами управления электроэнергией, вырабатываемой при динамическом торможении, являются реостатное торможение и рекуперативное торможение, описанные ниже.
Для двигателей с постоянными магнитами динамическое торможение легко достигается путем замыкания клемм двигателя, что приводит к быстрой резкой остановке двигателя. Однако этот метод рассеивает всю энергию в виде тепла в самом двигателе, и поэтому не может использоваться нигде, кроме маломощных прерывистых приложений из-за ограничений охлаждения, например, в беспроводных электроинструментах. Он не подходит для тяговых приложений.
Электрическая энергия, вырабатываемая двигателями, рассеивается в виде тепла с помощью группы встроенных резисторов , называемой тормозной сеткой . Для защиты резисторов от повреждения необходимы большие вентиляторы охлаждения. Современные системы имеют тепловой мониторинг, так что если температура группы становится чрезмерной, она отключается, и торможение возвращается к трению .
В электрифицированных системах используется процесс рекуперативного торможения , при котором ток, вырабатываемый во время торможения, возвращается в систему электроснабжения для использования другими тяговыми единицами, а не тратится впустую в виде тепла. Обычной практикой является включение рекуперативного и реостатного торможения в электрифицированные системы. Если система электроснабжения не является «восприимчивой» , т. е. неспособной поглощать ток, система по умолчанию перейдет в реостатный режим, чтобы обеспечить эффект торможения.
Теперь доступны локомотивы с бортовыми системами хранения энергии, которые позволяют восстанавливать часть энергии, которая в противном случае тратилась бы впустую в виде тепла. Например, модель Green Goat используется компаниями Canadian Pacific Railway , BNSF Railway , Kansas City Southern Railway и Union Pacific Railroad .
На современных пассажирских локомотивах, оборудованных инверторами переменного тока , тянущих поезда с достаточными нагрузками мощности на головной станции (HEP), энергия торможения может использоваться для питания бортовых систем поезда с помощью рекуперативного торможения, если система электрификации не восприимчива или даже если путь изначально не электрифицирован. Нагрузка HEP на современных пассажирских поездах настолько велика, что некоторые новые электровозы, такие как ALP-46, были спроектированы без традиционных решеток сопротивления.
Динамическое торможение само по себе недостаточно для остановки локомотива, поскольку его тормозной эффект быстро уменьшается ниже скорости 10–12 миль в час (16–19 км/ч). Поэтому оно всегда используется в сочетании с другой формой торможения, например, воздушным тормозом . Использование обеих тормозных систем одновременно называется смешанным торможением . Литий-ионные батареи также использовались для хранения энергии, которая использовалась для полной остановки поездов. [1]
Хотя смешанное торможение сочетает в себе как динамическое, так и воздушное торможение, результирующее тормозное усилие рассчитано на то же самое, что и у воздушных тормозов. Это достигается за счет максимизации динамической тормозной части и автоматического регулирования воздушной тормозной части, поскольку основная цель динамического торможения — уменьшить количество требуемого воздушного торможения. Это экономит воздух и минимизирует риски перегрева колес. Один из производителей локомотивов, Electro-Motive Diesel (EMD), подсчитал, что динамическое торможение обеспечивает от 50% до 70% тормозного усилия во время смешанного торможения.
Третий метод электрического торможения — это торможение пробкой или «затыковка», при котором обратный крутящий момент применяется в течение короткого времени. Это самая быстрая форма электрического торможения, но ее недостатком является приложение значительных переходных напряжений к двигателям и механическим компонентам. Обычно это резкое и «рывковое» [2], эквивалент торможения «толчком» при движении вперед, и торможение пробкой никогда не применяется в приложениях с электрической тягой. Тем не менее, оно широко применяется в таких приложениях, как приводы дальнего и поперечного хода мостовых кранов с питанием от постоянного и переменного тока ; подъемные приводы на таких кранах обычно используют реостатное торможение. Реверсивные приводы с (преднамеренным) торможением пробкой обычно используют реостатное управление для ускорения и всегда имеют сопротивление в цепи двигателя, когда применяется размыкание пробки, чтобы ограничить обратный (тормозной) крутящий момент. Затыковка обычно достигается путем кратковременного перемещения контроллера на первый шаг противоположного направления, а затем обратно в положение «выключено». После достижения нулевой скорости, затыкание должно прекратиться, чтобы избежать работы привода в обратном направлении, и эта функция может быть реализована автоматически, с помощью «реле затыкания». Затыкание не очень хорошо подходит для приводов с инверторным управлением; оно становится все менее распространенным и активно не приветствуется в современной работе крана. [3] [4] [5]
Можно использовать тормозные сетки как форму динамометра или нагрузочного банка для проведения самонагрузочного испытания выходной мощности локомотива. При неподвижном локомотиве выход главного генератора (МГ) подключается к сетям вместо тяговых двигателей. Сетки обычно достаточно велики, чтобы поглотить полную выходную мощность двигателя, которая рассчитывается из напряжения МГ и выходного тока.
Тепловозы с гидравлической трансмиссией могут быть оборудованы гидродинамическим торможением. В этом случае гидротрансформатор или гидромуфта действуют как замедлитель так же, как и гидравлический тормоз . Энергия торможения нагревает гидравлическую жидкость , а тепло рассеивается (через теплообменник) радиатором охлаждения двигателя. Во время торможения двигатель будет работать на холостом ходу (и выделять мало тепла), поэтому радиатор не будет перегружен.
