Электричество и электрическая железная дорога. Конспект лекций по физике, страница 34

Повышать напряжение более 1500 В на применяемых двигателях не рекомендуется во избежание пробоя изоляции. Таким образом, три ступени регулирования напряжения получаются достаточно большими, и у поезда будет только три скорости равномерного движения. Но и в этом случае нельзя напрямую включать и переключать двигатели, так как это приведет к   скачкам напряжения на двигателе, к скачкам силы тока.  Скачком вырастет вращающий момент сил якоря,  и  ведущее колесо может закрутиться на рельсе. Ток большой силы приведет к нагреву проводов и может привести к разрушению якорной обмотки двигателя силами Ампера. Поэтому для плавной регулировки силы тока, скорости движения, сглаживания рывков и толчков при переключении двигателей, применяют пусковой реостат.

2. Оценим сопротивление пускового реостата. Мощность тяговых двигателей магистрального локомотива  составляет несколько МВт.  При напряжении на подстанции U=3 кВ  сила тока, согласно формуле мощности  для подстанции, будет более тысячи ампер.  При разгоне в режиме постоянной силы тяги сила тока должно поддерживаться постоянной по величине.  При трогании поезда в момент пуска двигателей противо-ЭДС отсутствует и сила тока может быть ограничена только сопротивлением пускового реостата. По закону Ома сопротивление должно быть  . Так как   двигатели включены последовательно,  то U=375 В , тогда сопротивление реостата должно быть около 2 – 3 Ом.

Реостат разделен на секции, что позволяет, комбинируя различные схемы соединения секций, получить около двадцати ступеней регулирования сопротивления реостата. Соответственно, становится возможным плавное регулирование мощности двигателей и скорости движения поезда. Но так как на реостате происходят потери электрической энергии, превращение ее в теплоту, то пользуются им кратковременно, только при разгоне в момент пуска двигателей и при переключении способа соединения двигателей.

3. Определим максимально допустимый ток. Существует ограничение на силу тока по сцеплению колес с рельсами, с тем чтобы приложенный к колесам вращающий момент электромагнитных сил якоря не вызвал буксования колес локомотива. Момент предельной силы тяги со стороны рельсов одной колесной пары равен , где D–диаметр круга катания колес,   –сила тяжести локомотива, приходящаяся на одну колесную пару,  μ_сц – коэффициент сцепления колес с рельсами, k– число колесных пар локомотива или число тяговых двигателей.

Момент электромагнитных сил якоря, передаваемый через зубчатую передачу на колесную пару, увеличивается в nраз, где n –– передаточное отношение зубчатой передачи.  По закону динамики вращательного движения колесной пары  вращение колесной пары происходит под действием вращающего момента сил якоря и противодействующего момента сил со стороны рельса. Ускорение колес, за исключением буксования, не бывает большим и инерционным членом можно пренебречь. Тогда момент электромагнитных сил почти равен моменту предельной силы сцепления: М_якоряn= М_кол, . Вращающий момент электромагнитных сил якоря при потреблении максимального тока равен , где Ψ =BSN – потокосцепление обмотки якоря двигателя. Из равенства моментов можно определить максимально допустимую силу тока в режиме движения при предельной силе тяги

.                                                13.1

При максимальном токе потокосцепление близко к насыщению и примерно постоянно. Потому для поддержания постоянной предельной силы тяги, силу тока через двигатель следует поддерживать постоянной, близкой к максимально допустимому значению.  Для этого, согласно закону Ома для электрической железной дороги    с увеличением противо-ЭДС при росте скорости движения поезда следует синхронно уменьшать сопротивление пускового реостата.

4. Регулирование мощности при разгоне. В момент начала движения поезда противо-ЭДС двигателей отсутствует. Пусковой реостат включен полностью.  По двигателям протекает максимально допустимый ток. Якоря тяговых двигателей развивают максимально допустимый вращающий момент сил  и поезд начинает движение с ускорением под действием предельной силы тяги ведущих колес. С началом вращения появляется противо-ЭДС якорных обмоток ε, сила тока по закону Ома  начинает уменьшается. Это приводит к некоторому уменьшению силы тяги.