Электричество и электрическая железная дорога. Конспект лекций по физике, страница 35

Скорость поезда хотя и растет, но с уменьшающимся ускорением. В некоторый момент времени при некотором значении достигнутой скорости движения V₁  (рис. 13.2) и при уменьшившейся силе тяги F_min ≈ 0,95 F_сц машинист отключает одну ступень реостата. Но так, чтобы сила подскочившего тока не превысила предельного значения J_max . Иначе, при слишком раннем отключении ступени реостата, ток превысит максимально допустимое значение, момент электромагнитных сил превысит допустимое значение и начнется буксование колес. Если ступень реостата отключена вовремя, то сила тяги скачком поднимается от значения F_min до предельного значения силы сцепления F_сц, и ускорение опять возрастает. Скачок силы тяги воспринимается поездом как толчок. Скачок ускорения будет равен отношению скачка сил к массе поезда: . Из условия комфорта пассажирам и автосцепкам, так чтобы толчок был достаточно слабым, выбирается число ступеней регулирования пускового реостата (около 20). В идеальном случае их должно быть гораздо больше, тогда силу тяги можно сделать почти постоянной.

Эту операцию отключения секций реостата проводят до тех пор, пока реостат не будет полностью выведен (на рис. 13.2 показано 4 вместо 20 переключений). Если бы оставить последовательное включение двигателей, то движение перешло бы в режим постоянной мощности. Сила тяги с ростом скорости будет постепенно уменьшаться: ,  пока не сравняется с силами сопротивления движению. А скорость достигнет предельного значения V_посл.

Дальнейшее увеличение скорости возможно при переключении двигателей с последовательного соединения на последовательно-параллельное соединение. Но одновременно следует снова ввести реостат, иначе сила тока скачком увеличится сразу в два раза. Повторяются операции с отключением секций пускового реостата до их полного выведения. Снова вводят реостат и переходят на параллельное соединение двигателей. Снова в режиме разгона при постоянной силе тяги повторяются операции отключения секций реостата. Дальнейшее увеличение скорости происходит в режиме постоянной мощности. Скорость в режиме движения с постоянной мощностью достигает значения V_паралл. На этом возможности увеличения скорости поезда за счет переключения двигателей и секций реостата исчерпаны. Возможно три значения скорости равномерного движения.

5. Однако существует еще третья возможность увеличения силы тока, мощности и скорости движения поезда. Для этого параллельно катушке возбуждения включают индуктивный шунт (рис. 13.3). Общее сопротивление шунта и катушки возбуждение уменьшается, и сила тока через якорь возрастает. Называется эта операция «ослабление возбуждения».Хотя, если индукция магнитного поля была близка к насыщению, уменьшение силы тока через катушку возбуждения приводит к уменьшению индукции незначительно. Но зато ток в якорной обмотке возрастает за счет дополнительного тока через шунт. Момент сил якоря  М_якоря=JBSN будет возрастать, если будет расти произведение возрастающей силы тока Jякоря на уменьшающуюся индукцию В магнитного поля катушек возбуждения.  Если индуктивный шунт имеет три ступени регулирования на каждую схему соединения двигателей (на рис. 12.2 показана одна, пунктир), то число скоростей равномерного движения поезда будет двенадцать.

Переключение токов в тысячи ампер при напряжении в тысячи вольт производится с помощью электромагнитных реле с силовыми электрическими контактами. Сами реле управляются токами, включаемых контактами контроллера машиниста от источника тока  низкого напряжения  (50 В).

5. КПД подстанции. Применение пускового реостата и трех схем включения двигателей позволяет сэкономить электрическую энергию. Пусть, например, имеется всего одна схема включения двигателей – параллельная. Пусть в режиме движения поезда при ограничении силы тяги по сцеплению, сила тяги равна предельной силе сцепления и почти постоянна. Также остается постоянной сила тока J_max. Это достигается регулированием сопротивления реостата, которое должно быть много больше обычного. За время разгона t₀ тяговая подстанция совершит работу, которая равна произведению мощности на время разгона: . На графике "мощность–время" работа подстанции равна площади прямоугольника с ординатой Р и абсциссой t₀ (рис. 13.4). Работа подстанции расходуется на полезную работу двигателей локомотива и на теплоту, выделяемую на пусковом реостате.