Ток в силовой цепи двигателя (схема соединения при z — 1) согласно закону Ома выражается следующим соотношением:
Изменение пускового сопротивления может быть плавным (Iп = const) или ступенчатым (Iп ≠ const). При Iп = const необходимо плавно изменять величину пускового сопротивления (от Rп до 0), что при металлических реостатах, применяемых на подвижном составе, связано с конструктивными затруднениями. Примером плавного пуска может служить пуск посредством угольных контактных пластин, а также практически коллекторный пуск (с коллекторным контроллером с большим числом пусковых позиций, например, на вагоне Т-2). Однако плавное регулирование пускового сопротивления усложняет систему управления. Поэтому преимущественно применяются системы управления подвижным составом, где пусковое сопротивление выводится не непрерывно, а отдельными ступенями.
Реостатный пуск может быть неавтоматическим и автоматическим. Неавтоматический пуск характеризуется тем, что каждой реостатной позиции силовой схемы соответствует определенное положение главной рукоятки контроллера управления; пока эта рукоятка находится на данной позиции, никаких изменений в схеме силовой цепи не происходит. Пуск при такой системе производится перемещением главной рукоятки или педали контроллера с позиции на позицию.
Автоматический пуск повышает экономические и эксплуатационные показатели работы подвижного состава, обеспечивает плавное трогание поезда с места, дает возможность реализовать различные по величине ускорения и замедления, обеспечивает высокие скорости движения. Особенность этого пуска состоит в том, что переход с одной реостатной позиции на другую происходит независимо от воли водителя, который имеет возможность выбрать лишь необходимую величину ускорения. При автоматическом пуске переход с одной ступени реостатной позиции на следующую регулируется особым реле минимального тока (реле ускорения) или хронометрическим вращением группового контроллера, выводящего ступени сопротивления.
Энергетические диаграммы пуска.
Энергетическую диаграмму пуска можно построить пользуясь уравнением баланса мощности. Это уравнение для силовой цепи любой схемы соединения тяговых двигателей можно получить, если правую и левую части уравнения электрического равновесия [формула (9)] умножить на ток, потребляемый поездом из сети z' Iп. Тогда
Рассмотрим, как изменяется мощность, потребляемая двигателями в силовой цепи в процессе пуска при любой схеме их соединения, без применения перегруппировки, и изобразим эту зависимость графически, откладывая по оси абсцисс время t, а по оси ординат мощности Р (рис. 24).
Обозначим продолжительность периода пуска двигателя через tп и условимся при построении любой пусковой диаграммы напряжение в контактной сети Uc считать неизменным, пусковой ток — постоянным и равным среднему пусковому току, а сопротивление движению — не зависящим от скорости. Время пуска tu можно определить зная среднее пусковое ускорение ап и скорость в конце пуска vп по формуле равноускоренного движения:
В момент начала пуска мощность, потребляемая из сети, затрачивается в пусковом сопротивлении и на электрические потери в двигателях:
Рис. 24. Энергетическая диаграмма для любой схемы соединения а — без перегруппировки; б — без перегруппировки (уточненная)
Полезная мощность двигателей, т. е. мощность, затраченная на создание внешнего вращающего момента (ордината дг), равна:
Рис. 25. Энергетическая диаграмма пуска
а — при двухступенчатой перегруппировке; б — при трехступенчатой перегруппировке (по схемам рис. 22)
Площади на уточненной диаграмме (рис. 24, б) изображают: Обед — энергию, потребляемую из сети (тяговыми двигателями и пусковым сопротивлением); Оавд — энергию, потребляемую тяговыми двигателями; абв — энергию, затраченную в пусковом сопротивлении; Оавг — энергию, затраченную на потери в тяговых двигателях; Огд — энергию, затраченную на создание внешнего вращающего момента. На диаграмме (см. рис. 24, а) площадь Огд изображает энергию, затраченную на создание внутреннего вращающего момента, а площадь Оавг — энергию, затраченную на электрические потери в двигателях. Как видно из диаграммы, потери энергии в пусковом сопротивлении без особой погрешности можно принять равными работе, совершенной двигателями за время пуска.
Рассмотрим порядок построения энергетической диаграммы пуска для любого варианта двухступенчатой перегруппировки тяговых двигателей (рис. 25, а). В момент начала пуска (I ступень соединения тяговых двигателей) мощность, потребляемая поездом из сети, затрачивается в пусковом сопротивлении и покрывает электрические потери в двигателях:
Рис. 26. Упрощенные энергетические диаграммы пуска
а — без перегруппировки; б — с двухступенчатой перегруппировкой; в — с трехступенчатой перегруппировкой
Так как мощность, потребляемая из сети на первой ступени соединения тяговых двигателей, остается за период tп1 постоянной, проводим горизонтальную прямую бв, выражающую зависимость zInUс=f(t). Точка в соответствует моменту времени работы двигателей по автоматической характеристике I ступени. Для перехода на II ступень необходимо снова включить пусковое сопротивление. Этот переход изображается ординатой в'г, величина которой в два раза больше ординаты в'в. Так как мощность, потребляемая из сети на II ступени соединения двигателей, остается за период tп2 постоянной, проводим горизонтальную прямую гд. Время пуска на I ступени соединения двигателей tп1 несколько меньше времени пуска на II ступени (tп1 < tп2), так как скорость выхода на автоматическую характеристику при половинном напряжении несколько меньше половины соответствующей скорости при номинальном напряжении.
На рис. 25, б показана энергетическая диаграмма при трехступенчатой перегруппировке с четырьмя тяговыми двигателями, соединенными по схемам рис. 22, I.
При построении энергетической диаграммы для подвижного состава с двигателями смешанного возбуждения кроме силовой цепи необходимо учесть мощность и энергию, потребляемую цепью параллельного возбуждения.
В этом случае уравнение баланса мощности для любой схемы соединения двигателей принимает вид:
где Iс — ток, потребляемый из сети;
Iв — ток, потребляемый в цепи параллельного возбуждения;
Iп — пусковой ток силовой цепи одной группы тяговых двигателей.
Энергия затраченная в цепи параллельного возбуждения, составляет 1,5—2% энергии, потребляемой из сети.
Для определения величины потерь энергии в пусковом сопротивлении при различных способах пуска и регулировании скорости построены упрощенные энергетические диаграммы (рис. 26). В этих диаграммах не учитываются механические, магнитные и электрические потери в двигателях. Отношение потерь в пусковом сопротивлении Ап к полезной работе тяговых двигателей Ад принято называть коэффициентом пуска:
.
Коэффициент характеризует экономичность пуска. Из рис. 26 следует, что при пуске без перегруппировки Кп=1, при двухступенчатых перегруппировках: Кп= 0,5 и при трехступенчатой перегруппировке Кп=3/8. Потери энергии в пусковом сопротивлении соответственно составляют: 50, 33,3 и 27% энергии, подведенной к поезду. Таким образом, применение перегруппировки тяговых двигателей, помимо увеличения числа экономических ступеней скорости, дает экономию электрической энергии при пуске. Однако применение перегруппировки усложняет электрическую схему подвижного состава. Уменьшить потери в пусковых сопротивлениях можно, не применяя перегруппировки, использованием тяговых двигателей с низколежащей характеристикой за счет снижения скорости окончания пускового периода.