книги из ГПНТБ / Пушкарев, И. Ф. Бесконтактные электрические аппараты тепловозов

В частотнорегулируемой передаче переменного тока тепловозов все основные блоки выполняются на кремниевых вентилях и тири­ сторах. Отдельные узлы системы управления могут быть выполне­ ны на магнитных, полупроводниковых и бесконтактных логических элементах.

Полупроводниковые регуляторы

Полупроводниковый регулятор мощности и тока главного гене­ ратора. Основу структуры полупроводникового регулятора мощно­ сти, впервые разработанного МИИТом в 1961 г. применительно к тепловозам ТЭЗ, составляют транзисторы. В 1966 г. схема регуля­ тора мощности была дополнена регулятором тока генератора, вы­ полненного также на транзисторной основе, и в таком виде после длительных испытаний принята для модернизации опытной партии тепловозов ТЭЗ.

Принципиальная схема регулятора мощности и тока главного генератора тепловоза ТЭЗ (рис. 16) составлена из двух автоном-

Рис. 16. Схема полупроводникового регулятора мощности и тока главного генератора тепловоза ТЭЗ системы МИИТа

ных каналов регулирования, образующих соответственно регуля­ тор мощности и регулятор тока главного генератора. Регулирую­ щее воздействие обоих регуляторов приложено к цепи возбужде­ ния возбудителя, в которой, как это видно из схемы, по сравнению с серийной сделаны изменения:

31

обмотки независимого возбуждения НВ—ННВ, регулировочная Р—РР и ограничительная М—ММ соединены последовательно;

обмотки независимого возбуждения двух полюсов отпаиваются

ивместе с последовательно соединенными с ними регулировочной

иограничительной обмоткой подключаются к выходу схемы регу­ лятора тока. Формирование гиперболической внешней характери­ стики главного генератора осуществляется, как и в серийной схеме, возбудителем с поперечным расщеплением полюсов.

Р е г у л я т о р м о щ н о с т и включает в себя индуктивный датчик ИД, выпрямительный мост В1, силовой транзистор 77, диод ДЗ и резисторы R1 и R5, Индуктивный датчик (см. § 2 гл. II) изме­ ряет и преобразует перемещение штока сервомотора регулятора дизеля в напряжение, которое через выпрямительный мост В1 по­ дается на вход эмиттер — база транзистора 77.

Транзистор Т1 включен по схеме с общим эмиттером параллель­ но части сопротивления в цепи возбуждения возбудителя и пред­ ставляет собой переменное сопротивление, изменяющееся от вели­ чины сигнала на входе. В этом случае транзистор работает в ре­ жиме линейного усиления сигнала (см. § 1, рис. 5).

Работа регулятора мощности начинается с 9-й позиции кон­ троллера, на которой включается реле РУ1 и своей замыкающей блокировкой подводит напряжение 16—20 в к цепи эмиттер—кол­ лектор транзистора 77. Если дизель недогружен, то якорь датчика ИД находится в крайнем нижнем положении, а на выходе датчика имеется максимальное напряжение. Следовательно, в цепи базы транзистора 77 протекает ток, сопротивление эмиттер—коллектор­ ного перехода будет минимальным, а главный генератор получает максимальное возбуждение.

Когда же с увеличением нагрузки дизеля рейки топливных на­ сосов коснулись упора, шток сервомотора, перемещаясь вверх (при неизменной подаче топлива), передвигает якорь датчика ИД. При этом уменьшается напряжение на его выходе и ток базы транзи­ стора 77. Сопротивление цепи эмиттер—коллектор последнего рез­ ко возрастает, что приводит к уменьшению возбуждения возбуди­ теля, а значит, и мощности главного генератора. Диапазон измене­ ния мощности генератора 300—350 кет.

тор постоянного тока ТПТ, описание устройства и характеристики которого приведены в гл. II), выпрямительный мост В2, двухкас­ кадный усилитель, состоящий из транзисторов Т2 и ТЗ, включенных по схеме с общим эмиттером, диоды Д1, Д2, Д4 и Д5, резисторы R1—R4, стабилитрон Сті и конденсаторы С1 и С2.

Стабилитрон Сті вместе с положительным смещением на базу транзистора ТЗ, подаваемого от специальной обмотки статического преобразователя СП через диоды Д1 и Д2 и резистор R3, обеспе­ чивает четкое отпирание транзисторного усилителя и его ключевой режим работы при ограничении максимального тока нагрузки ге-

32

иератора. Это объясняется тем, что при максимальном токе на­ грузки генератора напряжение на выходе моста В2 превышает суммарное напряжение пробоя стабилитрона и положительного смещения. При этом произойдет пробой стабилитрона Сті, вызы­ вающий четкое отпирание транзисторов усилителя. Сопротивление цепи эмиттер—коллектор транзистора Т2 резко упадет, и этой цепью шунтируются обмотки возбуждения ограничительная М— ММ, регулировочная Р—РР и половина независимой НВ—НН В. В результате снижения возбуждения возбудителя уменьшится и напряжение главного генератора, а ток нагрузки его поддерживается на заданном уровне. Регулятор тока обеспечивает ограниче­ ние тока генератора как на 16-й, так и на промежуточных пози­ циях контроллера.

Полупроводниковые регуляторы напряжения вспомогательного генератора. За последние годы разработан, испытан и применя­ ется на тепловозах ряд бесконтактных регуляторов напряжения (БРН), построенных на полупроводниковых приборах. Первый ре­ гулятор напряжения на транзисторах, разработанный в 1960 г. в МИИТе, и последовавшие за ним регуляторы НИИТЭМа БРН-1 и БРН-2 не получили применения на тепловозах, так как имели ряд недостатков: низкая температурная стабильность, неэквивалентные режимы работы транзисторов и т. д.

Р е г у л я т о р ы н а п р я ж е н и я т ипа БРН -3. В 1965 г. НИИТЭМ разработал схему БРН-3 на тиристорах, образовавшую основу для последующих вариантов этого типа БРН-ЗА и БРН-ЗБ. Такими регуляторами оборудовано значительное количество теп­ ловозов ТЭП60 и 2ТЭ10Л.

В основу принципа работы тиристорных регуляторов напря­ жения положено использование диодов в качестве нелинейных раз­ рядных сопротивлений, встречно шунтирующих цепи с индуктив­ ностью (обмотки возбуждения). Как известно, при размыкании та­ кой цепи возникает э.д.с. самоиндукции, препятствующая умень­ шению тока. Полярность этой э.д.с. такова, что диод откроется и по нему будет проходить ток, убывающий постепенно от первоначаль­ ного значения до нуля. В регуляторе напряжения управление та­ ким контуром осуществляется с помощью тиристоров.

Принципиальная схема регулятора БРН-3 (рис. 17) состоит то двух органов: измерительного и регулирующего. В измерительный орган входят стабилитрон Ст2, транзистор ПТ1, диоды Д7 и Д8, резисторы R2 и R3, потенциометр П1 и конденсатор СЗ. Стабили­ трон Ст2 является чувствительным элементом, реагирующим на изменение напряжения вспомогательного генератора. Диоды Д7 и Д8 служат для уменьшения токов утечки и повышения стабильно сти работы транзистора ПТ1. При помощи потенциометра П1 на­ страивается регулятор на заданное напряжение. Конденсатор СЗ сглаживает пульсации напряжения вспомогательного генератора.

ляется обмотка возбуждения вспомогательного генератора. Она зашунтирована диодом Д6, являющимся нелинейным разрядным сопротивлением. Резистор Ry обеспечивает открывание транзистора ПТ1. Диоды Д1 и Д4 служат для защиты переходов управляющий электрод — катод тиристоров ВКУ и ВДУ2 от обратных напряже­ ний, возникающих при перезарядке конденсатора С1. Кроме того, ■іиод Д4 защищает эмнттер-коллекторныіі переход транзистора

ПТ1. Диод Д5 создает отрицательное смещение на управляющем электроде тиристора ВДУ1, обеспечивая отсечку тока при откры­ том транзисторе ПТ1. Узел, состоящйй из резисторов R4 и R5, диода Д10, стабилитрона СтЗ и конденсатора С2, повышает надеж­ ность работы регулятора. Диод Д9 предотвращает потерю управ­ ляемости регулятора. Назначение остальных элементов станет понятным из дальнейшего описания работы регулятора.

Для уяснения принципа работы регулятора воспользуемся уп­ рощенной схемой регулировочного органа, приведенной на рис 18,а. Пусть управляемый вентиль ВКУ1 включен и ток от плюса батареи протекает по обмотке возбуждения OB и вентилю к минусу бата­ реи. При этом через резистор R1 заряжается конденсатор так, что его правая (по схеме) обкладка положительна, а левая отрица­ тельна. По мере заряда конденсатора увеличивается потенциал точки а, к которой подключен стабилитрон Ст. Когда напряжение на конденсаторе достигнет пробивного напряжения стабилитрона,

34

от времени закрытого состояния вентиля ВДУ1. Это может быть обеспечено дополнительным управляющим воздействием, прикла­ дываемым к управляющему электроду вентиля ВКУ1.

Такое воздействие формируется измерительным органом регу­ лятора, принцип работы которого можно пояснить на его упрощен­ ной схеме, приведенной на рис. 18,6. Величины сопротивления ре­ зисторов R2 и R3 выбраны таким образом, что при напряжении более 75 в напряжение между точками в и г достаточно для откры­ тия стабилитрона Ст. При напряжении, меньшем 75 в, стабилитрон Ст закрыт. Состоянием стабилитрона Ст обусловливается ключе­ вой режим транзистора ПТ. В открытом состоянии стабилитрона Ст транзистор ПТ также открыт и своим эмиттер-коллекторным переходом шунтирует переход управляющий электрод—катод вен­

для открытия вентиля ВКУ1. Закрывание стабилитрона вызывает закрытие транзистора ПТ, ток і3 уменьшается практически до ну­ ля, а ток іо становится равным току і\, т. е. достигает значения, до­ статочного для открытия вентиля ВІ\У1.

В схеме регулятора ВРН-3 (см. рис. 17) рассмотренные прин­ ципы работы измерительного и регулирующего органа объединя­ ются, так как оба эти узла взаимосвязаны. На тепловозе 2ТЭ10Л регулятор БРН-3 включается сразу при включении автомата «топ­ ливный насос» на пульте управления. При этом сработает реле РУЗ и своим замыкающим контактом соединит обмотку возбужде­ ния OB вспомогательного генератора с аккумуляторной батареей. В регулирующем органе регулятора БРН-3 начинается устойчивый автоколебательный процесс, соответствующий описанию его пс рис. 18,а. В момент пуска дизеля регулятор отключается от бата­ реи размыкающими блокировками пусковых контакторов Д1 п ДЗ. После пуска эта цепь восстанавливается, и в регуляторе снова возобновляется колебательный процесс. При включении контакто­

регулятора, который накладывает свое управляющее воздействие на параметры колебательного процесса регулирующего органа и в конечном счете управляет уровнем тока в обмотке возбуждения.

В регуляторе БРН-3 применена схема измерительного органа, в которой стабилитрон включается последовательно с нагрузкой. Такому соединению присущ ряд недостатков, обусловленных тем, что используется вся характеристика стабилитрона, в том числе и ее начальный участок (см. рис. 3), который, как известно, может иметь низкую стабильность. Этим объясняется недостаточно высо­ кая точность измерения и стабильность настройки регулятора БРН-3. Варианты этого регулятора, известные под типами БРН-ЗА и БРН-ЗБ, разрабатывались с целью устранения этого недостатка.

Отметим основную особенность последней модификации регу­ лятора БРН-ЗБ, принципиальная схема которого приведена на

36

рис. 19. Из схемы видно, что регулирующий орган его, в который входят: два тиристора ВК.У1 и ВКУ2, резисторы R4—R6, R8 и Rу,- диоды Д1—Д4 и Д8—Д10, конденсаторы С2—С4 и стабили­ трон Сті как по устройству, так и по принципу работы аналогичен регулирующему органу регулятора БРН-3, описанному выше.

Рис. 19. Схема полупроводникового регулятора напряжения типа БРН-ЗБ

стабилитроны Ст2 и СтЗ. В диагональ моста между клеммами 7 и 8 включен транзистор ПТ1, т. е. цепь эмиттера организуется дели­ телем напряжения R п и R1—R2, а цепь базы — стабилитронами Ст2 и СтЗ. На вход моста подается напряжение вспомогательного генератора U вг -

Измерительный орган работает следующим образом. При на­ пряжении на входе, равном или меньшем 75 в, измерительный мост уравновешен. При этом потенциал на базе транзистора ПТ1 поло­ жителен относительно эмиттера и транзистор заперт. Повышение напряжения на входе (Нвг ) вызывает рост напряжения на эмит­ тере, в то время как на базе напряжение остается примерно по­ стоянным. Это эквивалентно снижению потенциала базы относи­ тельно эмиттера. Происходит отпирание транзистора ПТ1 и стаби­ литрона Ст2.

Чувствительность измерительной схемы будет определяться об­ ратной зависимостью от величины сопротивления резистора RL Коэффициент усиления такой схемы мал. Для повышения коэффи­ циента усиления между измерительным мостом и нагрузкой (цепью управляющего электрода тиристора ВКУ1) включен усилитель по­ стоянного тока на двух транзисторах п—р—«-проводимости ПТ2

37

и ПТЗ. Эти транзисторы отпираются последовательно с отпиранием транзистора ПТ1. При этом коллектор-эмиттерный переход тран­ зистора ПТЗ шунтирует переход управляющий электрод—катод ти­ ристора ВКУ1, ток в этой цепи становится меньше тока удержания тиристора и он закрывается. Таким образом, управляющее воз­ действие измерительного органа направлено на вход главного ти­ ристора ВКУ1. Регулирующий орган отрабатывает это воздействие в таком же порядке, как это описано выше для регулятора типа БРН-3.

Регулятор типа БРН-ЗБ имеет достаточно высокую чувствитель­ ность и точность измерения. Стабильность характеристик регуля­ тора обеспечивается введением ряда дополнительных элементов: последовательно-встречно включенных однотипных стабилитронов

тер-генераторов типов СТГ1—СТГ7, предназначенных для раскрут­ ки вала дизеля при пуске и обеспечения постоянным током напря­ жением ПО в цепей управления, освещения и заряда аккумулятор­

ной батареи при работающем дизеле. Стартер-генераторы таких типов применяются на тепловозах ТЭ109 и дизель-поездах ДР1. Чтобы стабилизировать напряжение ПО в этих стартер-генерато­ ров (СТГ), Ворошиловградский тепловозостроительный завод разработал ряд тиристорных регуляторов напряжения типов РНТ1—РНТЗ. В регуляторах используются тиристоры в регули-

рующем органе и стабилитроны — в измерительном. Отличаются они друг от друга лишь количеством полупроводниковых приборов.

Регулятор типа РНТ-3, принципиальная схема которого приве­ дена на рис. 20, состоит из измерительного и регулирующего орга­ нов. Измерительный орган воспринимает отклонение напряжения СТГ от заданного уровня и преобразовывает его в сигнал управ­ ления тиристорами. К нему относятся: делитель напряжения, со­ стоящий из резисторов R1—R3, стабилитроны Сті—СтЗ и Ст8— Стіі и диоды Д2, Д6, Д8, Д9 и ДИ . Регулирующий орган состоит из мультивибратора, собранного из тиристоров 77 и Т2, конденса­ тора С1, диодов Д7, Д10, Д12—ДМ, стабилитронов Ст4—Ст7 и резисторов R4, R5, R7, R8 и цепи главного тиристора ТЗ, включаю­ щей в качестве нагрузки обмотку возбуждения СТГ, диод ДЗ, кон­ денсатор С2, сопротивление R6 и шунтирующие диоды Д4 и Д5.

Работа регулятора происходит в такой последовательности. При срабатывании в схеме управления тепловозом контактора К.РН замыкаются его контакты и на схему регулятора подается напряжение аккумуляторной батареи. При напряжении, равном на­ пряжению пробоя стабилитронов Ст8—Стіі, они отпираются и пропускают в управляющую цепь тиристора ТЗ ток, достаточный для его открытия. В период открытого состояния тиристора ТЗ к обмотке возбуждения ОВСТ приложено практически полное на­ пряжение источника, ток возбуждения при этом возрастает и нап­ ряжение СТГ увеличивается. Одновременно через резистор R6 об­ разуется цепь заряда конденсатора С2 с полярностью, указанной на схеме.

По мере увеличения напряжения СТГ растет напряжение на де­ лителе R1—R2, и, когда оно достигнет значения пробивного напря­ жения стабилитронов Сті—СтЗ, последние отпираются и замыкают управляющую цепь тиристора 77. При открытии тиристора Т1 че­ рез него образуется цепь разряда конденсатора С2; подаваемым по ней обратным напряжением тиристор ТЗ запирается. Ток в об­ мотке ОВСГ, как это описано выше, уменьшается, протекая через шунтирующий диод Д4. Напряжение СТГ уменьшается.

При открытом тиристоре Т1 через резистор R5 заряжается кон­ денсатор С1, и когда напряжение на его правой обкладке (по схеме) достигнет напряжения пробоя стабилитронов Ст4—Ст7, они отпираются и открывается тиристор Т2. Через открытый тири­ стор Т2 происходит разряд конденсатора С1, и обратным напря­ жением тиристор Т1 запирается. Дальше следует перезаряд кон­ денсатора С1 через резистор R4 и диоды Д12—ДМ.

Если напряжение на делителе R1—R2 не снижается, то снова

При снижении напряжения СТГ, когда напряжение на делителе R1—R2 станет меньше напряжения пробоя стабилитронов’ Сті— СтЗ, тиристор 77 не открывается, а конденсатор С/ продолжает заряжаться до напряжения пробоя стабилитронов Ст8—Стіі. После

39