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

Принцип действия магнитного усилителя основан на использо­ вании свойства насыщения ферромагнитного сердечника. Уровнем насыщения сердечника можно управлять, изменяя подмагничивание его постоянным током / у . При этом будут изменяться выход­ ные параметры: ток / Р и напряжение ~ ö p . Покажем это на ста­ тической характеристике простого МУ, представляющей собой за­ висимость тока в рабочей обмотке / Р от тока в обмотке управле­ ния / у (рис. 24, в).

Известно, что ток в рабочей цепи

UD

' р = V x f ^

где R р — активное сопротивление рабочей цепи, включая и на­ грузку;

Хр — индуктивное сопротивление рабочей обмотки. Индуктивное сопротивление рабочей обмотки

конструктивные параметры: число витков рабочей обмотки шР .

магнитная проницаемость сердечника ц«. . Таким образом, индук­

(см. рис. 24,б). Поэтому ток в рабочей цепи окажется наиболь­ шим, определяемым только активным сопротивлением цепи. Для

сердечника не зависит от направления тока / у .

Современные МУ выполняются, как правило, на двух одина­ ковых сердечниках тороидальной, П- или Ш-образной формы, на каждом из которых размещаются одинаковые рабочие обмотки, общее число которых должно быть четным. Для устранения на­ водки в обмотках управления переменной э.д.с. взаимоиндукции

50

под действием переменного потока рабочей обмотки последняя соединяется своими частями встречно-последовательно. При этом магнитный поток и индуктируемая э.д.с. рабочих обмоток будут в противофазе. Такое соединение рабочих обмоток дает возмож­ ность применить экономичную общую обмотку управления, охва­ тывающую оба сердечника.

Наиболее распространенная схема простого МУ приведена на рис. 24,6. Нагрузка на усилитель может быть включена на пере­ менном или постоянном токе, т. е. через выпрямитель. Простой МУ применяется обычно для линейного усиления входного сигна­ ла. В тепловозных схемах такие МУ используются в узлах ав­ томатического ограничения тока и напряжения генератора и регу­ лирования мощности энергетической установки. По спецификации тепловозных схем такие А^У называются трансформаторами по­ стоянного тока (ТПТ) и постоянного напряжения (ТПН).

Основные параметры простого МУ можно определить по его статической характеристике (см. рис. 24,в), на которой можно отметить две особые точки: точку пересечения ее с осью ординат, определяющую ток холостого хода Іо , и точку, лежащую непо­ средственно после перегиба и определяющую максимальный ток нагрузки / к = /н МаксОтношение этих величин /С =/к /Ао называют коэффициентом кратности, или просто кратностью тока нагрузки при изменении подмагничивающего поля от максимума до нуля.

Кратность тока нагрузки — это один из важнейших параметров МУ. Расчетную величину кратности тока в нагрузке выбирают не только из условия получения определенного значения тока холо­ стого хода, но и с учетом требований, предъявляемых к линей­ ности характеристики вход—выход МУ. Нелинейность характери­

В зависимости от перечисленных факторов кратность тока из­ меняется от 5 до 100 и более (для материалов с большой магнитной проницаемостью).

Ряд коэффициентов применяют для характеристики режимов

В простых МУ коэффициент усиления по мощности Кр дости­ гает нескольких десятков единиц.

Магнитный усилитель с обратной связью применяют для полу­ чения больших значении коэффициентов усиления по току и мощ­ ности. В автоматике под обратной связью понимается подача сиг­ нала с выхода звена на его вход. Применительно к МУ обратной связью является использование выходного спрямленного тока / Р рабочих обмоток для его подмагиичнвания. Если подмагничиванію выходным током усиливает подмагничивающее действие обмотки управления, то такую обратную связь принято называть положи­ тельной; если же действие выходного тока ослабляет действие об­ мотки управления, то такая обратная связь называется отрица­ тельной. Очевидно, что повышению коэффициента усиления спо­ собствует только положительная обратная связь, которая получила наибольшее применение в тепловозных магнитных аппаратах. Схемы МУ с обратной связью очень разнообразны. По техниче­ скому исполнению обратной связи различают МУ с внешней, внутренней и смешанной обратной связью.

Внешняя обратная связь выполняется при помощи отдельной

52

нике .магнитный поток будет складываться с магнитным потоком1 обмотки управления, усиливая подмагннчнвание сердечника. По­

выходной ток в рабочих обмотках вызывает дополнительное подмагничиванне сердечника, сопровождаемое еще большим возраста­ нием выходного сигнала.

Магнитные усилители с внутренней обратной связью, выполнен­

гуляторе напряжения вспомогательного генератора. В бесконтакт­ ном магнитном реле переходов и магнитном реле времени обрат­ ная связь выполнена смешанной: параллельно с внутренней об­ ратной связью подмагннчнвание сердечника осуществляется также и обмоткой внешней обратной связи ОС (рнс. 25,а). Принципи­ ально на всех схемах усилителен (см. рис. 25,0, б, в, г) показана одна обмотка управления, хотя практически выполняется не­ сколько таких обмоток, позволяющих суммировать несколько входных сигналов.

Магнитные усилители с внутренней обратной связью, выполнен­ ные по схеме (см. рис. 25,б), принято называть усилителями с самонасыщением. В спецификации тепловозных схем такие магнит­ ные усилители, применяемые в системе возбуждения и регулиро­ вания главного генератора отечественных тепловозов, называются амплистатами возбуждения генератора пли амплистатами подвозбуждення возбудителя. Степень влияния обратной связи оценива­ ется коэффициентом обратной связи Кос, который равен:

Из выражений Кос видно, что при внешней обратной связи изменением числа витков twoc можно изменять Кос в широких пределах 0<^ К ос> 1. При внутренней обратной связи 0<Кос <1, так как всегда 0</Св <1.

Влияние обратной связи можно оценить по характеристике МУ, которая представляет собой зависимость тока в рабочей цепи / Р. от результирующих ампер-витков обмоток управления ц обратной

53

связи ав. На рис. 26,а показаны: сплошной линией — характери­ стика МУ с обратной связью, пунктирной — МУ без обратной связи. Видно, что введение обратной связи вызывает уменьшение крутизны левой ветви и, наоборот, увеличение крутизны правой ветви, а значит, в рабочей зоне, коэффициент усиления МУ увели­ чивается.

Рис. 26. Статическая характеристика магнитного усилителя с обратной связью (а), релейная характеристика (б)

В амплистате системы возбуждения и регулирования генерато­ ра тепловозов 2ТЭ10Л и системах, ей подобных, компенсация дей­ ствия тока /0 обеспечивается размагничивающей обмоткой воз­ будителя.

В усилителях с обратной связью подмагничивающее поле соз­ дается в основном за счет обратной связи, в результате чего достигается значительное изменение коэффициентов усиления. Представление о количественном влиянии обратной связи на коэффициенты усиления можно получить по их значениям. В МУ

отрицательный наклон и петля, характерные для устройств релей­ ного действия. Магнитный усилитель с глубокой положительной

54

БіѴ\Р обладает всеми достоинствами магнитного усилителя и широко применяется в технике автоматизации различных объек­ тов. На тепловозах БМР используется в системе автоматического управления ступенями ослабления поля тяговых двигателей (реле переходов) и в системе автоматики гидропередачи. Принципиаль­ но БМР может быть выполнено как с внешней обратной связью (см. рис. 25,6), так и со смешанной (см. рис. 25,г).

Режим усилителя БМР обусловливается тем, что под действи­ ем обратной связи ток на выходе скачком изменяется между точ­ ками В и С релейной характеристики ABDC (рис. 26,6). Релейный режим усилителя характеризуется двумя значениями тока управ­

с одним размыкающим контактом. При введении отрицательного смещения / см (ав см ) можно сдвинуть петлю в правый квад­ рант, т. е. получить характеристику электромагнитного реле с од­ ним замыкающим контактом. В тепловозных схемах используются

является одним из основных недостатков МУ, определяющих при­ менимость их в аппаратах конкретного назначения.

Продолжительность переходного процесса МУ характеризуется инерционностью цепи управления, которая зависит от индуктивно­ сти и сопротивления цепи управления. В МУ, имеющих несколько, обмоток управления, продолжительность переходного процесса

55

-определяется суммой инерционностей, обусловленных цепью каж­ дой обмотки, и колеблется от нескольких сотых до десятых долей секунды. Существует много способов повышения быстродействия МУ. Возможно повышение быстродействия за счет увеличения ча­ стоты питания f или же варьирования параметрами обмоток усили­ теля.

Магнитные датчики и трансформаторы. .

Трансформаторы постоянного тока и постоянного напряжения предназначены для измерения соответственно тока и напряжения главного генератора и преобразования их в форму, удобную для последующего использования в системе возбуждения и регулиро­ вания генератора. Трансформаторы постоянного тока (ТПТ) и на­ пряжения (ТПН) представляют собой простые магнитные усили­ тели, выполняющие функции датчиков тока и напряжения. Точнее можно их назвать магнитными датчиками тока и напряжения. По принципу работы и характеристикам эти аппараты не отличаются от описанных выше простейших МУ.

На тепловозах применялись трансформаторы ТПТ и ТПН не­ скольких типов. Основные технические данные трансформаторов постоянного тока типа ТПТ-4Б и постоянного напряжения типа ТПН-ЗА, используемых на тепловозах 2ТЭ10Л и др., приведены в табл. 2.

Каждый из трансформаторов ТПТ и ТПН состоит из двух тороидальных сердечников, намотанных из ленты железоннкелиевого сплава. На каждом сердечнике размещены рабочие обмотки,

56

которые между собой соединены встречно. В ТПТ обмотка управ­ ления отсутствует, а ее роль выполняют один или несколько сило­ вых кабелей генератора, пропускаемых через центральное отвер­ стие сердечников. В ТПН обмотка управления общая, намотана на оба сердечника. Сердечники трансформаторов с обмотками и шпильками залиты компаундом на основе эпоксидной смолы. К шпилькам прикреплены угольники, при помощи которых трансфор­ маторы устанавливаются на тепловозе.

Статические характеристики трансформаторов ТПТ и ТПН должны удовлетворять требованию линейности в рабочей зоне. Из

приведенных на рис. 27 характеристик ТПН-ЗА и ТПТ-4Б видно, что они удовлетворяют этому требованию. Наряду с линейностью характеристики ТПТ и ТПН должны обладать высокой чувстви­ тельностью, которая определяется крутизной их характеристики.

Нагрузкой для трансформаторов ТПТ п ТПН являются балла­ стные резисторы соответственно СБТТ и СБТН и подключенная параллельно им через выпрямительные мосты В1 и В2 обмотка управления ОУ амплистата (рис. 28). Эти элементы образуют се­ лективный узел, формирующий сигналы по току и напряжению ге­ нератора, подаваемые в систему его регулирования.

Индуктивный датчик применяется в системе объединенного регулирования дизель-генераторной установки тепловозов 2ТЭ10Л и др. в качестве датчика нагрузки дизеля. Датчик типа ИД-10 (рис. 29,а) состоит из неподвижной части — катушки 1, намотанной на каркас 2 из прессматериала АГ-4, выводы кото­ рой выполнены в виде штепсельного разъема 3. Катушка помещена в магнитопровод 4, вместе с которым она залита эпоксидным компаундом. Внутри катушки перемещается якорь 5, изготовлен­ ный из электротехнической стали марки 3-10. Входным сигналом

57

индуктивного датчика является линейное перемещение штока сер­ вомотора регулятора скорости вала дизеля, выходным — ток в це­

пи регулировочной обмотки амплпстата, подключаемой к датчику через выпрямитель.

Схема включения индуктивного датчика приведена на рис. 29,6. При перемещении якоря, соединенного со штоком сервомотора ре­ гулятора дизеля, изменяется индуктивность катушки, а следова­ тельно, ее полное сопротивление переменному току. Характеристи­ ка индуктивного датчика ИД-10 приведена на рис. 29,в.

Бесконтактное тахометрическое устройство выполняется в виде блока БА-420. Назначение устройства — измерение частоты вра­ щения вала дизеля и формирование сигнала по скорости дизеля,

трансформатора Тр2, выпрямительного моста В и сглаживающе­ го фильтра, к которому относится индуктивность L, конденсатор С и резистор R. Детали блока размещены в металлическом корпусе. Насыщающийся трансформатор выполнен на тороидальном сер-

58

дечнике из пермоллоя, компенсирующий трансформатор — на тороидальном альсиферовом сердечнике. Обмотки трансформа­ торов залиты эпоксидным компаундом. Сглаживающий фильтрдроссель и два электролитических конденсатора смонтированы на изоляционной панели.

Принцип действия такого устройства основан на использовании свойства насыщенного трансформатора Трі изменять выходное напряжение и ток нагрузки по линейной зависимости от частоты питающего напряжения. Так как источник питания СПВ — син­ хронный подвозбудитель — имеет частоту, пропорциональную ча­ стоте вращения дизеля, то и ток нагрузки трансформатора Трі бу­ дет линейной функцией от частоты вращения вала дизеля.

мотка соединена последовательно с первичной обмоткой транс­ форматора Трі, а вторичная обмотка — встречно со вторичной обмоткой Трі и ее э.д.с. компенсирует часть э.д.с. вторичной об­ мотки Трі, обусловленную изменением намагничивающего тока при насыщении сердечника. Выходное напряжение трансформа­

дающей обмотке от частоты. Цифрами на графике указаны позиции контроллера машиниста. Колебание тока нагрузки синхронного подвозбудителя при частоте 150 гц вызывает изменение его напря­ жения от 125 до 95 в. При этом напряжение на нагрузке не должно изменяться более чем на 2% при начальном токе нагрузки 1 а и на 3,5% — при начальном токе нагрузки 1,7 а.

Длительными эксплуатационными испытаниями блока БА-420 на тепловозе 2ТЭ10Л установлена высокая его надежность. Бескон­ тактное тахометрическое устройство устанавливается и на других тепловозах (см. схему тепловоза ТЭ109 в гл. III).

Трансформаторы. В тепловозных схемах широко применяются трансформаторы различного назначения.

59