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

Магнитны е регул яторы

Втепловозных замкнутых системах регулирования магнитные регуляторы осуществляют заданную программу регулирования и необходимое усиление регулирующего воздействия. Основной элемент этих регуляторов — магнитный усилитель. В зависимости от круга выполняемых функций и назначения магнитные регуля­ торы, применяемые в тепловозных'схемах, могут быть разделены на две группы: магнитные регуляторы возбуждения главного генера­ тора и магнитные регуляторы напряжения вспомогательного гене­ ратора. Здесь рассматриваются только такие регуляторы, кото­

рые организуют регулирующее воздействие необходимой формы и уровня энергии посредством магнитных усилителей. Применяемые же в них полупроводниковые приборы выполняют вспомогатель­ ные функции: выпрямления переменного тока в постоянный, раз­ деления электрических цепей и т. п.

. Магнитные регуляторы возбуждения главного генератора. Эти регуляторы составляют основу системы объединенного регулиро­ вания дизель-генераторной установки. Получая сигналы от датчи­ ков о состоянии и режимах работы дизеля вместе с сигналами о состоянии генератора, такая система обеспечивает полное исполь­ зование мощности дизеля, а также ограничение напряжения и тока главного генератора. В такой системе функции магнитного регу­ лятора выполняет магнитный усилитель с внутренней обратной связью, называемый амплистатом.

Основным требованием, предъявляемым к амплистату возбуж­ дения и регулирования тепловозного генератора, является форми­ рование программы регулирования, обусловленной внешней ха­ рактеристикой генератора, и выполнение ее с необходимым коэф­ фициентом усиления, точностью и быстродействием. Амплистаты выпускают с несколькими управляющими обмотками, которые по­ зволяют вводить в усилитель различные входные сигналы управ­ ления и выполнять их алгебраическое суммирование в зависимо­ сти от условий работы усилителя в системе.

М а г н и т н ы й р е г у л я т о р (а м п л и с т а т) в о з б у ж д е ­ ния г л а з н о г о г е н е р а т о р а т е п л о в о з о в 2 Т Э 1 0 Л и др. В тепловозах ТЭ10 и ТЭП60 первых выпусков применяются трехфазные амплистаты типа АВ-4 для возбуждения генератора, а в 2ТЭ ЮЛ и ряде новых тепловозов с каскадной системой регули­ рования генератора используется однофазный амплнстат АВ-3 для возбуждения возбудителя. Введение промежуточной ступени уси­ ления позволяет уменьшить мощность элементов магнитного ре­ гулятора. Принцип регулирования от этого не изменяется.

Конструктивно амплнстат АВ-3 для тепловозов 2ТЭ10Л выпол­ нен на двух П-образных сердечниках, шихтованных из листов хо­ лоднокатаной электротехнической стали Э310 или Э320 толщиной 0,35 мм. На каждый сердечник наложена (рис. 31) рабочая обмот­ ка, а оба сердечника охвачены четырьмя общими обмотками под-

61

главного генератора можно пояснить на схеме однофазного амплистата возбуждения генератора тепловоза 2ТЭ10Л (см. рис. 31). В амплистат вводятся сигналы: задающей обмоткой 03 — поло­ жительный сигнал «уставки» по частоте вращения вала дизеля (от тахогенератора ТГ) ; регулировочной обмоткой ,ОР — поло­ жительный сигнал по нагрузке дизеля (от индуктивного датчика ИД); обмоткой управления ОУ — отрицательный сигнал по току и

62

* В числителе — голого, в знаменателе — изолированного.

зирующец обмоткой ОС — отрицательный сигнал по скорости из­ менения напряжения возбудителя (от стабилизирующего транс­ форматора).

Внешняя характеристика генератора (рис. 32,а) обеспечивается действием трех обмоток: задающей 03, регулировочной ОР и уп­

амплистата определяются алгебраической суммой ампер-витков зсех обмоток. Три основные обмотки амплистата настраиваются гак, чтобы при всех рабочих режимах системы суммарные ам-

Рис. 32. Внешняя характеристика главного генератора и характеристики срабатывания БРП (а), статическая характеристика амплистата (б).

63

пер-витки ав„ гобеспечивали работу амплистата в пределах линей­ ного участка ГБ его характеристики (рис.: 32,6).

При неподвижном тепловозе амплистат насыщен ампер-витка­

тут ток ТПТ и ток в управляющей обмотке, а значит, и ампервитки ав у , создаваемые ею. Результирующие ампер-витки авп\ уменьшаются, и рабочая точка на характеристике усилителя пере­

некоторую величину — аеп ампер-витки «уставки» авуа. При этом работа будет в точке Г. Ток выхода амплистата становится доста­ точно малым, и ток генератора ограничивается.

При дальнейшем разгоне растет противо- э.д.с. тяговых дви­ гателей, и ток генератора стремится снизиться. Это вызовет неко­ торое уменьшение ампер-витков управляющей обмотки аву Рабочая точка на характеристике амплистата переместится вверх, что приведет к увеличению возбуждения возбудителя и ге­ нератора, напряжение которого поднимется и скомпенсирует противо-э.д.с. тяговых двигателей. Благодаря высокой чувстви­ тельности амплистата при работе на крутой части его характери­ стики изменение тока генератора будет незначительно. Можно считать, что ток генератора поддерживается до некоторой скоро­ сти постоянным. Этому режиму работы соответствует участок ВГ

на внешней характеристике генератора (см. рис. 32,а).

В процессе разгона тепловоза магнитный регулятор автома­ тически увеличивает напряжение генератора, компенсируя воз­ растающую противо-э.д.с. тяговых двигателей. Это объясняется увеличением выходного тока трансформатора постоянного напря­ жения ТПН, а вместе с ним и падения напряжения на резисторе СБТИ (см. рис. 28). В точке В внешней характеристики генера­ тора оно становится равным падению напряжения на обмотке ОУ

IIрезисторе СОУ. С этого момента открывается выпрямитель В1,

ив управляющую обмотку усилителя одновременно с током от ТПТ поступает также и ток от трансформатора ТПН.

По мере увеличения скорости тепловоза и увеличения напряже­

ния генератора магнитный регулятор будет поддерживать мень­ ший ток генератора. Внешняя характеристика генератора изобра­ зится наклонной прямой БВ. При работе на этом участке ограни­ чивается мощность генератора. Одновременно перераспределяются составляющие токи управляющей обмотки амплистата возбуж­ дения, увеличивается часть, поступающая от ТПН, и уменьшает­ ся — от ТПТ, а сумма этих токов в управляющей обмотке оста­ ется примерно постоянной.

В точке Б внешней характеристики генератора составляющая тока обмотки, поступающая от ТПТ, становится равной нулю. Выпрямитель В2 закрывается, и питание управляющей обмотки происходит только от ТПН. В этот момент рабочая точка на ха­ рактеристике усилителя займет наивысшее положение Б. При даль­

64

нейшем уменьшении тока генератора напряжение его стремится возрасти. Несколько увеличивается и ток управляющей обмотки., Рабочая точка усилителя смещается вниз по характеристике, и ток возбуждения генератора уменьшается. Практически на участке АБ напряжение генератора поддерживается постоянным. Следует от­ метить, что величины ограничиваемой мощности, напряжения и тока будут пропорциональны положительным ампер-виткам «уставки» ав уст.

Выше рассмотрены режимы работы магнитного регулятора, когда доля ампер-витков регулировочной обмотки в общих поло­ жительных ампер-витках «уставки» аеуст сохранялась неизмен­ ной и максимальной. Практически же индуктивный датчик выдает в регулировочную обмотку максимальный ток только при работе генератора на участках ограничения тока или напряжения своей характеристики, когда нагрузка на дизель меньше номинальной. При переходе на участок БВ характеристики (см. рис. 32,а) ди­ зель испытывает перегрузку, так как этому участку соответству­ ет мощность генератора, превышающая свободную мощность ди­ зеля.

Перегрузка дизеля устраняется при помощи объединенного ре­ гулятора, воздействующего на индуктивный датчик. При этом ток в регулировочной обмотке уменьшается, а значит, и положительные

и перемещение рабочей точки амплистата вниз от положения А. Уменьшившейся мощности генератора будет соответствовать ги­ перболический участок Б'В' внешней характеристики.

Впроцессе работы тепловоза равенство мощностей генератора

идизеля непрерывно нарушается из-за изменения режима вспомо­ гательных нагрузок дизеля, изменения температуры обмоток элект­

рических машин, скорости движения и т. п. Объединенный регуля­ тор дизеля, изменяя ток в регулировочной обмотке магнитного регулятора возбуждения генератора, восстанавливает это равно­ весие.

Длительной эксплуатацией магнитного регулятора возбуждения главного генератора на ряде серий тепловозов подтверждена на­ дежность его работы и приемлемые для практики показатели ре­ гулирования. Важно отметить также и то, что первое применение на тепловозах ТЭ10 и ТЭП60 магнитных регуляторов возбудителя, построенных на рассмотренных выше принципах, послужило ос­ новой для более широкого использования магнитных усилителей в схемах тепловозов.

Магнитный регулятор возбуждения главного генератора тепло­ воза ТЭЗ. Примененный на тепловозах ТЭЗ электромашинный ре­ гулятор возбуждения главного генератора не обеспечивает полного использования мощности дизеля на всех режимах его работы при колебаниях внешней нагрузки. На устранение этого недостатка были направлены многочисленные научные исследования, резуль­ татом которых явилась разработка ряда схем устройств, называе-

мых регуляторами мощности, которые были установлены или про­ ходили опытную эксплуатацию на партиях тепловозов ТЭЗ. Среди этих устройств были такие, которые по принципу действия и техни­ ческому исполнению не соответствуют задачам этой книги (вибра­ ционные регуляторы мощности ЦНИИ МПС). Другие, выполнен­ ные на полупроводниковых приборах, или комбинации полупровод­ никовых и магнитных элементов нашли освещение в гл. I и III.

Рнс. 33. Схема магнитного регулятора возбуждения генератора тепловоза ТЭЗ системы БИИЖТа

Магнитный регулятор возбуждения, разработанный в БИИЖТе, обеспечивает полное использование мощности энергетической уста­ новки на 16-й позиции контроллера, а на частичных нагрузках — работу дизеля по экономической характеристике. Кроме того, схема этого регулятора ограничивает ток и напряжение главного генера­ тора. Магнитный регулятор БИИЖТа (рис. 33) состоит из следую­ щих основных узлов: магнитного усилителя МУ, индуктивного датчика перемещения штока сервомотора регулятора дизеля ИД и задающего устройства ЗУ.

В схеме используется серийно выпускаемый магнитный усили­ тель типа ТУМ-АК, который включается с внутренней и внешней обратными связями. Индуктивный датчик ИД соленоидного типа с дифференциальным соединением обмоток устанавливается на стакане силовой пружины регулятора дизеля.

66

Задающее устройство предназначено для программного изме­ нения задания в зависимости от позиций контроллера машиниста И состоит из резисторов R8—R16 и стабилитрона Сті.

Резисторы RIO—R13, присоединенные к пальцам контроллера машиниста, по своей величине относятся друг к другу как 8:4:2:1. Суммарный ток проходит по резисторам R15 и R16. Задающее на­ пряжение снимается с R15. При указанном соотношении сопротив­ лений обеспечивается требуемое значение напряжения задания на 2—5-й позициях контроллера машиниста. Для 6—15-й позиций ха­ рактеристика задания формируется при помощи стабилитрона Сті и резистора R14\ последнее определяет крутизну наклона харак­ теристики. Задающее напряжение на 16-й позиции контроллера устанавливается резистором R8. Резистор R9 с диодами Д2 и ДЗ обеспечивает четкое включение и работу стабилитрона Сті, начи­ ная с 5-й позиции. Диоды Д4—Д7 устраняют влияние на характе­ ристику задания обратных потоков.

Магнитный усилитель, индуктивный датчик и трансформатор ТТЛ питаются переменным напряжением прямоугольной формы частотой 400 гц от инвертора, построенного на тиристорах (на схе­ ме не показан). Обмотка управления ОУ включена на разность напряжений задающего устройства ЗУ и датчика ИД. Ток в цепи этой обмотки протекает только в том случае, если напряжение на выходе датчика больше задающего напряжения. При этом усили­ тель уменьшает возбуждение возбудителя.

Магнитный регулятор работает, начиная со 2-й позиции при включении реле РУ1. При этом выход МУ соединяется с цепью независимой Н и регулировочной Р обмоток возбудителя, в которых резисторами СП и СВВ доля тока, поступающего от вспомогатель­ ного генератора, ограничивается величиной около 1 а.

На каждой позиции контроллера при нарушении энергетическо­ го равновесия дизеля и генератора, например при перегрузке ди­ зеля, регулятор дизеля одновременно с увеличением подачи топли­ ва в цилиндры воздействует на индуктивный датчик ИД, переме­ щая его якорь вверх от среднего положения. Напряжение на вы­ ходе датчика и ток в обмотке управления ОУ повышаются. Вы­ ходной ток усилителя при этом уменьшается, что в конечном итоге приводит к снижению мощности генератора. Нарушенное энерге­ тическое равновесие восстанавливается, причем шток сервомотора возвращается в прежнее положение, но с некоторой статической ошибкой, которая зависит от величины коэффициента усиления МУ и может быть сделана достаточно малой. Угловая скорость вала дизеля также принимает значение, соответствующее данной по­ зиции контроллера машиниста. При изменении позиций контрол­ лера также изменяется по программе напряжение задания, в соот­ ветствии с которым устанавливается , и регулируемая величина положения реек топливных насосов.

Магнитный регулятор обеспечивает также ограничение пуско­ вого тока и напряжения главного генератора. Ток генератора изме­ ряется трансформатором ТПТ, выходной ток которого после вы­

прямления проходит по резистору R7. Напряжение, снимаемое с этого резистора, сравнивается с напряжением задания на резисто­ ре R5. При увеличении тока генератора растет напряжение на по­ тенциометре R7, и, когда оно становится больше задающего напря­ жения, начинает поступать ток в обмотку управления ОУ. Это при­ водит к уменьшению возбуждения возбудителя, а значит, и к снижению напряжения главного генератора при сохранении неиз­ менным его тока нагрузки.

В описываемой схеме регулятора ограничивается лишь макси­ мальное значение тока нагрузки, поскольку задающее напряжение постоянно. Но если последнее будет варьировать по определенному закону при изменении позиций контроллера, то по такому же за­ кону будет изменяться и уровень ограничиваемого тока генератора.

Напряжение ограничивается аналогичным образом. В целях упрощения схемы поддерживается постоянным напряжение воз­ будителя, сигнал о котором снимается с резистора СВВ (Ш), включенного в цепь шунтовой обмотки возбудителя.

Магнитный усилитель в принятой схеме имеет высокий коэффи­ циент усиления, при котором в системе регулирования возникают автоколебания с большой амплитудой и малой частотой. Для обес­ печения устойчивости регулятора введена гибкая отрицательная обратная связь, осуществляемая стабилизирующей обмоткой ОСТ и R—С-цепочкой.

Лабораторные и эксплуатационные испытания магнитного ре­ гулятора БИИЖТа показали, что регулятор обеспечивает полное использование мощности дизеля при высокой статической точности регулирования.

Магнитные регуляторы напряжения вспомогательного генера­ тора. Магнитные регуляторы напряжения (МРН) предназначены для поддержания напряжения вспомогательного генератора на заданном уровне (75 или 110 е) с минимальным отклонением. Они формируют регулирующее воздействие в виде напряжения, под­ водимого к обмотке возбуждения вспомогательного генератора. Ос­ новным элементом МРН, выполняющим эту функцию, является магнитный усилитель. Такие регуляторы применены на газотурбовозе и тепловозах ТГП50 и ТГ106 [3].

В схеме МРН (рис. 34) тепловоза ТГ106 измерительный орган выполнен на кремниевых стабилитронах Ст. Магнитный усилитель, включенный по схеме с внешней и внутренней обратной связью, имеет четыре обмотки подмагничивания. Обмотка ОУЗ включается при неработающем дизеле. Она создает положительные ампервитки подмагничивания, вследствие чего полное сопротивление ра­ бочих обмоток понижается до минимума и генератор возбуждается от остаточного переменного напряжения на кольцах С— СС стар­ тер-генератора. При пуске.дизеля самовозбуждение генератора облегчается тем, что главные его полюсы предварительно намаг­ ничиваются пусковым током.

При напряжении генератора, превышающем напряжение акку­ муляторной батареи, обмотка ОУЗ отключается вентилем Д2. Если

68

напряжение генератора пре­ высит ПО б, пробиваются ста­ билитроны Ст и в обмотке ОУ1 протекает ток. Последняя совместно с обмоткой ОУ2, создает отрицательные ампервитки, ослабляющие действие обратных связей. В результате уменьшается выходной ток усилителя (возбуждение гене­ ратора падает), ограничивая дальнейший рост напряжения генератора.

При уменьшении напряже­ ния генератора обмотки взаи­ модействуют в обратном по­ рядке.

Обмоткой обратной связи ОС устанавливается коэффициент усиления таким, чтобы МНР работал в статическом режиме линей­ ного усилителя.

Магнитные аппараты управления

К магнитным аппаратам управления относятся магнитные реле перехода (МРП) и магнитные реле времени (МРВ).

Магнитное реле перехода впервые разработано ЦНИИ МПС для тепловозов ТЭ10 и ТЭП60 [8], а затем Коломенским тепловозострои­ тельным заводом для тепловоза ТГП50 в системе автоматики уп­ равления гидропередачи. Входным параметром МРП являются ре­ зультирующие ампер-витки, создаваемые обмотками подмагничи-* ваиия, а выходным — ток нагрузки, скачкообразное изменение которого равносильно замыканию или размыканию контактов реле. Характеристика МРП имеет типичную форму нелинейности с пет­ лей гистерезиса и зонами насыщения (см. рис. 26,6).

В магнитных реле перехода (вариант ЦНИИ МПС-БРП2) ра­

69