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

Магнитное реле перехода имеет две обмотки управления: то­ ковую ОТ и напряжения ОН. Токовая обмотка получает сигнал ог трансформатора постоянного тока ТТЛ, и ее ампер-витки пропор­ циональны току генератора. Обмотка напряжения ОН получает сигнал от трансформатора постоянного напряжения ТПН, и ее ам­ пер-витки пропорциональны напряжению генератора. Ампервитки обмоток ОТ и ОН действуют встречно, и при постоянном смещении результирующие ампер-витки обмоток подмагничивания равны их алгебраической сумме.

При трогании тепловоза с места результирующие ампер-витки обмоток ÖH и ОТ имеют максимальное отрицательное значение и выходной ток /н близок к минимальному значению, не достаточно­ му для срабатывания вентиля ВШ. По мере увеличения скорости движения и роста напряжения генератора ампер-витки ОН увели­ чиваются, а обмотки ОТ уменьшаются, в результате чего резуль­ тирующие ампер-витки имеют меньшее отрицательное значение и при определенных значениях тока /г и напряжения Uг , соответ­ ствующих точке, в которой внешняя характеристика генератора от­ ходит от гиперболы (см. рдс. 32, а), ток на выходе МРП скачком изменяется от / н мин до / н максПри токе 1и мзкссрабатывает электро­ пневматический вентиль и переключается групповой контактор. После срабатывания группового контактора его блок-контакты раз­ мыкают блокировку ВШ на резисторе СС и в цепь обмотки смеще­ ния вводится дополнительное сопротивление. Назначение этого со­ противления то же, что и в схеме с электромагнитным реле пере­ хода. При этом достигается возможность раздельной настройки срабатывания и отпадания реле.

Магнитное реле перехода выполняется на серийных тороидаль­ ных магнитных усилителях типа ТУМ Б4-12, которые имеют при последовательном соединении рабочих обмоток следующие пара­ метры: рабочее напряжение — 127 б, выходной ток — 0,3 а, сопро­ тивление нагрузки — 275 ом, вес — 3,1 кг. Выпрямительный мост В собирается на диодах Д7Г. Конденсаторы С1 и С2, предназна­ ченные для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, имеют емкость по 2000 мкф. Длительная эксплуатация МРП на тепловозах ТЭ10 и ТГП50 подтвердила их высокую надежность и приемлемую точность работы.

Однако МРП обладает следующими недостатками: не обеспе­ чивает полное размыкание цепи катушки вентиля ВШ, так как в включенном состоянии МРП выходная цепь его имеет ток холо­ стого хода. При настройке МРП добиваются, чтобы ток холо­ стого хода был меньше тока срабатывания вентиля ВШ. Кроме того, МРП имеет значительное запаздывание при срабатывании и отпадании, которое зависит от инерционности цепи обмоток управ­ ления. Из-за этих недостатков МРП не получило широкого приме­ нения в схемах тепловозов.

Магнитные реле времени (МРВ) обеспечивают выдержку време­ ни от момента подачи сигнала на входе до момента срабатывания реле. Известно, что одним из существенных недостатков магнпт-

70

пряжения на выходе магнитного реле. В качестве дифференциру­ ющего элемента может быть использована емкость или трансфор­ матор.

3. Использованием короткозамкнутых контуров, переходные процессы в которых обусловливают основную временную задерж­ ку реле.

Наиболее простое и надежное МРВ с короткозамкнутыми об­ мотками, установленное на тепловозе ТГП50 в системе автоматики гидропередачи [3]. Это реле (рис. 36) выполнено на базе серийного магнитного усилителя типа ТУМ. Включение МРВ осуществляется контактами промежуточных реле системы автоматики гидропере­ дачи.

Известно, что временные характеристики МРВ зависят от вели­ чины коэффициента обратной связи, токов управления и смеще­ ния и схемы включения обмоток переменного тока. Для настройки МРВ на различные выдержки времени в цепь обмотки управления введен переменный резистор Яср . С уменьшением тока управления время срабатывания МРВ увеличивается. Несколько цепей, управляемых с заданной выдержкой времени, коммутиру­ ются контактами исполнительного реле управления РУ, катушка которого является нагрузкой на магнитный усилитель МРВ.

Магнитные реле времени с короткозамкнутой обмоткой имеют относительно низкий предел выдержки времени (10—20 сек) и осо­ бенно низкая ее стабильность (±15%).

71

Г л а в а III

МАГНИТНО-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ АППАРАТЫ

Принципы построения магнитно-полупроводниковых аппаратов

Совместное использование магнитных усилителей и полупро­ водниковых приборов позволяет создать не только комбинирован­ ные усилители, в которых легко различаются магнитная и полу­ проводниковая части, но и получить качественно новые магнитно­ полупроводниковые усилители (МПУ), неотъемлемыми элементами которых становятся полупроводники. При построении МПУ могут быть использованы различные принципы. В основу большинства МПУ, различных по назначению и схемным решениям, положены принципы импульсного регулирования.

В тепловозных магнитно-полупроводниковых аппаратах и си­ стемах, в которых основным звеном является МПУ, получили пре­ имущественное применение два основных импульсных способа ре­ гулирования тока нагрузки: широтно-импульсный и импульсно­ фазовый.

Широтно-импульсный способ применяется для управления си­ ловыми транзисторами и тиристорами, питаемыми постоянным то­ ком, на выходе которых ток нагрузки зависит от длительности на­ хождения их во включенном состоянии. Сигнал управления тран­ зисторами и тиристорами формируется в модуляторе, в качестве которого используется магнитный усилитель с внутренней обратной связью, выполненный на сердечниках из сплавов с прямоугольной петлей гистерезиса. При питании от источника переменного тока с напряжением прямоугольной формы МУ имеет на выходе ток в форме прямоугольных импульсов, ширина которых изменяется пропорционально управляющему сигналу. Внешняя характеристи­ ка МУ и соответствующая отдельным участкам характеристики форма выходного сигнала приведены на рис. 37. Для МУ с однополупериодной схемой выпрямления один период питающего на­ пряжения

73

коном регулирования. Сочетание полупроводникового и магнит­ ного усилителей дает возможность получить схему, обладающую высоким быстродействием и большим коэффициентом усиления.

Для управления силовыми тиристорами, применяемыми в ре­ гуляторах, требуется система, которая независимо от типа и схем­ ного решения должна обеспечить реализацию общих требований: а) достаточный диапазон изменения угла включения тиристоровпри минимальных значениях напряжения и мощности входного сиг­ нала; б) малую инерционность системы; в) надежность работы ти­ ристоров с точки зрения коммутационных перенапряжений и лож­ ных срабатываний.

При питании тиристоров от источника переменного тока полу­ чили наибольшее распространение системы управления, построен­ ные на использовании принципа импульсно-фазового управления, углом включения тиристоров. В этих системах угол включения ти­ ристоров регулируется путем изменения момента подачи импуль­ сов, подводимых к управляющему электроду тиристора с частотой питающего напряжения. Управляющий импульс должен иметь кру­ той передний фронт, исключающий влияние на точность и четкость включения тиристора разброса параметров управляющей цепи.

Система импульсно-фазового управления тиристорами (см. блок-схему на рис. 9) состоит из двух основных элементов: фазо­ сдвигающего устройства (ФУ), обеспечивающего изменение мо­ мента подачи управляющего импульса, и генератора импульсов (ГИ), формирующего импульсы управления, необходимые для на­ дежного включения тиристоров. В гл. I приведены примеры вы­ полнения этих элементов на полупроводниковых приборах. В кон­ кретных тепловозных тиристорных системах и аппаратах, рассмат­ риваемых в последующих параграфах, используется импульсно­ фазовая система управления, построенная на магнитно-полупровод­

74

никовых блоках. Отметим важнейшие особенности исполнения к показатели работы основных магнитно-полупроводниковых блоков импульсно-фазовой системы управления тиристорами.

Г е н е р а т о р и м п у л ь с о в . Этот генератор обеспечивает использование тиристоров с учетом их физических свойств и назна­ чения в схемах. Генератор должен вырабатывать управляющий импульс, параметры (ток и напряжение) которого должны быть в диапазоне рабочих значений, задаваемых для каждого тиристора диаграммой управления. Длительность импульса должна быть больше периода времени, в течение которого анодный ток не воз­ растет до величины тока удержания. Длительность импульса зави­ сит от вида нагрузки: при активной нагрузке она должна состав­ лять 29—30 мксек, при индуктивной — ее необходимо увеличивать либо вводить в схему дополнительные корректирующие цепи. Кро­ ме этих показателей, управляющий импульс должен обладать большой крутизной переднего фронта, что особенно важно для одновременного и четкого включения нескольких соединенных ти­ ристоров. Рекомендуется крутизна переднего фронта не менее ІО5— ІО6 а/сек, или при токе управляющего сигнала 0,5 а длительность должна быть не более 0,5—5 мксек.

Техническое исполнение и схемные решения генераторов импуль­ сов очень многочисленны и разнообразны. Генераторы импульсов выполняются в виде триггеров, мультивибраторов, одновираторов

иблокииг-генераторов.

Бл о к и н г-ге н е р а т о р. В тепловозных бесконтактных си­ стемах и аппаратах применяются блокинг-генераторы, имеющие

трансформаторную связь с нагрузкой. Они могут быть выполнены на базе транзисторов или маломощных тиристоров. В тепловозных системах блокинг-генераторы работают в ждущем режиме, т. е. выдают на выходе импульс только при подаче на его вход управ­ ляющего сигнала или импульса.

На рис. 38,а приведена схема блокинг-генератора, получающего постоянное напряжение питания и формирующего мощные импуль­ сы весьма малой длительности (десятые доли мксек) и с очень кру­ тым фронтом (сотые доли мксек). В схему его входят: импульсный

транзистора Т. До его подачи под действием напряжения смеще­

первичную обмотку W\. Индуктируемая при этом в обмотке обрат­ ной связи ш3 э.д.с. отрицательной полярности ускоряет процесс от­ пирания транзистора, вследствие чего происходит резкое нараста­ ние э.д.с. на вторичной обмотке ш2, а значит, и крутой передний фронт формируемого выходного импульса. При полном открытии транзистора ток в обмотке W\ не изменяется, формируется верши­ на импульса, а затем ток в обмотке wx убывает, вызывая в обмот­ ке со3 э.д.с. положительной полярности, способствующей форсиро­

75

ванному запиранию транзистора совместно с напряжением конден­ сатора С.

Длительность получаемого прямоугольного импульса і а и паузы t„ (рис. 38, в) зависит от индуктивности обмотки обратной

связи, емкости конденсатора С и величины сопротивления резисто­ ра R.

Ф о р м и р о в а т е л ь и м п у л ь с о в (рис. 38, б) выполняется на маломощных тиристорах. Конденсатор С заряжается в один из полупериодов до амплитудного значения напряжения питания

Рис. 38. Схемы: блокинг-генератора (а), тиристорного генератора импуль­

сов (б), графики изменения управляющего сигнала и выходного импульса

(е и г)

~ и п . Заряд его удерживается диодом Д1 и запертым тиристором УД. В следующий полупериод питающего напряжения сигналом от фазосдвигающего устройства Uy тиристор УД включается, конденсатор С разряжается через первичную обмотку импульсного трансформатора ИТ. При этом на вторичной обмотке ИТ появля­ ется импульс управления остроконечной формы ІІВЫХ (рис. 38,г).

Ф а з о с д в и г а ю щ е е у с т р о й с т в о в большинстве практи­ ческих схем обеспечивает формирование требуемого закона регу­ лирования посредством необходимого суммирования входных сиг­ налов и выдержки заданных диапазона и точности регулиро­ вания.

76

Для решения такой задачи в тепловозных системах и аппаратах наиболее пригодно ФУ, выполненное на магнитном усилителе. В этом случае диапазон регулирования фазы управляющих им­ пульсов, определяемый необходимыми пределами изменения на­ грузки, будет равен:

Д = 180" — (ч + 8 + Ла) — 2е ,

е— минимальный угол, при котором напряжение на выхо­ де'МУ будет достаточным для надежного включения

тиристора.

При питании МУ синусоидальным напряжением максимальный

инерционным звеном являются ФУ на магнитном усилителе, то в них применяют быстродействующие МУ, представляющие собой МУ с внутренней обратной связью, у которых время запаздывания не превышает 0,5—1,0 периода питающего напряжения.

В фазосдвигающих устройствах с МУ используется принцип изменения момента возникновения переднего фронта напряжения на выходе МУ в зависимости от суммарных ампер-витков обмо­

магнитного состояния сердечника, а значит, и момент появления управляющего импульса на выходе.

В итоге применение магнигно-полупроводниковых систем им­ пульсного управления силовыми транзисторами и тиристорами да­ ет возможность значительно расширить диапазон функционально­ го назначения тепловозных бесконтактных аппаратов от аппаратов управления до регуляторов возбуждения генераторов и тяговых двигателей.

Магнитно-полупроводниковые регуляторы

Магнитно-полупроводниковые регуляторы (МПР), построен­ ные на использовании принципов импульсного регулирования, можно разделить по функциональному назначению на МПР воз­ буждения главного генератора и МПР напряжения вспомогатель­ ного генератора.

МПР возбуждения главного генератора тепловозов. М П Р в о з ­ б у ж д е н и я с и н х р о н н о г о г е н е р а т о р а т е п л о в о з а ТЭ109 представляет собой систему, состоящую из исполнительного и управляющего органов. На упрощенной принципиальной схеме

77

МПР (рис. 39) эти органы изображены с некоторыми несуществен­ ными сокращениями, позволяющими более четко представить, взаи­ модействие отдельных звеньев.

В исполнительный орган входят возбудитель СВ в виде одно­ фазного генератора переменного тока и управляемый выпрямитель возбуждения УВВ (см. гл. I). Управляющий орган МПР воз­ буждения состоит из блока управления выпрямителем БУВ и се­ лективного узла СУ, в который поступают сигналы от датчиков: по току нагрузки генератора — от трансформаторов 77777 и ТПТ2; по напряжению генератора — от трансформатора ТПН; по нагруз­ ке дизеля — от индуктивного датчика ИД и сигнал уставки — от

чен для генерирования импульсов, отпирающих тиристоры УВВ, и регулирования моментов их подачи. Блок управления имеет четыре входные цепи и две выходные. Входными являются:

цепь питания переменного тока, включаемая через балластный резистор R бв и распределительный трансформатор Тр на воз­ будитель;

цепь питания постоянного тока, включенная через стабилитро­ ны Ст5 и Стб и резистор R ед на напряжение вспомогательного генератора; стабилизированное напряжение, равное 13,5 в, подает­ ся на питание транзисторов БУВ;

цепь управляющего сигнала, соединяемая с выходом селектив­ ного узла;

/цепь стабилизации, питаемая с выхода узла стабилизации.

По двум выходным цепям управляющие импульсы подаются на

тиристоры УВВ. Блок управления состоит из следующих функцио­ нальных узлов: синхронизатора С, статического преобразователя напряжения СП, магнитного усилителя МУ (модулятора) и двух одинаковых блокинг-генераторов БГ1 и БГ2.

Синхронизатор предназначен для коммутации транзисторов преобразователя напряжения СП синхронно с частотой питающе­ го напряжения. Цепь синхронизатора, включенная на выход трансформатора Тр, состоит из стабилитронов Сті и Ст2, диодов Д1 и Д2 и резисторов R1 и Rбв (последнее вынесено из БУВ).

Статический преобразователь напряжения служит для преоб­ разования постоянного напряжения в переменное прямоугольной формы Un , синхронное по частоте с питающим напряжением воз­

и выходные (Ws, Ws) обмотки. Как видно из схемы, преобразова­ тель напряжения представляет собой блокинг-генератор.

Магнитный усилитель выполняет функции фазосдвигающего устройства, назначение и принцип работы которого описаны в начале этой главы. Передний фронт выходного напряжения UKy (рис. 40,б), определяющий момент подачи управляющего импуль­ са, может сдвигаться по фазе на угол а в зависимости от управ­

79