5. Системы регулирования напряжения тяговых генераторов в электрических передачах локомотивов

Задачами управления электрической передачей являются регулирование напряжения тягового генератора и скорости вращения валов тяговых электродвигателей. Регулирование напряжения тягового генератора сводится к тому, чтобы мощность, отбираемая генератором от дизеля в возможно большем диапазоне изменения скорости тепловоза V_т была равна

Р_г = (N_д - N_всп)_г = const (5.1.)

где N_всп - мощность, расходуемая на вспомогательные нужды.

Так как величина Р_г определяется величиной напряжения и тока тягового генератора и должна поддерживаться постоянной, то при изменении V напряжение тягового генератора U_г должно изменяться обратно пропорционально току нагрузки тяговых двигателей I_д (или току нагрузки тягового генератора I_г). Поэтому сигнал по току I_г, пропорциональный I_д, используется как основной сигнал в системе управления электрической передачей. Кроме этого, в системе управления используются сигналы по скорости вращения вала дизеля и положению органа топливоподачи (пропорционального N_д) и сигнал по напряжению тягового генератора U_г. Система регулирования напряжения U_г должна обеспечить работу тягового генератора в соответствии с видом тяговой характеристики тепловоза.

Ни один из тепловозных тяговых генераторов не имеет гиперболической внешней характеристики. Требуемый вид внешней характеристики тяговых генераторов обеспечивают системы регулирования напряжения возбуждения. На тепловозах применяются три основных варианта системы регулирования напряжения возбуждения тяговых генераторов: электромашинный (тахометрический), аппаратный и тиристорный. При электромашинном способе требуемые характеристики обеспечиваются за счет применения специальной конструкции магнитной системы и схемы возбуждения возбудителя тягового генератора. Возбудитель может быть выполнен с поперечно-расщепленными полюсами (тепловозы ТЭ3, ТЭ7, ЧМЭ3) и продольно-расщепленными полюсами (тепловозы ТЭ1, ТЭ2, ТЭМ1, ТЭМ2). При аппаратном способе требуемые характеристики системы возбуждения обеспечиваются путем подбора параметров и схем включения различных аппаратов, при этом электрические машины системы возбуждения имеют обычное исполнение (тепловозы серии ТЭ10, М62, ТЭП60). При тиристорном способе в системе регулирования возбуждения тягового генератора используют тиристорные регуляторы напряжения (тепловозы 2ТЭ116, ТЭП70, 2ТЭ121, ТЭМ7 и др.).

5.1. Электромашинный способ регулирования напряжения возбуждения тягового генератора

5.1.1. Система возбуждения тягового генератора с использованием возбудителя с поперечно-расщепленными полюсами

Магнитная система возбудителя В состоит из 6-ти полюсов: ненасыщенных 1 - 4 и насыщаемых 5 и 6 (см. рис. 4.1). Якорь возбудителя имеет волновую обмотку, поэтому ЭДС, наводимые в обмотке якоря каждой группой полюсов, складываются между собой. ЭДС, создаваемая независимой обмоткой Н возбудителя - Е₁ не зависит от тока тягового генератора I_г. Ток в дифференциальной обмотке Д возбудителя пропорционален I_г. Намагничивающие силы (н.с.) обмоток параллельной П и дифференциальной Д обмоток направлены навстречу друг другу. В результате кривая зависимости ЭДС Е₂ (см. рис. 4.2.), создаваемой ненасыщенными полюсами, от тока I_г имеет четыре участка:

1 - 2 ток тягового генератора I_г, а значит и н.с. обмотки Д невелики, сердечник полюса насыщен под действием н.с. обмотки П и Е₂ мало зависит от I_г ;

2 - 3 сердечник полюса не насыщен и Е₂ обратно пропорциональна I_г, при этом н.с. обмотки П больше н.с. обмотки Д F_п > F_д ;

3 - 4 сердечник полюса ненасыщен, но F_д > F_п и Е₂ меняет знак;

4 - 5 сердечник полюса насыщен, но под действием обмотки Д ЭДС возбудителя Е_в = Е₁ + Е₂.

На полюсах 1 ÷ 4 возбудителя расположены обмотки независимая (Н), ограничительная (О), регулировочная (Р), на полюсах 5 и 6 - обмотки параллельная (П) и дифференциальная (Д).

На участке , то есть в интервале токов 0 - I_г2 обеспечивается ограничение напряжения тягового генератора за счет насыщения полюсов 5 и 6.

На участке , то есть в интервале токов I_г2 - I_г4 внешняя характеристика тягового генератора изменяется примерно обратно пропорционально I_г.

Для ограничения максимального тока тягового генератора применена специальная схема, включающая в себя обмотку О, тахогенератор Т₂ и диод Д₂.

Направление тока в обмотке О определяется величинами I_г и U_т2. При увеличении тока тягового генератора в обмотке О начинает протекать ток. Н.с. обмотки О направлена встречно н.с. обмотки Н, в результате чего уменьшается напряжение возбудителя, а значит и напряжение тягового генератора. Параметры схемы подобраны так, чтобы напряжение U_г резко уменьшалось при увеличении I_г, таким образом осуществляется ограничение тока тягового генератора.

В схему системы возбуждения введен узел автоматического регулирования мощности, включающий регулировочную обмотку Р, тахогенератор Т₁ и диод Д₁. Если нагрузка на дизель по какой-либо причине уменьшается, то увеличивается скорость вращения его вала, вследствие чего увеличивается напряжение тахогенератора Т₁, возрастает ток в обмотке Р и увеличивается мощность тягового генератора. При увеличении нагрузки происходит обратный процесс. Оба тахогенератора Т₁ и Т₂ объединены в общем корпусе и приводятся от вала дизеля. Впоследствии тахогенераторы были заменены тахометрическими датчиками.