2.3. Электроаппаратная система тепловоза 2ТЭ10
Более совершенный комбинированный принцип автоматического регулирования напряжения тягового генератора, сочетающий управление по возмущающему воздействию (току тягового генератора) и по отклонению регулируемой величины (напряжению тягового генератора), применяется на тепловозах типа 2ТЭ10 и 2М62.
Основная функция автоматической системы регулирования напряжения заключается в поддержании постоянства мощности тягового генератора, заданной для данной позиции. Кроме того, автоматическая система регулирования напряжения обеспечивает ограничение критических параметров тягового генератора по току и напряжению. Объектом регулирования здесь также является тяговый генератор, а регулятором — магнитный усилитель с внутренней обратной связью - амплистат возбуждения (АВ). Процесс регулирования тока возбуждения основан на зависимости выходного тока, амплистата от сигналов (токов) обратной связи по току и напряжению тягового генератора. Узлом суммирования сигналов являются обмотки управления амплистата и селективный узел (СУ). Сигнал по отклонению регулируемой величины подается в селективный узел через трансформатор напряжения ТПН, а возмущающее воздействие – ток тягового генератора - через трансформатор тока ТПТ.
|
Амплистат возбуждения марки АВ-ЗА в автоматической системе регулирования напряжения тягового генератора тепловозов ТЭ10 и М62 является основным управляющим аппаратом, который суммирует сигнал задания (пропорциональный частоте вращения вала дизеля), сигнал от индуктивного датчика регулятора, а также сигналы силовой тяговой цепи (пропорциональные сумме сигналов по току и напряжению), подавая результирующий усиленный сигналы на обмотку возбуждения возбудителя (НВ).
Амплистат имеет четыре обмотки управления: задающую ОЗ, управляющую ОУ, регулировочную ОР и стабилизирующую ОС.
Задающая обмотка ОЗ создает основную положительную МДС и получает питание через бесконтактный тахометрический блок БТУ. Таким образом, МДС задающей обмотки пропорциональна частоте вращения вала дизель-генератора и благодаря этому осуществляется автоматическое управление тяговым генератором на каждой позиции контроллера машиниста в зависимости от частоты вращения коленчатого вала дизеля.
Управляющая обмотка ОУ смонтирована на сердечнике амплистата так, что ее МДС направлена встречно МДС задающей обмотки. Получает эта обмотка питание через селективный узел (СУ) от цепей рабочих обмоток ТПТ и ТПН и, таким образом, что ток в ней зависит от суммы сигналов по току и напряжению тягового генератора. С помощью этой обмотки осуществляется автоматическое регулирование напряжения тягового генератора.
Регулировочная обмотка ОР служит для дополнительного автоматического управления дизель-генератором по мощности. МДС этой обмотки направлена согласно МДС задающей обмотки. В цепи регулировочной обмотки включен индуктивный датчик, который управляется объединенным регулятором. Ток в регулировочной обмотке обратно пропорционален свободной мощности дизеля относительно уставки, определяемой регулятором частоты вращения на каждой позиции контроллера машиниста.
В стабилизирующей обмотке ОС ток протекает от стабилизирующего трансформатора ТС только при переходных процессах возбудителя (В), например при изменении позиций контроллера машиниста. МДС этой обмотки увеличивает или уменьшает подмагничивание амплистата, осуществляя гибкую обратную связь по напряжению возбудителя. Обратная связь приводит к сокращению времени переходных процессов, чем обеспечивается устойчивость работы системы.
Результирующая МДС обмоток управления амплистата SF = FОЗ + FОР - FОУ± FОР .
Положительную МДС создают две обмотки: задающая и регулировочная. Эту положительную, примерно постоянную на данной позиции контроллера машиниста МДС назовем МДС уставки.
При увеличении МДС и насыщенности сердечника амплистата индуктивное сопротивление рабочей обмотки уменьшается, а ее выходной ток, поступающий в обмотку возбуждения возбудителя, увеличивается. Следовательно, увеличивается напряжение тягового генератора. Уменьшение насыщенности сердечника вызывает обратный процесс.
Рабочие обмотки амплистата 0Р1 и 0Р2 включены последовательно с диодами В3 так, что в каждой из них ток протекает только одну половину периода и только в одном направлении (этим обеспечивается внутренняя положительная обратная связь).
|
Обмотка НГ тягового генератора (ТГ) получает питание от возбудителя - генератора постоянного тока (В), имеющего две обмотки: независимого возбуждения - намагничивающую НВ и размагничивающую РВ. Первая из них подключена на выход рабочей обмотки амплистата и ток в ней изменяется автоматической системой регулирования напряжения тягового генератора (нормальный режим). Вторая включена в общую электрическую цепь управления тепловозом и питается постоянной для каждой позиции величиной тока. Размагничивающая обмотка служит для компенсации тока холостого хода амплистата и обеспечения аварийного режима возбуждения тягового генератора.
Селективный узел - это узел, в котором суммируются сигналы по току и по напряжению тягового генератора и полученный результирующий сигнал направляется в управляющую обмотку ОУ амплистата. Селективный узел — это основной узел системы автоматического регулирования напряжения тягового генератора. Другими словами, этот узел формирует требуемую селективную характеристику тягового генератора, состоящую из трех областей: ограничение пускового тока (область I, линия АБ); ограничение мощности (область II, линия БГ); ограничение максимального напряжения (область III, линия ГД).
Селективный узел тепловозов типа ТЭ10 или М62 включает балластные резисторы СБТН и СБТТ, два выпрямительных моста В1 и В2, управляющую обмотку ОУ амплистата и регулируемый резистор СОУ. Через резистор СБТТ протекает переменный ток цепи рабочих обмоток ТПТ, который пропорционален току тягового генератора. Через резистор СБТН протекает переменный ток цепи рабочих обмоток ТПН, пропорциональный напряжению генератора.
Выпрямительные мосты В1 и В2 выпрямляют переменный ток цепей рабочих обмоток ТПТ и ТПН для питания управляющей обмотки амплистата и, кроме того, выполняют запирающие функции в селективном узле в зависимости от уровня потенциалов точек а и с.
|
В эквивалентной схеме селективного узла будем считать, что ток в резисторах СБТН и СБТТ выпрямлен, а выпрямительные мосты заменены вентилями В1 и В2, выполняющими лишь запирающие функции в зависимости от уровня потенциалов.
Область I характеристики тягового генератора, где ток тягового генератора и ток цепи рабочих обмоток ТПТ значительно большие, а напряжение тягового генератора и ток цепи рабочих обмоток ТПН малы. При этом потенциал в точке а выше, чем потенциал в точке с. В управляющую обмотку ОУ ток потечет от цепи рабочих обмоток ТПТ.
Ток цепи рабочих обмоток ТПТ не пойдет к цепи рабочих обмоток ТПН, так как вентиль В1 его не пропустит. С другой стороны, малый по величине ток цепи рабочих обмоток ТПН, проходя через резистор СБТН, создает на нем падение напряжения меньшее, чем падение напряжения на управляющей обмотке, и ток цепи рабочих обмоток ТПТ не может пройти к цепи управляющей обмотки из-за того, что вентиль В1 закрыт. Таким образом, в рассматриваемый период управляющая обмотка получает питание только от цепи рабочих обмоток ТПТ, а ТПН в питании управляющей обмотки участия не принимает.
Когда ток тягового генератора и ток цепи рабочих обмоток ТПТ малы, а напряжение генератора и ток цепи рабочих обмоток ТПН велики (область III), падение напряжения на резисторе СБТТ будет меньше, чем на резисторе СБТН. Поэтому в управляющую обмотку ОУ ток поступает только от цепи рабочих обмоток ТПН, а ТПТ в питании управляющей обмотки участия не принимает, т. к. вентиль В2 закрыт.
Избирательность питания управляющей обмотки от цепей рабочих обмоток ТПТ или ТПН в зависимости от величины тока и напряжения генератора и составляет первое свойство селективного узла (селективное илиизбирательное свойство).
При увеличении тока цепи рабочих обмоток ТПН (или ТПТ) падение напряжения на резисторе СБТН (или СБТТ) будет, естественно, возрастать, но только до момента «подключения» ТПН (или ТПТ) к управляющей обмотке амплистата. Затем при средних значениях тока и напряжения тягового генератора (область II) падения напряжения на резисторах СБТТ и СБТН сохраняются приблизительно равными друг другу и равными падению напряжения на управляющей обмотке (если пренебречь падением напряжения в вентилях В1 и В2). Таким образом, при средних значениях тока и напряжения тягового генератора ток в управляющую обмотку течет как от цепи рабочих обмоток ТПТ, так и от цепи рабочих обмоток ТПН.
Обязательным условием этому является равенство падений напряжения на резисторах СБТТ и СБТН (в противном случае один из вентилей В1 или В2 будет закрыт). В этом заключается второе свойство селективного узла (суммирующее): при средних значениях тока и напряжения генератора в управляющей обмотке амплистата протекает примерно постоянный по величине ток, равный сумме токов, первый из которых пропорционален току генератора, а второй — его напряжению.
Вследствие того, что в процессе управления генератором по току нагрузки в пределах характеристики постоянства мощности ток в управляющей обмотке амплистата поддерживается примерно постоянным, а каждое из слагаемых этого тока изменяется в широких пределах, изменение одного из указанных слагаемых возможно лишь при обратно пропорциональном изменении другого. Например, увеличение тока в цепи рабочих обмоток ТПТ возможно лишь при соответствующем уменьшении тока в цепи рабочих обмоток ТПН (и наоборот).
Другими словами, при примерно неизменном токе в управляющей обмотке амплистата изменение доли тока от цепи рабочих обмоток ТПТ возможно лишь при обратно пропорциональном изменении доли тока от цепи рабочих обмоток ТПН. В этом заключается третье свойство селективного узла - управляющее. Именно благодаря этому свойству селективного узла осуществляется автоматическое регулирование генератора по току нагрузки, при котором изменение тока нагрузки тягового генератора вызывает обратно пропорциональное изменение его напряжения.
Уровень селективной характеристики задается током уставки (током подмагничивания) в задающей обмотке ОЗ, определенным для каждой позиции контроллера. Поэтому формирование ее и работа селективного узла аналогичны для всех позиций контроллера машиниста.
При регулировании тока, мощности и напряжения рабочая точка амплистата, характеризующая намагниченность сердечника и ток выхода, перемещается вдоль крутой части характеристики амплистата от точки А до точки Д. В пределах этой области кривой МДС задающей и управляющей обмоток изменяются незначительно, а ток выхода амплистата — от минимального до максимального значения. Очевидно, что чем круче будет идти кривая, тем меньше требуется величина изменения МДС для получения тех же значений тока выхода амплистата. Этим определяется чувствительность схемы регулирования.
При переходе в тяговый режим и включении контакторов ВВ возбуждения возбудителя (первоначальный момент) ток выхода амплистата определяется только МДС задающей обмотки ОЗ, во много раз превосходящей величину, необходимую для управления усилителем в пределах крутой части характеристики, а ток выхода будет максимальным. В этом случае рабочая точка находится в области Е насыщения сердечника амплистата.
После включения контактором КВ возбуждения генератора (поездные контакторы включены) напряжение его должно было бы резко увеличиться, но так как якоря тяговых электродвигателей неподвижны, а сопротивление их обмоток очень мало, происходит быстрое увеличение тока в цепи тяговых электродвигателей.
|
Одновременно из-за сильного подмагничивания сердечников ТПТ быстро увеличивается их ток выхода. В этот момент ток выхода ТПТ будет значительно больше, чем ТПН. Поэтому по мере роста тока тяговых электродвигателей и тягового генератора ток в управляющей обмотке амплистата возрастает, а результирующая МДС, равная разности МДС задающей и управляющей обмоток, будет уменьшаться.
При уменьшении результирующей МДС. и смещении (условном) рабочей точки по характеристике амплистата от точки Е до точки Д ток выхода амплистата уменьшается незначительно. Дальнейшее же увеличение тока нагрузки и уменьшение результирующей МДС ведет к резкому уменьшению тока выхода амплистата и напряжения тягового генератора. В точке В характеристики суммарная МДС равна нулю, т. е. МДС управляющей обмотки равна МДС задающей обмотки. Однако ток рабочих обмоток амплистата еще достаточно высок. Дальнейшее возрастание тока тяговых электродвигателей приводит к тому, что МДС управляющей обмотки превысит на некоторую величину МДС задающей обмотки, и рабочая точка займет положение точки А. Как видно из характеристики, ток выхода амплистата становится достаточно малым.
Для более полной компенсации тока холостого хода амплистата и возбуждения возбудителя используется размагничивающая обмотка возбудителя РВ. Ее магнитный поток при нормальном режиме возбуждения направлен встречно магнитному потоку намагничивающей обмотки возбудителя. Это позволяет при малых токах выхода рабочей обмотки амплистата добиться почти полного уменьшения тока возбуждения возбудителя, а значит и напряжения на выходе тягового генератора. Напряжение тягового генератора становится близким нулевому значению и полностью падает на сопротивление силовой цепи, т. е. происходит ограничение тока тягового генератора.
Когда якоря тяговых электродвигателей приходят во вращение и тепловоз трогается, на зажимах электродвигателей растет противо-ЭДС, ток в силовой цепи, пропорциональный разности напряжения тягового генератора и противо-ЭДС электродвигателей, начинает падать. Ток в управляющей обмотке амплистата также будет уменьшаться, результирующая МДС начнет увеличиваться и рабочая точка амплистата переместится по характеристике вверх — к точке Б. Благодаря большой крутизне характеристики амплистата незначительное уменьшение м. д.с. управляющей обмотки ведет к резкому возрастанию тока выхода, а следовательно, напряжения тягового генератора. Такое повышение напряжения при разгоне тепловоза будет компенсировать увеличение противо-ЭДС тяговых электродвигателей и препятствовать существенному изменению их тока. При увеличении напряжения в несколько раз (от точки А к точке Б) ток тягового генератора изменяется незначительно. Можно считать, что ток генератора на участке АБ селективной характеристики поддерживается до некоторой скорости движения практически постоянным (вертикальная отсечка по току). Следовательно, на этом участке селективной характеристики будут постоянными или незначительно уменьшаться токи в резисторе СБТТ и управляющей обмотке амплистата, а также поддерживаться постоянным падение напряжения на резисторе СОУ и управляющей обмотке.
Повышение напряжения тягового генератора приводит к возрастанию тока на выходе ТПН. За счет этого возрастают падение напряжения на резисторе СБТН и потенциал точки с селективного узла. Величина сопротивления резистора СБТН регулируется таким образом, чтобы при токе, соответствующем точке Б селективной характеристики тягового генератора, потенциал в точке а селективного узла был равен потенциалу в точке с.
С этого момента ток (сначала очень малый) с выхода ТПН начинает протекать через выпрямитель В1, и в управляющей обмотке ОУ амплистата будет суммарный ток и от трансформаторов ТПТ и ТПН. В дальнейшем, при повышении скорости тепловоза, работа тягового генератора определяется участком БГ селективной характеристики, а на характеристике амплистата это будет участок БД.
Как видно из характеристики амплистата, результирующая МДС на участке кривой БД изменяется очень мало (практически постоянна), а ток выхода амплистата и напряжение тягового генератора изменяются очень сильно. МДС уставки постоянна, следовательно, изменяются в очень малой степени только МДС и ток в управляющей обмотке. Падение напряжения на управляющей обмотке от этого тока также будет практически постоянным. Такое равенство при увеличении напряжения тягового генератора и тока с выхода ТПН может поддерживаться только за счет уменьшения тока нагрузки и тока с выхода ТПТ, т. е. увеличение доли тока в управляющей обмотке будет компенсироваться таким же уменьшением доли тока. Таким образом, начиная с точки Б селективной характеристики и выше, ограничение и поддержание постоянной величины тока тягового генератора прекращаются. Благодаря действию амплистата по мере увеличения скорости тепловоза и противо-ЭДС тяговых электродвигателей напряжение тягового генератора растет в той мере, в какой уменьшается ток нагрузки. За счет этого на участке БГ селективной характеристики получается прямолинейная наклонная зависимость.
Процесс ограничения напряжения тягового генератора при увеличении скорости тепловоза происходит до точки Г селективной характеристики. В этой точке ток в управляющей обмотке от трансформатора ТПН становится настолько большим, что потенциал в точке с селективного узла превышает потенциал точки а, т. е. трансформатор ТПТ отключается и его доля тока в управляющей обмотке становится равной нулю. Весь ток ТПТ проходит через резистор СБТТ. Величину сопротивления этого резистора подбирают так, чтобы при токе, соответствующем точке Г селективной характеристики. В этом случае при уменьшении скорости тепловоза и увеличении нагрузки процесс формирования селективной характеристики протекает аналогично описанному ранее для сигналов со стороны ТПН.
Прямолинейная селективной характеристики тягового генератора на участке БГ указывает на равенство мощности дизеля и тягового генератора только в точке перегиба Б и Г. В остальных точках она будет проходить значительно выше характеристики постоянной мощности тягового генератора. Мощность тягового генератора будет больше мощности дизеля и наступит перегрузка дизеля с «просадкой» частоты вращения коленчатого вала. Дополнительная перегрузка возникает также при включении потребителей, например компрессора или вентилятора шахты холодильника. Чтобы этого не происходило и дизель работал с номинальной мощностью и номинальной частотой вращения коленчатого вала на всех режимах, применяется система дополнительного регулирования мощности тягового генератора с помощью объединенного регулятора дизеля.
На 4-й позиции контроллера замыкающие контакты реле РУ10 подключают регулировочную обмотку ОР амплистата к источнику питания через обмотку индуктивного датчика ИДП объединенного регулятора дизеля.
|
Рассмотрим действие регулятора при перегрузке дизеля. При перегрузке дизеля частота вращения его вала уменьшается и объединенный регулятор вдвигает якорь индуктивного датчика внутрь катушки, увеличивая сопротивление ее цепи и уменьшая ток в цепи регулировочной обмотки амплистата. При уменьшении МДС уставки результирующая МДС и ток выхода также будут уменьшаться. При уменьшении возбуждения соответственно уменьшатся напряжение и мощность тягового генератора, что отразится на токе выхода управляющей обмотки - он также будет уменьшаться. При равенстве мощности дизеля и тягового генератора частота вращения вала дизеля становится номинальной и объединенный регулятор приостанавливает перемещение сердечника индуктивного датчика.
Результирующая МДС и ток выхода будут иметь меньшее значение, рабочая точка займет новое положение на характеристике амплистата.
При недогрузке дизеля (уменьшение подачи топлива) якорь индуктивного датчика выдвигается из катушки, увеличивая ток в регулировочной обмотке, и процесс регулирования повторяется в обратной последовательности.
Таким образом, в результате действия объединенного регулятора дизеля внешняя характеристика тягового генератора корректируется, приближаясь к гиперболической, при работе на которой полностью используется свободная мощность дизеля.
При переводе рукоятки контроллера на промежуточные позиции селективные и внешние характеристики тягового генератора снижаются. Это происходит по следующим причинам: при уменьшении частоты вращения вала дизеля в соответствии с работой объединенного регулятора уменьшается напряжение на выходе тахометрического блока пропорционально частоте вращения коленчатого вала дизеля и ток задающей обмотки амплистата; уменьшается частота вращения якорей генератора и возбудителя, окончательно устанавливается пониженные ток и напряжение, а следовательно, мощность тягового генератора.
Позиции 1 … 3 являются позициями плавного пуска. Здесь характеристики дополнительно снижаются введением добавочных ступеней резистора СОЗ в цепь питания задающей обмотки ОЗ амплистата, размагничивающей обмотки (РВ) возбудителя В, а также отключением регулировочной обмотки ОР амплистата.
