ТЯГОВОГО ГЕНЕРАТОРА

Система возбуждения тягового генератора обеспечивает постоянство его мощности в широком диапазоне изменения тяговой нагрузки, а также ограничения технических параметров элементов электропередачи по току и напряжению.

Систему возбуждения можно разделить на силовую цепь, питающую обмотку возбуждения тягового генератора, и систему автоматического регулирования возбуждения, управляющую работой силовой цепи возбуждения.

Силовая цепь системы возбуждения состоит из возбудителя СВ (см. рис. 141); управляемого выпрямительного моста УВВ, узла коррекции, включающего в себя трансформатор ТК и выпрямительный мост ВК.

Возбудитель СВ — однофазный синхронный генератор переменного тока, который получает возбуждение от цепи управления (обмотка статора U1—U2), а переменное напряжение с колец ротора С1—С2 подается на вход УВВ. Управляемый выпрямительный мост представляет собой несимметричный мостовой выпрямитель, в два плеча которого включены тиристоры +Т и —Т, а в два других — обычные неуправляемые диоды ДЗ и Д4. Последовательно с тиристорами включены неуправляемые диоды Д1 и Д2 для обеспечения возбуждения тягового генератора в аварийном режиме при выходе из строя тиристоров или элементов цепи управления ими. Защита вентилей моста от коммутационных перенапряжений осуществляется шунтирующими цепочками из резисторов и конденсаторов, а от токов короткого замыкания — быстродействующим плавким предохранителем ПР1.

Значение тока возбуждения тягового генератора регулируется изменением переменного напряжения на выходе возбудителя и выпрямленного напряжения УВВ. Первое производится при изменении частоты вращения ротора возбудителя (при наборе или сбросе позиций), второе с помощью тиристоров путем изменения момента их включения (изменения продолжительности их открытого состояния).

Если тиристоры закрыты, то при подаче переменного напряжения с возбудителя на вход УВВ на выходе УВВ выпрямленное напряжение будет равно нулю. Управляющие импульсы для открытия тиристоров подаются поочередно на управляющий электрод соответствующего тиристора в положительный или отрицательный период синхронно с поступающей на них волной синусоидального тока. Путь тока при открытии тиристора +Т в положительный полупериод показан на рис. 141 сплошной линией.

Промежуток времени от момента подачи положительной полуволны переменного напряжения с возбудителя на анод тиристора + 7 до момента подачи отпирающего импульса на управляющий электрод называется углом регулирования. Как видно из графика (рис. 142), с увеличением угла регулирования а (от 0 до 180°) уменьшается среднее значение выпрямленного напряжения Ucp (рис. 142, д, е). Среднее значение выпрямленного напряжения можно считать пропорциональным заштрихованной площади, ограниченной кривой выпрямленного напряжения.

Значение импульсов и момент подачи их (угол регулирования а) в каждый полупериод питающего напряжения формируют блок управления возбудителя БУВ, являющийся выходным узлом системы автоматического регулирования возбуждения.

Прежде чем рассматривать процесс выпрямления и регулирования напряжения на выходе УВВ, рассмотрим процесс выпрямления тока на неуправляемом выпрямителе (процесс возможен при аварийном режиме возбуждения тягового генератора).

В момент перехода питающего напряжения через нуль ток каждой полуволны выпрямленного напряжения не может мгновен­но исчезнуть, так как значение индуктивности обмотки возбуждения тягового генератора значительно и при уменьшении тока возбуждения э. д. с. самоиндукции обмотки возбуждения будет стремиться воспрепятствовать его уменьшению.

Таким образом, в конце каждого положительного (отрицательного) полупериода, когда напряжение спадает до нуля, выпрямленный ток будет иметь некоторое значение и спадет до нуля только через некоторое время. После перехода питающего напряжения через нуль во второй ветви моста начнет возрастать выпрямленный ток. Для выпрямителя наступает такой режим, когда ток протекает одновременно в обеих ветвях через все четыре диода. Режим одновременной работы диодов называют периодом коммутации, который характеризуется углом коммутации у. В период коммутации обмотка возбудителя CI—С2 оказывается короткозамкнутой, выходное переменное напряжение возбудителя в период коммутации практически равно нулю и возрастает скачкообразно после окончания периода коммутации.

В управляемом несимметричном мостовом выпрямителе УВВ процесс выпрямления и регулирования имеет более сложный характер, чем в описанном ранее неуправляемом выпрямителе, так как на процесс выпрямления оказывают влияние и угол регулирования α, и угол коммутации γ На рис. 143 даны графики изменения напряжения возбудителя и выпрямленных тока и напряжения в выпрямителе УВВ.

В момент окончания работы тиристора — Т в отрицательный полупериод и на период задержки открытия тиристора +7 на угол а, т. е. когда тиристоры закрыты, выпрямленное напряжение на выходе выпрямителя практически равно нулю, но ток в обмотке возбуждения тягового генератора не прерывается, а поддерживается за счет э. д. с. самоиндукции этой обмотки, проходя в том же направлении через диоды ДЗ и Д4 (штрихпунктирная линия на рис. 141). Из рис. 142 видно, что процесс коммутации происходит между тиристорами и диодами разных ветвей. Угол коммутации тиристоров +Т и — Т соответствует моменту их открытия после задержки на угол а. В связи с этим переменное напряжение на выходе возбудителя в периоды коммутации γ₁ и γ₂ имеет характерные провалы.

Узел коррекции в силовой цепи возбуждения предназначен для подпитки постоянным током обмотки возбуждения возбудителя U₁—U₂ с целью компенсации падения напряжения возбудителя при возрастании тока нагрузки (возбуждения тягового генератора). Первичная обмотка трансформатора ТК включена в силовую цепь обмотки возбуждения

тягового генератора, а вторичная — через выпрямительной мост ВК на обмотку возбуждения СВ, поэтому при увеличении тока возбуждения пропорционально ему увеличивается ток .подпитки в обмотке возбуждения возбудителя, поддерживая неизменными напряжение и ток на выходе возбудителя.

Система автоматического регулирования возбуждения тягового генератора. Автоматическое регулирование возбуждения тягового генератора обеспечивается совместной работой объединенного регулятора дизеля, тахометрического блока задания (БЗВ), узла обратной связи по току и напряжению выпрямителя ВУ генера­тора, селективного узла СУ и блока управления возбуждением БУВ.

Система автоматического регулирования возбуждения тягового генератора обеспечивает поддержание постоянства мощности, отбираемой от дизеля генератором на каждой позиции контроллера, а также ограничение предельных параметров элементов электропередачи по току и напряжению, что отражено на внешней характеристике генератора АБГД (рис. 144), где участок АБ характеризует ограничение по максимальному напряжению (максимальное напряжение определяется предельным напряжением выпрямительной установки); рабочий участок БГ, удовлетворяющий условию N — const, характеризует ограничение по мощности дизеля; участок ВГ указывает на ограничение длительности реализуемых токов (по условиям тяговых электродвигателей и диодов выпрямительной установки); участок ГД является ограничением по максимальному току элементов электропередачи.

Принцип автоматического регулирования режима работы электропередачи тепловоза 2ТЭ116 основан на том, что сигнал задания, поступающий от блока БЗВ и индуктивного датчика ИД, сравнивается в селективном узле СУ с сигналами обратной связи, поступающими от трансформаторов тока ТПТ и трансформатора напряжения ТПН.

Разность этих сигналов поступает в блок БУВ, который устанавливает необходимый ток возбуждения, а следовательно, ток и напряжение тягового генератора.

Тахометрический блок БЗВ получает питание с выводов CI—С2 возбудителя СВ. С выводов 2, 3 БЗВ выпрямленное напряжение, строго пропорциональное частоте выходного напряжения возбудителя, а следовательно, и частоте вращения вала дизеля, подводится к потенциометру задания ССУ2. При неизменной частоте вращения вала дизеля на каждой позиции контроллера машиниста значение напряжения БЗВ на каждой позиции будет неизменным, и иметь строго определенное значение.

С выводов 5, 6 БЗВ переменное напряжение через индуктивный датчик объединенного регулятора дизеля ИД подается на выпрямительный мост БС1. Выпрямленное напряжение с выводов 1, 2 моста БС1 подается на потенциометр СИД. Потенциометр СИД и потенциометр ССУ соединены между собой, поэтому напряжение уставки и падение напряжения на потенциометре складываются, следовательно, при определенных условиях объединенный регулятор дизеля с помощью индуктивного датчика может менять напряжения уставки.

Узел обратной связи по току и напряжению выпрямителя тягового генератора состоит из трансформаторов постоянного тока ТПТ1—ТПТ4 и постоянного напряжения ТПН, выпрямительных мостов на выходе трансформаторов и потенциометров обратной связи ССУ1.

Управляющей обмоткой каждого трансформатора ТПТ являются кабели силовой цепи тяговых электродвигателей, а у трансформатора ТПН управляющая обмотка включена на напряжение выпрямителя ВУ. Следовательно, подмагничивание сердечников и выходные токи рабочих обмоток ТПТ и ТПН пропорциональны току и напряжению выпрямителя.

Управляющая обмотка У—У трансформатора ТПН включена на напряжение выпрямителя через регулируемый резистор СТН по цепи (см. рис. 141): кабель 526 (527), провод 504, обмотка У — У, провод 505, резистор СТН, провода 506, 635, кабель 524 (525). На рабочую обмотку HI—Н2 трансформатора ТПН и выпрямительный блок БС1 переменное напряжение подается с зажимов 11—12 распределительного трансформатора Тр2 по цепи: зажим 11 Тр2, провод 500, контакты 9—4 ШР, провод 501, обмотка Н2—HI ТПН, провод 496, контакты 9—3 ШР, провод 495, зажим 12/19, провод 494, контакты 5 ШР БС1, выпрямительный блок БС1, контакты 6 ШР БС1, провод 498, зажим 12 распределительного трансформатора Тр2. Во второй полупериод ток в указанной цепи изменит направление. С выпрямителя БС1 выпрямленный ток поступает на выводы Р9, Р8 потенциометра ССУ1 но цепи: контакты 15 ШР БС1, провод 489, зажим Р9, потенциометр ССУ1, зажим Р8, провод 487, зажим 17/17, провод 488, контакты 14 ШР БС1. Напряжение на зажимах Р9, Р8 потенциометра ССУ1 выполняет функцию сигнала обратной связи по напряжению.

Управляющими обмотками трансформаторов ТПТ1—ТПТ4, как было сказано ранее, являются силовые кабели тяговых электродвигателей (см. рис. 141), а на рабочие обмотки трансформаторов 77777—ТПТ4 и выпрямительные мосты блоков БСЗ и БС4 подается переменное напряжение от распределительного трансформатора Тр2.

Все четыре распределительных моста соединены последовательно и выпрямленное напряжение подается на зажимы Р1 и Р8 потенциометра ССУ1, с него снимается напряжение, выполняющее функцию сигнала обратной связи по току нагрузки.

В эту же цепь включены токовые катушки реле перехода РП1 и РП2, так как протекающий в них ток i_тт обратной связи пропорционален току нагрузки тяговых двигателей. Последовательно соединенные выпрямительные мосты позволяют выделить наибольший из поступающих сигналов от трансформатора 77777—ТПТ4 (объяснение смотри в описании схемы тепловоза 2ТЭ10М).

Потенциометры обратной связи ССУ1, задания ССУ2 и индуктивного датчика СИД образуют селективный узел. Минусовые точки потенциометров соединены между собой через управляющую обмотку ОУ магнитного усилителя МУ блока БУВ, а три плюсовые точки потенциометров ССУ1 и ССУ2 соединены между собой попарно через разделительные диоды Д1, Д2, ДЗ. Каждая пара с включенными в их цепь разделительным диодом и обмоткой управления МУ образуют канал регулирования (/, //, ///). Сигнал рассогласования каждого канала определяется разностью приложенных напряжений обратной связи и задания. В зависимости от значения сигнала рассогласования, поступающего в МУ, блок БУВ изменяет угол регулирования тиристоров +Т и —Т управляемого выпрямительного моста УВВ. При минимальном сигнале рассогласования или его отсутствии в управляющей обмотке МУ угол регулирования будет минимальным, а ток возбуждения тягового генератора наибольший для заданной позиции контроллера.

Для устранения неустойчивой работы цепи возбуждения, колебаний тока и напряжения тягового генератора применен узел стабилизации. Сигнал с него поступает на одну из обмоток управления магнитного усилителя блока БУВ. Эта обмотка называется стабилизирующей (ОС). Магнитный поток этой обмотки направлен встречно изменению магнитного потока в управляющей обмотке ОУ от сигнала рассогласования. Эта обмотка работает только при переходных процессах в электрической цепи возбуждения генератора.

Работа системы автоматического регулирования возбуждения без электрической связи с объединенным регулятором дизеля. Внешняя характеристика ВУ формируется селективным узлом, который выбирает сигналы обратной связи по току и напряжению выпрямителя тягового генератора, сравнивает их с сигналами задания и подает сигнал рассогласования в управляющую обмотку МУ блока БУВ. В управляющей обмотке МУ сигнал рассогласования определяется током ТПТ при ограничении пускового тока, током ТПН при ограничении максимального напряжения, а также суммой токов ТПТ и ТПН при ограничении постоянной мощности на выходе выпрямителя тягового генератора.

Положение селективной характеристики задается блоком БЗВ (АБГД или А'Б'Г'Д') (см. рис. 144), напряжение которого пропорционально частоте вращения дизеля, и снимается в виде сигнала уставки с потенциометра задания ССУ2. Формирование селективной характеристики и работа селективного узла аналогичны на всех позициях контроллера, но далее рассматриваются для номинального режима на 15-й позиции контроллера.

При переходе в тяговый режим ток возбуждения тягового генератора вначале будет определяться сопротивлением в цепи обмотки возбуждения возбудителя, так как ток и напряжение тягового генератора еще не успевают вырасти, выходные токи трансформаторов ТПН и ТПТ малы, сигнал рассогласования в управляющую обмотку МУ блока БУВ не поступает. Следовательно, угол регулирования будет минимальным, т. е. тиристоры будут открыты в начале полупериода, питающего напряжения, ток возбуждения наибольший, а напряжение тягового генератора должно резко возрасти. Якоря тяговых электродвигателей еще неподвижны, сопротивление их обмоток и соединительных кабелей мало, а поэтому при росте напряжения тягового генератора возрастает ток в силовой цепи, причем скорость роста тока значительно выше скорости роста напряжения. Из-за сильного подмагничивания сердечников ТПТ быстро увеличивается их ток выхода и через выпрямительные мосты подается на потенциометр обратной связи ССУ1 (выводы PI—Р8) (см. рис. 141). Напряжение с потенциометра ССУ1 (выводы Р2—Р8) в качестве сигнала обратной связи подается в канал 1 для сравнения с сигналом задания на выводах Р10—Р11 потенциометра ССУ2. Так как ток выхода ТПТ значительно выше тока выхода ТПН, то потенциал точки Р1 выше потенциала точки Р9 узла ССУ1, а поэтому сигнал по напряжению в селективный узел попасть не может.

При определенном значении тока тяговых электродвигателей сигнал обратной связи по току станет больше сигнала задания, разделительный диод Д1 откроет канал / и в управляющую обмотку МУ блока БУВ поступает сигнал рассогласования.

Сигнал рассогласования, поступивший по каналу 1 в обмотку ОУ магнитного усилителя блока БВУ, вызовет увеличение угла регулирования а тиристоров выпрямительного моста УВВ, что вызовет уменьшение тока возбуждения и напряжения тягового генератора. Скорость роста тока уменьшится. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока напряжение тягового генератора не снизится до значения, необходимого для поддержания заданного максимального тока нагрузки, обеспечивающего необходимую силу тяги при трогании тепловоза.

Когда якоря тяговых электродвигателей начнут вращаться, на зажимах электродвигателей возникает противо-э.д.с. Ток силовой цепи, определяемый разностью напряжения выпрямителя генератора и противо-э.д.с, начнет уменьшаться. Это вызовет уменьшение тока выхода трансформатора ТПТ, уменьшится сигнал рассогласования, что приведет к уменьшению угла регулирования и увеличению тока возбуждения и напряжения тягового генератора, что в свою очередь вызовет увеличение тока силовой цепи. Этому же способствует подпитка возбудителя от трансформатора коррекции.

Таким образом, автоматическая система регулирования возбуждения при трогании и разгоне тепловоза поддерживает примерно постоянный пусковой ток выпрямителя по прямой ГД внешней характеристики (см. рис. 144).

Постоянство пускового тока достигается за счет роста напряжения на выходе выпрямителя генератора. В точке Г внешней характеристики мощность на выходе выпрямителя достигает номинального значения. В этой точке характеристики ток выхода трансформатора ТПН достигает такого значения, что потенциал точки Р9 (см. рис. 141) становится равным потенциалу точки Р1 на ССУ1. Составляющие токов i_тт и t_тн, поступающие на потенциометр PI—Р9, образуют суммарный сигнал по току и напряжению, превышающий сигнал задания по мощности на ССУ2, разделительный диод Д2 открывает канал 11. В это время падение напряжения от тока i_тт на потенциометре UP,-P, уменьшается, а сигнал обратной связи по току становится меньше сигнала задания по току, и распределительный диод Д1 закрывает канал 1.

Участок БГ внешней характеристики выпрямителя должен быть гиперболичным, т. е. в каждой точке произведение тока на напряжение должно быть постоянного значения. Селективный узел позволяет поддерживать постоянным не произведение, а сумму тока и напряжения, поэтому характеристика получается не гиперболическая, а прямолинейная. При увеличении скорости движения тепловоза напряжение генератора растет, а ток уменьшается. Если у точки Г доля тока поступающая на потенциометр PI—Р9 велика, а доля тока i_тн мала, то в дальнейшем эти значения токов обратной связи перераспределяются. Значение тока i_тт уменьшается, а i_тн увеличивается так, что суммарный сигнал обратной связи не будет изменяться, т. е. уменьшение тока i_тт будет компенсироваться соответствующим увеличением тока i_тн. Следовательно, при уменьшении тока нагрузки напряжение увеличивается почти по линейной зависимости.

Процесс ограничения мощности при увеличении скорости происходит до точки Б внешней характеристики выпрямителя. В этой точке ток i_тн становится настолько большим, что сигнал обратной связи по напряжению превышает сигнал задания по напряжению диод ДЗ открывает канал ///. В этот момент потенциал точки Р9 на ССУ1 становится больше потенциала точки Р1 и составляющая тока i_тт не будет поступать на потенциометр PI—Р9. Суммарный сигнал по току и напряжению уменьшается, разделительный диод Д2 закрывается, отключая канал //.

Участок АБ внешней характеристики соответствует ограничению напряжения. При увеличении напряжения на выходе выпрямителя увеличивается сигнал обратной связи по напряжению. Сигнал рассогласования будет увеличивать угол регулирования, а тиристоров выпрямителя УВВ, что приведет к уменьшению тока возбуждения и напряжения тягового генератора. Таким образом, на участке АБ внешней характеристики значение напряжения на выходе выпрямителя и угол регулирования, а находятся в такой зависимости, что они как бы контролируют друг друга, т. е. происходит ограничение напряжения тягового генератора.

Формирование гиперболической внешней характеристики тягового генератора. Рассмотрим формирование внешней характеристики тягового генератора при наличии электрической связи (датчик ИД включен в систему автоматического регулирования возбуждения тягового генератора) между селективным узлом и объединенным регулятором дизеля. На рис. 144 показана гиперболическая внешняя характеристика ГКБ, характеризующая полное совпадение мощности дизеля и генератора, и селективная характеристика ГК₁Б, получаемая при отключении датчика ИД объединенного регулятора дизеля. Прямолинейная селективная характеристика расположена выше гиперболической, кроме точек Б к Г. Следовательно, во всех точках характеристики ГК₁Б мощность тягового генератора будет выше мощности дизеля, что приведет к перегрузке дизеля, а перегрузка приведет к уменьшению частоты вращения вала дизеля. Дополнительная перегрузка дизеля возникает при включении потребителей собственных нужд тепловоза (например, включение компрессора, вентиляторов и т. д.).

Чтобы не происходила перегрузка дизеля и чтобы дизель работал с номинальной частотой вращения, на всех режимах применяется дополнительная регулировка мощности с помощью объединенного регулятора дизеля.

В канале 11 (см. рис. 141) задания по мощности потенциометра ССУ2 включен потенциометр СИД, напряжение на котором зависит от значения индуктивного сопротивления катушки ИД. Это напряжение складывается с напряжением задания потенциометра ССУ2. Таким образом, под действием ИД сигнал задания по мощности может меняться.

Для создания определенного запаса по регулированию сигнал по мощности выбирается таким, чтобы при полностью вдвинутом внутрь якоре индуктивного датчика селективная характеристика А'Б'Г'Д' проходила ниже внешней гиперболической характеристики; при полностью выдвинутом из катушки якоре индуктивного датчика проходила выше гиперболической части через точки Б и Г (см. рис. 144).

Рассмотрим действие объединенного генератора при недогрузке (отключились компрессор, вентиляторы охлаждения). При включенном компрессоре режим работы дизель-генератора характеризовался, например, точкой К' на селективной характеристике А'Б'Г'Д'. При выключении компрессора отбираемая мощность от дизеля уменьшится, частота вращения вала дизеля возрастет, и объединенный регулятор дизеля выдвинет якорь индуктивного датчика из катушки, увеличивая ток и падение напряжения на потен циометре СИД. Это приведет к увеличению уставки по мощности, а сигнал рассогласования, поступающий в управляющую обмотку МУ, при этом уменьшится. Угол регулирования а тиристоров выпрямителя УВВ уменьшится, а это повлечет увеличение тока возбуждения и напряжения тягового генератора. При повышении отбираемой мощности и достижении равенства с мощностью дизеля частота вращения вала дизеля станет номинальной, и объединенный регулятор приостановит перемещение индуктивного датчика. Результирующий сигнал задания станет больше, а сигнал рассогласования меньше и точка К' займет положение К на гиперболической внешней характеристике.

Рассмотрим работу объединенного регулятора при перегрузке дизеля (в момент после включения компрессора). Режим работы дизель-генератора в это время, например, соответствует точке К1 на характеристике АБГД (см. рис. 144). При перегрузке дизеля частота вращения вала дизеля уменьшается, и объединенный регулятор вдвигает якорь индуктивного датчика внутрь катушки, увеличивая сопротивление цепи и уменьшая ток и падение напряжения на потенциометре СИД. Этим уменьшается значение уставки по мощности, а сигнал рассогласования, поступающий в управляющую обмотку МУ, увеличивается. Угол регулирования тиристоров выпрямителя УВВ увеличивается, что влечет за собой уменьшение тока возбуждения и напряжения тягового генератора. При уменьшении отбираемой мощности и достижении равенства с мощностью дизеля частота вращения вала дизеля станет номинальной, и объединенный регулятор приостановит перемещение якоря индуктивного датчика.

Результирующий сигнал задания будет меньше, а сигнал рассогласования будет больше и точка К' займет положение К на гиперболической характеристике.

Контрольные вопросы

1. Рассказать о назначении системы возбуждения тягового генератора и перечислить ее элементы.
2. Рассказать о работе системы автоматического регулирования тягового генератора на режимах, характеризуемых участками ГД, ГБ и АБ внешней характеристики тягового генератора.
3. Рассказать, как формируется гиперболическая внешняя характеристика тягового генератора.