Возбудители с радиальным расщеплением полюсов.

Возбудитель (рис. 5.18) представляет собой шестиполюсный генератор постоянного тока. Магнитная цепь полюсов П1, П2, П4 и П5 выполнена слабонасыщенной, и они в дальнейшем называются ненасыщенными. В полюсах ПЗ и П6 сделаны суженные сечения (магнитные мостики), вследствие чего они при больших н. с. насыщаются и поэтому условно называются насыщенными. Из-за малого насыщения остальных участков магнитной цепи можно при рассмотрении принципа действия возбудителя приближенно принять, что магнитные потоки насыщенных и ненасыщенных полюсов независимы один от другого.

В схеме (рис. 5.19) показаны четыре обмотки возбуждения возбудителя: независимая НВ (L5), параллельная ШВ (L3), дифференциальная ДВ (L4) и последовательная СВ (L2). Первые три обмотки служат для создания гиперболической характеристики генератора, а четвертая – для компенсации размагничивающего влияния якоря.

Обмотки НВ и СВ расположены на ненасыщенных полюсах П1, П2, П4 и П5; обмотки ШВ и ДВ – на насыщенных полюсах ПЗ и П6.

Обмотка независимого возбуждения питается через сопротивление R₁ от вспомогательного генератора G3, напряжение которого поддерживается постоянным с помощью регулятора напряжения. Поэтому в ней протекает неизменный ток, не зависящий от угловой скорости и тока генератора.

Обмотка ДВ, включенная параллельно обмотке дополнительных полюсов ДП генератора, действует навстречу обмотке ШВ. Н. с. обмотки ШВ пропорциональна напряжению возбудителя, а обмотки ДВ – току нагрузки генератора. Результирующая н. с. насыщенных полюсов

.

При I_г=0 н. с. насыщенных полюсов имеет наибольшее значение. Магнитный поток насыщенных полюсов направлен так, что их полярность соответствует нормальному чередованию полярности полюсов в обычном генераторе постоянного тока. Якорь возбудителя выполнен с волновой обмоткой, при которой проводники одной секции, присоединенной к коллекторным пластинам, расположены под всеми шестью полюсами и наведенная в них ЭДС зависит от суммы магнитных потоков всех полюсов. При нормальном чередовании полюсов ЭДС, наводимые в секции потоками всех полюсов, имеют одинаковое направление.

При увеличении тока генератора н. с. насыщенных полюсов сначала уменьшается, при некотором токе становится равной нулю и затем (когда н. с. дифференциальной обмотки становится больше н. с. параллельной) результирующая н. с. меняет знак, вследствие чего направление магнитного потока насыщенных полюсов изменяется.

ЭДС возбудителя можно представить равенством

Е_В=с_еп_д(2Ф₁+Ф₂)=Е₁+Е₂.

где Ф₁, Ф₂ – магнитные потоки ненасыщенного и насыщенного полюсов; Е₁, Е₂ – части общей ЭДС возбудителя, зависящие соответственно от потоков ненасыщенных и насыщенных полюсов.

Характеристики возбудителя аналогичны характеристикам, изображенным на рис. 1.72б. Включение основной обмотки насыщенных полюсов на напряжение возбудителя позволяет уменьшить н. с. дифференциальной обмотки вследствие снижения напряжения возбудителя при больших токах генератора. Настройка характеристик осуществляется изменением сопротивлений R1 (характеристика перемещается вверх или вниз) и R2 (характеристика перемещается вправо или влево и изменяет крутизну).

Как и в предыдущем варианте, для получения малых скоростей движения и силы тяги предусматривается введение одной или двух ступеней дополнительного сопротивления в цепи независимой обмотки возбудителя.

Настройка характеристики может осуществляться изменением сопротивлений в цепи параллельной и независимых обмоток.

Из рассмотренных двух типов возбудителей возбудители с радиальным расщеплением более просты, так как насыщенные полюсы отличаются только магнитным мостиком, получаемым при штамповке или дополнительной обработке сердечников. В остальном конструкция полюсной системы и катушек аналогична обычной. В возбудителе с продольным расщеплением сердечники полюсов П1 и П2 должны быть различными по сечению, и одна катушка (ДВ) располагается внутри другой, что несколько усложняет изготовление и сборку машины. Часть активной длины якоря не используется вследствие размещения дифференциальной обмотки между полюсами.

При небольшой мощности возбудителей указанные недостатки не являются решающими и не препятствуют применению обоих типов возбудителей.

Характеристики дизель-генератора при саморегулировании.

При использовании трехобмоточного генератора и других систем, возбуждения, являющихся по существу разновидностями его, характеристики Е_Г(I_Г) при постоянной угловой скорости будут выпуклыми. При совместной работе такого генератора с дизелем и соблюдении определенных условий можно получить характеристики Е_Г (I_Г) гиперболического вида, обеспечивающие удовлетворительное использование мощности дизеля. Ниже рассмотрен характер совместной работы дизеля с генератором и условия повышения использования мощности дизеля без применения специальных регулирующих устройств.

На рис. 5.20а линия ABGCD соответствует желательной предельной характеристике (см. рис. 102) при номинальной мощности Р_{Д ном} дизеля (линия В'С' на рис. 1.77б). Для того чтобы обеспечить возможность использования полной мощности дизеля в преде­лах изменения тока генератора от I_Гмин до I_Гмакс, внутренняя характеристика генератора Е_Г(I_Г) должна пройти через точки В и С. Пусть линия A₁BFCD₁ представляет собой внутреннюю характеристику генератора при номинальной угловой скорости п_дном дизель-генератора. Соответствующий ей график мощности на валу генератора представлен линией А₁′В'F'С'D₁′ (см. рис. 5.20б).

При токе генератора меньше I_гмин мощность, потребляемая последним, меньше номинальной мощности дизеля. Следовательно, подача топлива должна уменьшаться. То же самое должно происходить при увеличении тока генератора более I_гмакс. Эту задачу выполняет регулятор дизеля, поддерживающий предельную угловую скорость путем изменения подачи топлива. Примем, что регулятор настроен на номинальную угловую скорость дизеля. Следовательно, при токах нагрузки I_г < I_гмин и I_г > I_гмин дизель работает при постоянной скорости, и его мощность определяется характеристикой генератора.

При токах I_гмин и I_гмакс мощность, потребляемая генератором, равна свободной мощности дизеля. При I_гмин<I_г<I_гмин она при постоянной угловой скорости превышает номинальную мощность последнего. Если при этом регулятор дизеля будет увеличивать подачу топлива, реализуемая мощность будет соответствовать линии С'F'В' (см. рис. 5.20б), но по условию, номинальная мощность является предельной, ее превышение недопустимо. Поэтому на регуляторе дизеля должен быть предусмотрен упор, не позволяющий увеличивать мощность выше номинальной, что является обязательным условием при генераторе с выпуклой характеристикой. Таким образом, в рассматриваемом диапазоне токов нагрузки, охватывающем практически весь диапазон работы дизель-генератора при движении поезда, регулятор дизеля бездействует, и режим работы дизель-генератора определяется саморегулированием.

В рассмотренных системах возбуждения магнитный поток и момент генератора увеличиваются с повышением угловой скорости. При токе I_гмин по условию

М_г=М_{д ном} ,

где М_дном – момент, передаваемый дизелем на вал генератора при номинальной мощности.

Следовательно, линия QC" (рис. 5.21) момента генератора должна проходить через точку С" номинального режима (М_дном,n_дном) дизеля.

Если ток генератора увеличивается, мощность, потребляемая им при номинальной угловой скорости, повышается по линии С'F'В' (см. рис. 5.20б) и пропорционально ей растет момент генератора при той же угловой скорости, т. е. характеристика момента перемещается вверх. Форма и наклон ее могут при этом несколько измениться, но это не имеет существенного значения. Наибольшая величина момента (точка F") соответствует наибольшему значению мощности (точка F') при токе I_г1 и неизменной угловой скорости n_дном.

В результате перегрузки дизеля его угловая скорость начинает уменьшаться, при n_д1 момент генератора вновь становится равным моменту дизеля и наступает новый установившийся режим работы, соответствующий точкам К (см. рис. 5.20а), К' (см. рис. 5.20б) и К'' (см. рис. 5.21). При дальнейшем увеличении тока отклонение мощности, момента и угловой скорости уменьшаются. При токе I_гмакс характеристика генератора опять пересекает характеристику дизеля в точке С". Вследствие уменьшения угловой скорости при неизменной подаче топлива реализуемая мощность дизеля снижается и зависимость мощности дизеля от тока при совместной работе дизеля и генератора изображается линией А₁'В'К'С'D₁′ (см. рис. 5.20б). Реализуемая характеристика Е_г(I_г) генератора соответствует линии А₁BKCD₁ Она имеет форму, более близкую к гиперболе, чем внутренняя характеристика при постоянной скорости, и расположена ниже линии постоянной мощности.

Совместная работа дизель-генератора при ограниченной подаче топлива и выпуклой внутренней характеристике генератора стала возможной вследствие того, что линия RF" момента генератора пересекла характеристику дизеля. Если бы момент генератора не зависел от угловой скорости или линия RF" была бы столь пологой, что не пересекла бы характеристики дизеля, то при увеличении тока более I_гмин угловая скорость продолжала бы снижаться до остановки дизеля. Таким образом, возможность работы дизель-генератора без регуляторов зависит от взаимного расположения характеристик двигателя и генератора.

Свойство агрегата приходить к установившемуся режиму без принудительного регулирования называется в теории автоматического регулирования самовыравниванием, или саморегулированием.

Задача повышения использования полной мощности при саморегулировании заключается в уменьшении наибольшего отклонения угловой скорости Δn_д1 которое можно осуществить двумя способами:

1. Увеличением крутизны кривой М_г(n_д). Для этого при одинаковой внешней характеристике и, следовательно, неизменном максимальном отклонении F"С" (рис. 1.78) момента генератора нужно изменять последний не по линии С"Q, а, например, по линии С"Q₁; т. е. увеличить коэффициент саморегулирования. Тогда отклонение угловой скорости составит Δn_д2;

2. Уменьшением максимального отклонения момента при I_г1,например до С"L" вместо С"F". Для этой цели необходимо изменить форму характеристики Е_г(I_г) генератора. Например, характеристика MBLCN (см. рис. 5.20а) обеспечивает использование полной мощности для тех же пределов изменения тока генератора, как и характеристика А₁BFCD₁, но превышение L'G' мощности при номинальной скорости и соответствующее превышение L"С" момента генератора над номинальными меньше, чем в предыдущем варианте. Подбором степени магнитного насыщения и параметров обмоток можно, в частности, ограничить наибольшее отклонение угловой скорости равным Δn_д2.

В большинстве систем саморегулирования используются оба эти способа. По терминологии теории автоматического регулирования первый способ является использованием собственно саморегулирования путем увеличения коэффициента саморегулирования. Второй способ может быть назван компенсацией возмущения, так как заключается в уменьшении отклонений момента генератора, вызываемых внешним возмущением — изменением тока нагрузки. Гиперболическая характеристика зависимости магнитного потока генератора от тока нагрузки является условием полной компенсации возмущений по току нагрузки, так как при этом момент генератора остается постоянным при изменении тока.

Характер зависимостей Е_г(I_г) и М_г(n_д) существенно влияет и на другие параметры работы теплового двигателя.

При рассмотренных выше характеристиках генератора А₁BFCD₁ (см. рис. 1.77а) и C"Q (см. рис. 5.21) дизель работает в диапазоне угловых скоростей от n_д1до n_дпо своей внешней характеристике, т. е. при полной подаче топлива. Для некоторых тепловозных дизелей работа с полной подачей топлива при значительном снижении угловой скорости недопустима вследствие уменьшения давления наддува и других причин.

При характеристике момента генератора C"Q₁ площадь C"Q₁R₁F" охватывает все режимы теплового двигателя, которые могут быть реализованы при данном генераторе. При такой характеристике дизель даже при самых малых нагрузках вынужден работать с высокой угловой скоростью. Это может вызвать повышенный износ деталей дизеля (подшипников, шатунов, поршневых колец и т. д.).

Если область возможных моментов генератора изображается площадью C"QR F", то в отношении износа дизеля такая характеристика более благоприятна, так как частичные нагрузки реализуются при пониженных угловых скоростях. Если линия наибольшей экономичности дизеля соответствует линии TS, то область работы дизеля в данном примере располагается более близко к ней, чем при генераторе с характеристикой C"Q₁ и поэтому работа дизеля при пониженной мощности более экономична.

При сравнении между собой внешних характеристик А₁BFCD₁ и MBLCN (рис. 5.20) легко заметить, что первая является более благоприятной в отношении пусковых характеристик, так как ток генератора, а, следовательно, и пусковая сила тяги меньше изменяются при изменении напряжения генератора. Она благоприятнее также и по более четкому ограничению максимального тока и напряжения.

Отсюда следует, что при выборе характеристик генератора, зависящих от выбора системы возбуждения, параметров обмоток и насыщения магнитной цепи последних, следует учитывать характеристики и особенности работы дизеля, назначение и условия работы локомотива.