САР генератора
САР генератора
Каждая из САР или ее узлов может иметь различную структуру, состоять из различных по конструкции и принципу действия элементов, выполнять все или часть из рассмотренных выше операций по регулированию. Поэтому для САР, применяемых в теплоэлектрическом подвижном составе, характерно большое разнообразие как по выполнению отдельных систем или их узлов, так и по сочетанию их между собой. Кроме того, как указывалось, нередко САР используются совместно с некоторыми системами саморегулирования.
Из многочисленных САР, применяемых в теплоэлектрическом подвижном составе рассмотрим
САР электромашинного регулирования по угловой скорости генератора (тахометрическая схема).
В системе возбуждения генератора сочетается саморегулирование при помощи возбудителя с радиально расщепленными полюсами (рис. 5.19) и система автоматического регулирования, позволяющая повысить использование мощности дизеля и улучшить пусковые характеристики тепловоза.
Цепи САР включают в себя: G –тяговый генератор; L1 – независимая обмотка возбуждения генератора; РН – регулятор напряжения; G1 – вспомогательный генератор; G2, G3 – тахогенераторы; G4 – возбудитель; L41…L46 – обмотки возбуждения возбудителя; VD1, VD2 – диоды.
Рекомендуемые материалы
Кроме обмоток возбуждения L43…L46, назначением которых является изменение магнитного потока генератора для создания характеристики, близкой к гиперболе, в возбудителе предусмотрены на ненасыщенных полюсах обмотки L41 и L42. Обмотка L41 служит для повышения использования мощности дизеля путем автоматического регулирования по его угловой скорости. Она действует согласно с независимой обмоткой L43. Обмотка L42 предназначена для автоматического регулирования пускового тока генератора, и ее н.с. направлена навстречу н.с. обмотки L43.
Рассмотрим сначала работу узла регулирования мощности (АРМ), считая ток в обмотке L42 равным нулю. Обмотка L41 включена на разность напряжений тахогенератора G2, приводимого от вала двигатель-генератора, и вспомогательного генератора G1. Регулятор напряжения РН поддерживает постоянным напряжение UG1 вспомогательного генератора.
Сопротивление в цепи независимой обмотки возбудителя подобрано так, что при отсутствии тока в обмотке L41 генератор не может полностью нагрузить тепловой двигатель. Сопротивление R1 в цепи обмотки возбуждения тахогенератора G2 подобрано таким образом, что при максимальной угловой скорости, поддерживаемой регулятором теплового двигателя, ток в регулирующей обмотке достигает максимально допустимого значения. Это значение, соответствующее максимальному возбуждению возбудителя и сохраняется неизменным, пока момент сопротивления генератора меньше свободного момента теплового двигателя при максимальной подаче топлива. При этом действует регулятор теплового двигателя, поддерживая постоянную угловую скорость его и меняя подачу топлива в зависимости от момента генератора. Когда шток регулятора достигает положения упора, дальнейшее повышение момента вызывает снижение угловой скорости. При этом резко уменьшается ток регулирующей обмотки L41 и новое равновесие между моментом теплового двигателя и генератора восстанавливается при некотором снижении угловой скорости. Наоборот, уменьшение момента генератора или увеличение свободного момента теплового двигателя (например, вследствие выключения части вспомогательной нагрузки) повышает угловую скорость, в результате возрастает момент генератора. Таким образом, схема поддерживает приблизительно постоянную угловую скорость путем изменения возбуждения возбудителя.
В схеме отсутствует регулятор генератора как самостоятельный аппарат, и поэтому она может быть отнесена к системам саморегулирования. Однако по своим характеристикам и динамическим свойствам она может быть причислена к замкнутым системам раздельного регулирования. Узел схемы, состоящий из тахогенератора G2, вспомогательного генератора G1 и регулирующей обмотки L41, может рассматриваться как регулятор прямого действия. В регуляторе имеется элемент сравнения, состоящий из тахогенератора, измеряющего угловую скорость и являющегося измерительным органом, и вспомогательного генератора, напряжение которого определяет величину угловой скорости, поддерживаемой регулирующим устройством, и который, следовательно, может рассматриваться как задающий орган. В качестве исполнительного органа служит регулирующая обмотка L41 возбудителя, изменяющая его магнитный поток, являющийся регулирующим параметром.
Диод VD1 защищает цепь АРМ от повышенного тока при снижении угловой скорости дизеля.
Для цепи регулирующей обмотки при установившемся режиме справедливо равенство
EG2=ce G2ФG2ω=UG1+i L41(RL41+RG2)+u1, (8.1)
де ЕG2, ФG2 – э. д. с. и магнитный поток тахогенератора; RL41 — сопротивление регулирующей обмотки; RG2 – сопротивление цепи якоря тахогенератора G2 (вместе с соединительными проводами узла АРМ); и1– падение напряжения в диоде VD1 и на щетках тахогенератора.
Изменение тока в обмотке РВ является результатом отклонения угловой скорости и ЭДС тахогенератора. В установившемся режиме ток должен достигнуть величины, при которой момент генератора Мг становится равным свободному моменту теплового двигателя Мд.
В свою очередь угловая скорость устанавливается в соответствии с равенством (8.1) в зависимости от тока регулирующей обмотки. При отклонениях Мд или Мг изменяется iрв, при этом изменяются падения напряжения в цепи регулирующей обмотки, а следовательно, и угловая скорость двигатель-генератора. Таким образом, регулирование угловой скорости является статическим.
Изменение тока в обмотке L41 является результатом отклонения угловой скорости и ЭДС тахогенератора G2. В установившемся режиме ток должен достигнуть величины, при которой момент генератора Мг становится равным свободному моменту теплового двигателя Мд.
В свою очередь угловая скорость устанавливается в зависимости от тока регулирующей обмотки. При отклонениях Мд или Мг изменяется iL41, при этом изменяются падения напряжения в цепи регулирующей обмотки и угловая скорость двигатель-генератора. Таким образом, регулирование угловой скорости является статическим.
Ток в регулирующей обмотке L41 устанавливается в процессе регулирования таким, чтобы момент сопротивления генератора при любом его значении был равен свободному моменту дизеля.
Узел АРМ, как и регулятор теплового двигателя, является регулятором угловой скорости дизель-генератора. Однако цели их применения различны. Регулятор теплового двигателя поддерживает постоянную угловую скорость при изменении развиваемой генератором мощности и устанавливает подачу топлива в соответствии с последней, т. е. режим дизеля определяется режимом генератора. Регулятор генератора имеет целью обеспечить полное использование мощности дизеля путем изменения возбуждения генератора при неизменной подаче топлива, причем мощность, потребляемая генератором, определяется величиной свободной мощности, передаваемой от дизеля на вал генератора. Наличие двух отдельных регуляторов, поддерживающих одну величину, вызывает необходимость строгого разграничения областей их работы и взаимной настройки.
Регулятор дизеля должен действовать, пока генератор не может полностью нагрузить его из-за ограничения по напряжению. Для возможно большего использования мощности дизеля целесообразно обеспечить при этом наибольшее допустимое возбуждение генератора. Следовательно, в области тока нагрузки от 0 до Iгмин нужно посредством изменения тока возбуждения тахогенератора G2 установить наибольший ток регулирующей обмотки. Так как в этой области угловая скорость поддерживается постоянной, ток регулирующей обмотки не изменяется, т.е. регулятор генератора не действует.
Для того чтобы регулятор генератора выполнял свое назначение – поддерживал (с той или иной точностью) постоянный режим работы дизеля, необходимо постоянство подачи топлива. Для этого нужно, чтобы в области Iг>Iгмин магнитный поток тягового генератора при максимальном значении тока регулирующей обмотки и любых условиях (нагретые обмотки возбуждения и т. п.) был больше потока, соответствующего наибольшему свободному моменту дизеля. Тогда при Iг>Iгмин регулирующий орган дизеля достигает положения упора. Дальнейшее увеличение тока нагрузки приводит к перегрузке дизеля, его угловая скорость снижается, в результате чего ток регулирующей обмотки уменьшается до тех пор, пока момент генератора не станет равным свободному моменту дизеля. Система возбуждения возбудителя при отключенной обмотке L41 должна настраиваться так, чтобы при всех условиях магнитный поток генератора был меньше потока, соответствующего минимальному свободному моменту дизеля. Это нужно для того, чтобы ток в обмотке РВ был всегда больше нуля.
При заданном напряжении вспомогательного генератора настройка регулятора генератора на определенную угловую скорость может осуществляться посредством изменения тока возбуждения тахогенератора.
Если регулятор теплового двигателя вследствие неправильной настройки или нарушения ее в эксплуатации поддерживает не номинальную угловую скорость, а меньшую, то максимальный ток L41 уменьшится и дизель может оказаться недогруженным. Необходимость взаимной настройки и опасность нарушения ее являются существенным недостатком схемы.
Обмотка L42 узла регулирования пускового тока (АРТ) включена на разность напряжения Uc, пропорционального току нагрузки, и напряжения тахогенератора G3. В тепловозах ТЭЗ и ТЭ7 узел АРТ включен на суммарное падение напряжения в обмотках возбуждения одной группы тяговых двигателей и в обмотке дополнительных полюсов генератора.
Узел регулирования пускового тока приходит в действие, когда входное напряжение Uс становится больше ЭДС тахогенератора G3 (см. рис. 8.1). Возбуждение тахогенератора G3 устанавливается так, чтобы при номинальной угловой скорости двигатель-генератора ЭДС тахогенератора равнялась входному напряжению Uс при токе тяговых двигателей, близком к предельному по условиям сцепления колес с рельсами или коммутации генератора. При токе в силовой цепи, меньшем этого значения и называемым током отсечки, в цепи тахогенератора G3 протекает незначительный ток, равный обратному току вентиля VD2. При превышении тока отсечки в обмотке L42 появляется ток iL42.
При установившемся режиме для цепи обмотки ПВ справедливо уравнение
Uc=IгRс=ЕG3+u2+iL42(RL42+RG3), (8.2)
где Rс – эквивалентное сопротивление участка силовой цепи, с которого снимается напряжение; u2 – падение напряжения на диоде VD2 и под щётками G3; RL42 – сопротивление обмотки L42 и соединительных проводов; RG3 – сопротивление цепи якоря G3.
При увеличении Uс растет ток iL42, что вызывает уменьшение напряжения на зажимах возбудителя и генератора.
Ток в обмотке L42 достигает максимального значения при трогании поезда, когда ЭДС тяговых двигателей равна нулю и напряжение генератора равно падению напряжения в силовой цепи (линия ОА на рис. 8.2). При разгоне поезда ток генератора уменьшается. В результате снижается ток iL42 и увеличивается напряжение генератора по кривой АВ. При iL42 = 0 размагничивающее действие обмотки L42 прекращается, что соответствует выходу на характеристику полной мощности двигатель-генератора (точка В).
Желательно, чтобы сила тяги в процессе пуска не изменялась, для чего необходимо сохранение постоянного значения тока генератора. Точное выполнение этого условия затрудняется тем, что для повышения напряжения генератора требуется снижение тока iL42, следствием чего будет уменьшение членов правой части равенства (8.2), в то время как для уменьшения отклонения тока генератора при пуске необходимо добиваться их постоянства. Для этой цели элементы цепи следует выполнять с минимальным сопротивлением.
Увеличение сопротивления Rс и ЭДС ЕG3 уменьшает относительное влияние отклонения переменных членов правой части, а также и отклонение пускового тока.
Возможна также компенсация изменения падений напряжения в цепи АРТ обратным по знаку изменением ЭДС тахогенератора G3. Для этой цели в тахогенераторе предусмотрена последовательная обмотка возбуждения, действующая навстречу независимой, и возможность поворота щеток.
Вам также может быть полезна лекция "Неудачи в избавлении от комплексов".
Особенностью данной схемы является автоматическое изменение тока отсечки без всяких переключений в схеме при отклонениях угловой скорости двигатель-генератора. Ток отсечки, т.е. ток начала действия узла АРТ,
.
ЭДС тахогенератора изменяется пропорционально угловой скорости и ток отсечки, следовательно, также пропорционален ей. Поэтому при повороте рукоятки контроллера одновременно с увеличением мощности теплового двигателя растет пусковой ток и ускорение поезда, устанавливающиеся в результате работы узла АРТ. Статизм регулирования с понижением угловой скорости возрастает в связи с относительным увеличением влияния переменных членов. Поэтому пусковые характеристики генератора с понижением угловой скорости делаются более пологими.
Существенным недостатком схемы АРТ является зависимость тока отсечки от температуры обмоток, с которых снимается входное напряжение Uс, в связи с изменением их сопротивления. Кроме того, вследствие гистерезиса в магнитных цепях тахогенератора G3 и возбудителя ток отсечки при увеличении напряжения генератора (во время пуска поезда) больше, чем ток отсечки при снижении напряжения (ограничение тока).
Рассмотренная схема решает задачу полного использования мощности теплового двигателя, регулирования пускового тока и ограничения максимального тока. Пусковая сила тяги изменяется в зависимости от угловой скорости двигатель-генератора без всяких переключений. Режимы работы двигатель-генератора при частичных нагрузках определяются характеристиками возбудителя с расщепленными полюсами (см. главу IV).
Достоинством схемы является ее простота и значительный запас устойчивости. В случае неисправности в узле АРМ он может быть отключен. Наличие возбудителя с расщепленными полюсами обеспечивает возможность удовлетворительной работы тепловоза, но с пониженным использованием мощности.
