Лекция 13
На тепловозах для основного регулирования генератора — получения гиперболической внешней характеристики — используются возбудители с расщепленными полюсами. Регулирование производится за счет обратной связи по току генератора и изменения параметров (насыщения магнитной цепи) возбудителя. Кроме того, в схеме возбудителя предусмотрена внутренняя обратная связь по его напряжению.
Введение дополнительных обратных связей позволяет использовать эти возбудители также для автоматического регулирования мощности дизеля и ограничения тока генератора. Такая система была применена на тепловозах ТЭЗ.
Возбудители имеют две магнитные системы. В одной из них (ненасыщенной) магнитный поток в рабочем диапазоне практически постоянен, а в другой (насыщенной) изменяется по величине и направлению в зависимости от тока генератора. Насыщение второй системы происходит вследствие наличия в магнитной цепи участков с малым поперечным сечением (магнитных мостиков). Э. д. с. возбудителя определяется алгебраической суммой магнитных потоков обеих систем.
Г - якорь главного генератора; НГ - обмотка возбуждения главного генератора; ДП - обмотка дополнительных полюсов; В - якорь возбудителя; обмотки возбуждения возбудителя: ΗВ - независимая, ШВ - параллельная, ДВ - дифференциальная, KB - последовательная; Uвг - напряжение вспомогательного генератора
Рисунок 13.1 - Принципиальная схема возбуждения генератора на тепловозе ТЭЗ
В тепловозных схемах используются два типа машин этого рода — возбудители с радиальным и продольным расщеплением полюсов. В возбудителях первого типа магнитные системы разделены по окружности машины, в возбудителях второго типа — вдоль ее длины.
Возбудитель с радиальным расщеплением полюсов типа ВТ-275/120, представляет собой шестиполюсную машину, имеющую мощность 10 кВт, напряжение 107 В, ток 95 А, скорость вращения 850—1800 об/мин. Два противоположно расположенных полюса возбудителя образуют насыщенную магнитную систему, остальные четыре— ненасыщенную. На ненасыщенных полюсах уложена независимая обмотка возбуждения НВ, которая питается от вспомогательного генератора (рис. 13.1). Ток этой обмотки не зависит от режима работы главного генератора. Следовательно, магнитный поток, создаваемый ею, имеет постоянную величину. Кроме того, на этих полюсах размещены последовательная обмотка KB, компенсирующая действие реакции якоря, и дополнительные обмотки для автоматического регулирования мощности дизеля и ограничения тока генератора (на рис. 13.1 не показаны).
НВ — независимая; ШВ — параллельная; ДВ—дифференциальная; KB — последовательная
Рисунок 13.2 - Схема размещения обмоток возбуждения возбудителя с радиальным расщеплением полюсов
На насыщенных полюсах расположена параллельная обмотка возбуждения ШВ и дифференциальная обмотка ДВ, подключенная параллельно обмотке дополнительных полюсов ДП главного генератора Г. Ток в обмотке ДВ пропорционален току генератора и составляет от него 2—3%. Н. с. параллельной и дифференциальной обмоток направлены противоположно, и величина магнитного потока насыщенных полюсов определяется их разностью. Якорь возбудителя В питает обмотку возбуждения генератора НГ. Принципиальная схема размещения обмоток возбуждения на полюсах возбудителя приведена на рис. 13.2.
При малых значениях тока генератора напряжение возбудителя достигает максимальной величины. Следовательно параллельная обмотка создает наибольшую н.с. и, так как н.с. дифференциальной обмотки мала, магнитные мостики насыщаются. Обмотки ШВ и ДВ включены так, что при этом образуется шестиполюсная магнитная система (рис. 13.3 а).
а — при малом токе генератора; б — при большом токе генератора
Рисунок 13.3 Магнитная цепь возбудителя с радиальным расщеплением полюсов:
На рис. 13.4 представлена зависимость магнитного потока насыщенной системы Ф̋ от тока генератора Iг. При увеличении тока генератора магнитный поток за счет размагничивающего действия дифференциальной обмотки вначале изменяется медленно (участок I). В точке а магнитный мостик размагничивается и поток при дальнейшем увеличении тока генератора изменяется практически по прямолинейному закону (участок II). Этому способствует также уменьшение тока и намагничивающей силы параллельной обмотки вследствие уменьшения напряжения возбудителя. В точке А н.с. параллельной и дифференциальной обмоток взаимно уравновешиваются, а при дальнейшем увеличении тока генератора магнитный поток Ф̋ изменяет направление. В точке б магнитные мостики снова насыщаются и изменение магнитного потока замедляется (участок III). После изменения направления магнитного потока Ф̋ возбудитель по существу превращается в двухполюсную машину (рис.13.3, б).
Рисунок 13.4 Изменение магнитного потока насыщенной системы возбудителя с радиальным расщеплением полюсов
Зависимость напряжения возбудителя от тока генератора при разных частотах вращения показана на рис. 13.5.
Рисунок 13.5 - Зависимость напряжения возбудителя тепловоза ТЭЗ от тока генератора
Возбудитель аналогичного типа применен на тепловозах ЧМЭ3. Он имеет два ненасыщенных и два насыщенных полюса.
На тепловозах ТЭМ2 и ТЭМ4 используются четырехполюсные возбудители с продольным расщеплением полюсов типа МВТ-25/9 с номинальными данными 5,6 кВт, 75 В, 75 А, 2000 об/мин.
Каждый полюс этого возбудителя разделен вдоль оси на две неравные части. На одной из них (будем называть ее насыщенной) находятся магнитные мостики в виде вырезов на сердечнике и стальные пластины между сердечником и станиной (рис. 13.6). Возбудитель имеет две обмотки возбуждения. Одна из них — основная ОВ — охватывает обе части полюса, другая — дифференциальная ДВ — расположена на насыщенной части полюса. Намагничивающие силы этих сбмоток направлены в противоположные стороны.
ОВ —основная обмотка; ДВ —дифференциальная обмотка
Рисунок 13.6 - Магнитная цепь возбудителя с продольным расщеплением полюсов
Наконечники двух частей полюса разделены латунной прокладкой. Соответственно сердечник якоря разделен на две части пакетом латунных листов. Из принципиальной схемы возбудителя генератора тепловозов ТЭМ2 (рис. 13.7) видно, что основная обмотка ОВ питается от двух источников: вспомогательного генератора ВГ, дающего постоянное напряжение, и якоря самого возбудителя В. Эта обмотка выполняет одновременно функции независимой и параллельной обмоток. Дифференциальная обмотка ДВ включена последовательно в силовую цепь главного генератора Г.
Г - якорь главного генератора; ΗΓ- его обмотка возбуждения; ДП—обмотка дополнительных полюсов; ВГ— вспомогательный генератор; В—якорь возбудителя; ОВ - основная обмотка возбуждения; ДВ - дифференциальная обмотка; r1 и r2 - настроечные сопротивления
Рисунок 13.7 Принципиальная схема возбуждения генератора на тепловозах ТЭМ2
При малых токах генератора, когда н. с. дифференциальной обмотки мала, магнитные мостики намагничиваются потоком, создаваемым основной обмоткой. С увеличением тока генератора н. с. дифференциальной обмотки сначала размагничивает, а потом перемагничивает насыщенную часть полюса. Соответственно сначала уменьшается, а затем изменяет направление магнитный поток, проникающий из этой части полюса в якорь. При больших токах генератора эта часть полюса снова насыщается, и при дальнейшем увеличении тока генератора поток насыщенной системы изменяется мало.
В первом приближении можно считать, что э. д. с. в обмотке якоря наводится двумя независимыми потоками. Один из них Φʹ (см. рис. 13.6) создается н. с. основной обмотки и замыкается по ненасыщенной части полюса, другой Ф̋- создается разностью н. с. основной и дифференциальной обмоток и проходит по насыщенной части полюса. При малых токах генератора второй поток совпадает по направлению с первым, при больших токах потоки имеют противоположное направление. Следует отметить, что взаимное влияние насыщенной и ненасыщенной систем в этом возбудителе значительно больше, чем в возбудителе с радиальным расщеплением полюсов.
На тепловозах ТЭ10 и ТЭП60 применено автоматическое регулирование возбуждения главного генератора посредством системы магнитных усилителей — амплистата. Возбудителем в этой системе является трехфазный синхронный генератор повышенной частоты (400 гц). Переменный ток регулируется амплистатом, выпрямляется полупроводниковыми выпрямителями и подается на обмотку возбуждения генератора.
Синхронный возбудитель типа ГСВ-20 (рис. 13.8) имеет мощность 20 кВт при скорости вращения вала 1500 об/мин (на 15-й позиции контроллера), напряжение 230 В, ток 63 А при cos φ = 0,8. Обмотка статора соединена по схеме звезда с выведенным нулем. Обмотка возбуждения расположена на роторе и питается через два контактных кольца. Для уменьшения потерь на вихревые токи статор изготовлен из электротехнической стали с толщиной листов 0,35 мм, ротор — из стали с толщиной листов 1 мм. Привод возбудителя производится от дизеля, через клиноременную передачу. К возбудителю присоединена машина постоянного тока, используемая в качестве тахогенератора.
1 и 4 — подшипниковые щиты; 2 — ротор; 3 — остов; 5 — обмотка статора; 6 —обмотка возбуждения; 7 — вентилятор; S — тахогенератор; 9 — контактные кольца; 10 — щеткодержатели
Рисунок 13.8 - Синхронный возбудитель ГСВ-20 тепловозов ТЭ10 и ТЭП60:
Как известно, при постоянном токе возбуждения синхронный генератор имеет падающую характеристику, т. е. при увеличении тока статора его напряжение уменьшается. По условиям работы амплистата напряжение на его зажимах должно быть постоянным. Чтобы удовлетворить указанное требование, ток возбуждения возбудителя при увеличении его нагрузки (тока возбуждения генератора) должен увеличиваться. Для этого обмотка возбуждения возбудителя, кроме питания от постоянного напряжения вспомогательного генератора, получает подпитку, пропорциональную току возбуждения главного-генератора, через специальный магнитный усилитель. Эту систему принято называть узлом коррекции.
В табл. приведены сравнительные данные возбудителей. В качестве номинальной мощности для всех машин принята мощность, соответствующая началу гиперболической части внешней характеристики главного генератора, при максимальной скорости дизеля.
1 В числителе — под ненасыщенной частью полюса, а в знаменателе—под насыщенной частью· максимальные значения).
Возбудители с радиальным расщеплением полюсов имеют следующие преимущества по сравнению с возбудителями с продольным расщеплением:
1) значительно меньшие значения машинной постоянной и, следовательно, меньшие размеры и вес;
2) более простую и удобную в изготовлении конструкцию магнитной системы;
3) более простой и точный метод расчета характеристик;
4) большую гибкость при настройке системы в процессе испытаний и в эксплуатации.
Расчеты, произведенные по данным возбудителей МВТ-25/9 и ВТ-275/120, показали, что недостатком возбудителя с радиальным расщеплением полюсов является более сильное, чем при продольном расщеплении, влияние колебания напряжения вспомогательного генератора на работу системы. При надежной работе системы регулирования вспомогательного генератора этот недостаток не имеет существенного значения.
Таким образом, возбудитель с радиальным расщеплением полюсов значительно лучше удовлетворяет требованиям автоматического регулирования тепловоза, чем возбудитель с продольным расщеплением.
Общим недостатком возбудителей с расщепленными полюсами является сравнительно невысокая точность регулирования. Нужная характеристика главного генератора обеспечивается за счет изменения параметров магнитной цепи возбудителя и, следовательно, в большой степени зависит от точности сборки возбудителя, магнитных свойств стали, температуры обмоток возбуждения.