Действие регулятора напряжения

Якорь вспомогательного генера­тора, обеспечивающего питание всех низковольтных потребителей тепло­воза, получает привод от коленчатого вала дизеля, частота вращения кото­рого меняется в диапазоне 350 — 750 об/мин. Электродвижущую силу Е, индуцируемую в обмотке якоря гене­ратора, определяют по формуле зако­на электромагнитной индукции:

 

Е = СеФ n, (1)

где Се — постоянная величина, завися­щая от конструктивного выполнения ма­шины; Ф — магнитный поток генератора; n — частота вращения якоря.

Так как частота вращения якоря вспомогательного генератора меняет­ся в зависимости от позиции контрол­лера, то может измениться и значение э.д.с. Е.

Напряжение U на зажимах вспомо­гательного генератора зависит как от э.д.с. Е, так и от тока нагрузки, т. е. от количества и мощности подключен­ных к генератору потребителей:

 

U = Е - IR _Я, (2)

 

где I — ток нагрузки машины; R_Я — со­противление обмотки якоря.

Например, включение электро­двигателя МВХ привода вентилятора холодильника вспомогательного кон­тура мощностью 7,5 кВт (при мощно­сти самого вспомогательного генератора 14,4 кВт) может значительно сни­зить напряжение вспомогательною генератора, так как ток нагрузки это­го электродвигателя достигает 80 А.

Однако колебание напряжения на зажимах вспомогательного генерато­ра приводило бы к нежелательным яв­лениям. Например, изменение напря­жения в цепях освещения тепловоза значительно сокращает срок службы ламп; понижение напряжения в цепях управления может вызвать отключе­ние аппаратов, а повышение напряже­ния — перегрев катушек их приводов. Такой потребитель, как аккумуляторная батарея, требует для нормальной зарядки постоянства подводимого на­пряжения. Следует также учитывать, что одним из потребителей вспомога­тельного генератора является незави­симая обмотка возбуждения возбуди­теля. От величины тока, протекающе­го по этой обмотке, зависит мощность тягового генератора, а значит, и сила тяги тепловоза. Вот почему необходи­мым условием нормальной работы электрооборудования тепловоза явля­ется постоянство напряжения вспомо­гательного генератора, которое обеспечивается автоматически специаль­ным аппаратом — регулятором на­пряжения.

Из формулы (2) видно, что регули­ровать напряжение U генератора по­стоянного тока можно только за счет э.д.с. Е, определяемой по формуле (1). При переменной частоте вращения якоря n влиять на э.д.с. Е можно толь­ко изменением магнитного потока Ф. который зависит от числа витков об­мотки возбуждения генератора и тока в ней. Работа тепловозных регулято­ров напряжения сводится к тому, что они автоматически меняют ток в об­мотке возбуждения вспомогательного генератора обратно пропорционально изменению напряжения на его зажи­мах. На тепловозе ЧМЭЗ применен контактный регулятор типа RGD221. поддерживающий напряжение на за­жимах вспомогательного генератора 115 В во всем диапазоне частот вра­щения коленчатого вала и при любой нагрузке.

Регулятор напряжения (рис. 175) имеете с резисторами и конденсатора­ми смонтирован на двух текстолито­вых панелях А и Б, укрепленных в аппаратной камере тепловоза. Основ­ными узлами регулятора являются чувствительный элемент и контакт­ная система. Чувствительный эле­мент, предназначенный для автомати­ческого контроля за напряжением вспомогательного генератора, состоит из двух катушек, магнитопровода и регулировочной пружины. Неподвиж­ная катушка 25 надета на стальной цилиндрический сердечник 23, ввер­нутый в ярмо 22 и дополнительно за­стопоренный винтом 24. Катушка 25 выполнена из изолированного медно­го провода диаметром 0,63 мм и имеет 2100 витков. Концы катушки присое­динены к зажимам 153 и 155, располо­женным в нижней части панели Б (на рис. 175 все зажимы обозначены номе­рами присоединяемых к ним прово­дов).

П-образное ярмо 22 отлито из чу­гуна и укреплено на правой панели Б гремя винтами 26. В торце ярма сдела­но сквозное отверстие с резьбой М20 под сердечник, а с противоположной стороны в приливе ярма расточено отверстие диаметром 65 мм, через кото­рое проходит выступающий конец сердечника 23 диаметром 42 мм. В кольцевом воздушном зазоре а между ярмом и свободным концом сердечни­ка находится подвижная катушка 1, намотанная на латунный каркас из изолированного медного провода диа­метром 0,53 мм и имеющая 500 витков. Один конец подвижной катушки при­паян к каркасу 2, а другой соединен гибкой перемычкой с зажимом 154. Последовательное соединение по­движной 1 и неподвижной 25 катушек обеспечивается медной пластиной 27, прикрепленной к тыльной стороне па­нели зажимом 155 и одним из трех винтов 26.

Каркас 2 подвижной катушки при­соединен к нижнему концу якоря 3, изготовленного из двух латунных пла­стин, каждая из которых представляет собой фигурный двуплечий рычаг. Осью якоря служит стержень 4 квад­ратного сечения, концы которого опи­раются на вкладыши 5, установлен­ные в выступах б ярма. Стержень 4 зафиксирован от смещения и поворота двумя винтами 30 (М4), ввернутыми в латунные планки 31, которые при­креплены к ярму двумя винтами.

Над стержнем 4 расположен квад­ратный стержень 6, предназначенный для соединения якоря с регулировоч­ной пружиной 18. Один конец пружи­ны соединен с крюком 7, надетым на стержень 6, а другой — со специаль­ной гайкой 19, в которую ввернут ре­гулировочный болт 21 (М6), проходя­щий через отверстие диаметром 7 мм в выступе в ярма. После регулировки аппарата на стенде положение болта 21 фиксируют двумя контргайками 20. Стержни 4 и 6 стянуты между собой четырьмя сухарями 32 и двумя винта­ми 33 (М4). Для ограничения поворота якоря на каркасе подвижной катушки укреплен латунный стержень 34 диа­метром 5 мм, входящий в прямоуголь­ный вырез латунной пластины 29, прикрепленной к ярму.

Контактная система регулятора позволяет менять ток в обмотке па­раллельного возбуждения вспомога­тельного генератора за счет изменения сопротивления в ее цепи. Система состоит из пары подвижных и двух пар неподвижных контактов, имеющих цилиндрическую форму. Подвижные контакты 13 прикреплены винтами к латунному держателю 9, который сое­динен четырьмя винтами с верхним концом якоря, но изолирован от него двумя текстолитовыми колодочками 8. С обеих сторон от подвижных кон­тактов расположены левые 12 и пра­вые 14 неподвижные контакты. Они закреплены на латунных цилиндриче­ских стержнях г, проходящих через разрезные латунные держатели 10 и 17.

Каждый держатель имеет хвосто­вик д с резьбой М8 для крепления к изоляционной панели. Такая конструкция позволяет регулировать поло­жение неподвижных контактов.

Установку неподвижных контак­тов начинают с фиксации правых кон­тактов 14. Контакты расположены правильно, если при упоре в них по­движных контактов 13 стержень 34 смещен от центра прямоугольного вы­реза пластины 29 на 1,5 мм влево. Ле­вые неподвижные контакты 12 долж­ны быть установлены так, чтобы зазор между ними и подвижными контакта­ми 13 был равен 2,5 мм.

Подвижный контакт 13 выполнен комбинированным, т. е. левая его часть представляет цилиндр е из электрографитированного угля, а правая часть — металлокерамическую на­кладку ж. Левые неподвижные кон­такты 12 изготовлены из бронзы и имеют металлокерамические наклад­ки ж, а правые неподвижные контакты 14 угольные. Таким образом, при виб­рации подвижных контактов происхо­дит соприкосновение контактных по­верхностей, изготовленных из разных материалов, что уменьшает их износ. Наибольший допустимый износ пра­вых неподвижных контактов 8 мм, ле­вых — 2 мм, а подвижных — 3,5 мм.

В верхней части панели Б укрепле­ны два распределительных резистора 11 и 16 (на рис. 174 они обозначены R2912 и R2911) и два конденсатора 15 (СЗ и С4). В нижней части панели ус­тановлен резистор 28 (R27), концы ко­торого соединены гибкими перемыч­ками с зажимами 155 и 162 (зажим 162 укреплен на панели над чувствитель­ным элементом регулятора). На левой панели А установлены шесть резисто­ров (R23,~ R24, R25, R26/1, R26/2 и R28) и шунт амперметра А2. В нижней части панели расположена рейка (клеммник) РШ2 с восемью зажимами, используемыми для подключения ре­зисторов в схему регулятора. Монтаж­ная схема регулятора напряжения да­на на рис. 176.

Неподвижная НК и подвижная ПК катушки регулятора (см. рис. 174) под­ключены параллельно обмотке якоря вспомогательного генератора через резисторы R24 и R23. Если пренебречь изменением сопротивления катушек и резисторов вследствие их нагрева, то можно считать, что сила тока в катуш­ках зависит только от напряжения на зажимах вспомогательного генерато­ра. Такие катушки, называемые ка­тушками напряжения, являются чув­ствительным элементом регулятора. Они должны преобразовывать элект­рическую энергию, получаемую от вспомогательного генератора, в меха­ническую, используемую для передви­жения подвижных контактов. Преоб­разование электрической энергии в механическую осуществляется по принципу использования электромаг­нитной силы, действующей на провод­ник в магнитном поле.

Подвижную катушку 1 (см. рис. 175) можно рассматривать как проводник с током, который находится в магнит­ном поле, создаваемом неподвижной катушкой 25. При одинаковом на­правлении тока в катушках электро­магнитная сила, направление которой определяется по правилу левой руки, вызывает перемещение подвижной катушки в сторону неподвижной (на рис. 175 направление этого перемеще­ния показано стрелками А). Так как стержень 4 якоря расположен над ка­тушкой 1, то эта сила стремится по­вернуть якорь 3 против часовой стрел­ки, т. е. переместить подвижные кон­такты 13 в сторону левых неподвиж­ных контактов 12.

Электромагнитной силе противо­действует сила регулировочной пру­жины 18, точка приложения которой выше оси поворота якоря. При обесто­ченных катушках регулятора пружи­на, работающая на растяжение, пово­рачивает якорь по часовой стрелке так, что подвижные контакты прижи­маются к правым неподвижным. Именно при таком положении контак­тов вспомогательный генератор по­лучает первоначальное возбуждение от аккумуляторной батареи.

В процессе пуска дизеля на зажи­мах вспомогательного генератора по­является напряжение, и ток от «плю­са» ВГ (см. рис. 174) начинает течь по проводу 150, через резистор R24, про­вод 153, неподвижную НК и подвиж­ную ПК катушки, провод 154, рези­стор R23 и по проводу 101 уходит на "минус" ВГ. По окончании пуска вспо­могательный генератор переходит на самовозбуждение, причем если напря­жение на его зажимах меньше 115 В, то положение контактов регулятора не меняется, т. е. ток в обмотку воз­буждения ВГ поступает через те же резисторы, что и при первоначальном возбуждении от батареи. В этом случае ток возбуждения наи­больший, так как в цепь возбуждения введено наименьшее общее сопротив­ление.

При возрастании напряжения на зажимах вспомогательного генерато­ра до 115 В ток в катушках регулятора увеличивается настолько, что элект­ромагнитная сила преодолевает уси­лие пружины и отсоединяет подвиж­ные контакты от правых неподвиж­ных. Теперь ток в обмотку возбужде­ния ВГ поступает только через резистор R26, т. е. общее сопротивле­ние в цепи возбуждения ВГ увеличи­вается. Соответственно уменьшаются ток возбуждения, магнитный поток и напряжение на зажимах вспомога­тельного генератора. Ток в катушках регулятора РН также уменьшается, электромагнитная сила снижается, и пружина возвращает якорь регулято­ра в первоначальное положение, т. е. подвижные контакты снова прижима­ются к правым неподвижным. В даль­нейшем этот процесс многократно по­вторяется. Следовательно, при работе дизеля с малой или средней частотой вращения коленчатого вала (позиции 0-4) подвижные контакты регулято­ра РН вибрируют возле правых непод­вижных контактов.

При увеличении частоты враще­ния коленчатого вала, а следователь­но, и напряжения на зажимах ВГ элек­тромагнитная сила взаимодействия катушек возрастает настолько, что якорь регулятора перемещается в крайнее левое положение, при кото­ром подвижные контакты прижима­ются к левым неподвижным контак­там. Теперь после протекания по ре­зистору R26 меньшая часть тока на­правляется в обмотку возбуждения ВГ, а большая часть от зажима 162 через подвижные и левые неподвиж­ные контакты, провода 159 и 160, ре­зистор R29/2, провод 161, резистор R28 и провод 101 уходит на «минус» вспомогательного генератора. Ток возбуждения ВГ уменьшается, напря­жение на его зажимах снижается. При дальнейшей работе дизеля с большой частотой вращения коленчатого вала подвижные контакты регулятора виб­рируют возле левых неподвижных контактов.

Работа регулятора осложняется тем, что обмотка возбуждения (че­тыре последовательно соединенные катушки главных полюсов, имеющие по 800 витков) обладает значительной индуктивностью, так как создаваемый обмоткой переменный магнитный по­ток, пронизывая витки катушек, наво­дит в них э.д.с. самоиндукции. По из­вестному закону Ленца эта э.д.с. име­ет такое направление, при котором она препятствует изменению вызвав­шего ее тока, т. е. индуктивность об­мотки возбуждения ВГ не позволяет мгновенно изменить ток возбуждения при передвижении контактов регуля­тора.

Следовательно, индуктивность об­мотки возбуждения ВГ задерживает изменение напряжения вспомогатель­ного генератора и тока в катушках чувствительного элемента, т. е. уменьшает частоту вибрации контак­тов, увеличивая этим амплитуду ко­лебаний напряжения ВГ, что, разуме­ется, нежелательно. Для увеличения частоты вибрации контактов с целью поддержания постоянного напряже­ния на зажимах вспомогательного ге­нератора регулятор оснащен обратной связью, роль которой выполняет рези­стор R27 на 1000 Ом, включенный между зажимами 162 и 155.

Изменение положения подвижных контактов регулятора (а значит, и из­менение схемы включения резисторов в цепи возбуждения ВГ) приводит к мгновенному изменению потенциала на зажиме 162 (начало обмотки воз­буждения ВГ). От значения этого по­тенциала зависят направление и сила тока в резисторе R27. Если потенци­ал на зажиме 162 больше потенциала на зажиме 155, то ток через резистор R27 протекает от точки б к точке а, т. е. идет подпитка подвижной катуш­ки ПК, увеличивающая электромаг­нитную силу взаимодействия кату­шек. Когда же потенциал на зажиме 162 становится меньше потенциала на зажиме 155, то ток в подвижной ка­тушке уменьшается за счет частичной утечки его через резистор R27 (от точ­ки а к точке б), т. е. электромагнитная сила взаимодействия катушек ослабе­вает.

При правом положении подвиж­ных контактов потенциал на зажиме 162 наибольший (примерно 68 В). На зажиме 155 потенциал несколько меньше (примерно 62 В). За счет раз­ности потенциалов подвижная катуш­ка получает незначительную подпит­ку, которая помогает катушкам НК и ПК при достижении напряжения на зажимах ВГ 115 В переместить кон­такты в среднее положение. Новое по­ложение контактов мгновенно умень­шает потенциал на зажиме 162 при­мерно до 41 В, что приводит к измене­нию направления тока в резисторе R27. За счет частичной утечки тока через этот резистор уменьшается ток в подвижной катушке, в результате чего пружина возвращает контакты в первоначальное положение.

Таким образом, обратная связь по­зволяет чувствительному элементу регулятора реагировать на изменение положения контактов, а не на измене­ние напряжения ВГ, увеличивая тем самым частоту вибрации контактов, что необходимо для поддержания по­стоянного напряжения на зажимах вспомогательного генератора.

Для уменьшения искрения между контактами, вызванного высокой час­тотой вибрации, используются кон­денсаторы СЗ и С4 емкостью 4 мкФ каждый. Конденсатор СЗ подключен параллельно правым неподвижным и подвижным контактам. При размыка­нии контактов конденсатор заряжает­ся, ослабляя электрическую дугу меж­ду контактами. Когда контакты замы­каются, конденсатор разряжается, подготавливаясь к очередному циклу работы. Конденсатор С4, работающий аналогично, подключен параллельно подвижным и левым неподвижным контактам.

Выше указывалось, что регулятор напряжения должен поддерживать на­пряжение на зажимах вспомогатель­ного генератора в пределах 115i| В. При больших отклонениях регулятор снимают с тепловоза и производят на­стройку на стенде. Предварительно катушки НК и ПК прогревают в тече­ние 30 мин. Натяжение пружины регу­лятора регулируют на стенде так, что­бы при токе в катушках 0,7 А подвиж­ные контакты занимали среднее поло­жение, при токе 0,68 А упирались в правые неподвижные, а при токе 0,72 А — в левые неподвижные кон­такты. При ремонтах восстанавлива­ют воздушный зазор между контакта­ми перемещением неподвижных кон­тактов в держателях.