Тепловозов бесконтактных аппаратов

· Стабилитрон – это специальный тип полупроводникового диода, кото-рый при включении в обратном направлении может длительно работать в режи-ме электрического пробоя р-п – перехода и обеспечивать при изменении обратного тока постоянное напряжение на своих зажимах.

 

Рис. 1. Условное графическое обозначение стабилитрона (а) и

его вольт-амперная характеристика (б).

При приложении к стабилитрону как в прямом, так и в обратном направлениях напряжения меньшего, чем напряжение пробоя, стабилитрон ничем не отличается от лавинных вентилей.

Прямая вольт-амперной характеристики стабилитрона (Рис.1) ничем не отличается от характеристики обычного кремниевого диода. При определенном напряжении обратный ток резко возрастает, происходит лавинный пробой
р-п – перехода. Максимальное значение тока стабилизации определяется макси-мально допустимой температурой нагрева стабилитрона.

Основными параметрами кремниевых стабилитронов являются:

- номинальное напряжение и номинальный ток стабилизации;

- допустимая мощность рассеяния;

- динамическое сопротивление;

- температурный коэффициент напряжения стабилизации.

В электрических аппаратах для стабилизации напряжения один или несколько последовательно соединенных стабилитронов включаются параллельно нагрузке. Кроме того, стабилитроны используются в качестве чувствительного элемента, реагирующего на изменение напряжения. В этом случае стабилитрон включается последовательно с катушкой аппарата (прибора). Если подведенное напряжение меньше напряжения стабилизации, стабилитрон закрыт и в цепи прибора тока нет. Когда напряжение превысит напряжение стабилизации, стабилитрон начнет пропускать ток.

· Транзистор – это полупроводниковый прибор с электронно-дырочны-ми переходами, имеющими три или более выводов и позволяющий осущест-вить усиление и генерирование электрических сигналов, а также коммутацию электрических цепей.

 

Рис. 2. Структуры областей кристалла транзисторов и условные

графические обозначения их:

а) – транзисторы типа р-п-р; б) - транзисторы типа п-р-п;

Э – эмиттер; К - коллектор; Б – база.

Транзистор состоит из трех смежных областей (Рис. 2), разделенных переходами. Среднюю область, образованную полупроводником с преимущест-венно электронным или дырочным типом проводимости, называют базой (осно-ванием).

К базе с двух сторон примыкают области с противоположным типом проводимости. Крайняя область, являющаяся источником неосновных носителей зарядов для базы, называется эмиттером. Электронно-дырочный переход меж-ду эмиттером и базой называют эмиттерным. Вторая крайняя область, которая изымает из базы неосновные носители зарядов, называется коллектором. Электронно-дырочный переход между коллектором и базой называется коллекторным.

Если база обладает электронной проводимостью, то транзистор имеет
тип р-п-р; если база обладает дырочной проводимостью, то транзистор имеет тип п-р-п. Направление тока и полярность внешних источников напряжения для этих типов транзисторов противоположные.

Транзисторы могут работать в трех режимах:

- активный, когда один из р-п -переходов закрыт, а второй открыт;

- отсечки, когда оба перехода закрыты и через транзистор проходит малый обратный ток;

- насыщения, когда оба перехода открыты и через транзистор идет большой ток.

Активный режим используют при работе транзистора в устройствах усиления и генерирования электрических колебаний, а два других – при применении транзистора в ключевом режиме в качестве коммутирующего элемента электрических цепей.

 

Рис. 3. Общий вид транзистора:

1 – коллекторный вывод; 2 – изоляционная втулка; 3 – корпус; 4 – гибкий электрод; 5 – кристалл германия; 6 – гибкий электрод; 7 – основание; 8 – базовый вывод; 9 – вывод эмиттера.

На рис. 3 показан транзистор, состоящий из корпуса 3, в котором создан вакуум или он заполнен инертным газом. Кристалл германия 5 крепят на теплоотводящем основании 7 и соединяют гибким электродом 4 с коллекторным выводом 1, проходящим через изоляционную втулку 2. Аналогично выполнен вывод эмиттера 9 с гибким электродом 6 и базовый вывод 8.

Наличие трех выводов у транзисторов обуславливает три возможные схемы включения. В зависимости от того, какой из электродов является общим, схемы называются с общей базой, с общим коллектором, с общим эмиттером.

Наиболее распространенной и применяемой в тепловозных аппаратах является схема с общим эмиттером, как дающая наибольшее усиление по току и мщности. При этой схеме напряжение питания подводится к цепи эмиттер-коллектор, соединенной последовательно с нагрузкой R н, напряжение управления тиристором U эб подводится к переходу эмиттер-база. Таким образом напряжение управления транзистором U эб или ток базы I б являются для транзистора входным сигналом, который управляет током выхода I к.

· Тиристор – представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий четырехслойную структуру р-п-р-п с тремя р-п – переходами и одним управляющим электродом (Рис. 4). Характеристика тиристора близка к характеристике идеального ключа, он может находиться в одном из двух возможных состояний: запертом, когда сопротивление его очень велико (сотни килоом), и открытом, при котором сопротивление его незначительно (сотые доли ома). Эти свойства, а также высокий к.п.д., быстродействие, высокая надежность, постоянная готовность к работе и малые удельные габариты позволяют считаь такие приборы наиболее перспективными коммутирующими устройствами.

 

 

 

Рис. 4. Структура областей кристалла тиристора (а) и условное

графическое обозначение его (б):

А – анод; К – катод; У – управляющий электрод.

Крайняя р -область тиристора называется анодом А, крайняя п -область – катодом К, средние области называются базой. К аноду подсоединяется положительный полюс источника тока, к катоду – отрицательный. Управляющий электрод Y подсоединяется к базе с р -проводимостью.

Включение тиристоров с помощью управляющего электрода позволяет осущесвить фазовое регулирование длительности протекания тока в рабочую область периода переменного напряжения, прикладываемого к цепи анод – катод тиристора, и коммутировать большие мощности в анодной цепи путем воздействия управляющими сигналами малой мощности.

Для перевода тиристора в отключенное состояние необходимо снизить прямой анодный ток до значения меньшего тока удержания. При использовании тиристоров в цепях переменного тока запирание тиристора происходит автоматически в каждый период после приложения обратного напряжения.

В цепях постоянного тока для отключения тиристора используются схемы искусственного принудительного запирания тиристоров с помощью встречного напряжения.

· Магнитный усилитель (МУ ) – так называется бесконтактный электромагнитный аппарат, позволяющий плавно изменять переменный ток за счет изменения индуктивного сопротивления катушки с ферромагнитным сердечником. Магнитные усилители делятся на простые (без обратной связи), с обратной связью и релейные.

 

Рис. 5. Схема простого магнитного усилителя:

ОУ – обмотка управления; ОР1 и ОР2 – рабочие обмотки; R _Н – резистор в цепи рабочих обмоток; U ~ - напряжение питания; I _Н – ток в цепи рабочих обмоток.

Простой МУ включает в себя два сердечника из ферромагнитных материалов (Рис. 5) и обмотки переменного и постоянного тока. Обмотки переменного тока принято называть рабочими обмотками ОР1 и ОР2, они имеют одинаковое число витков и включены встречно; обмотки постоянного тока – обмотками управления ОУ. Обмотка управления охватывает оба сердечника и получает питание от источника постоянного тока. Ток рабочей обмотки является выходным сигналом. Питание рабочей цепи производится от источника переменного тока. Принцип действия МУ основан на использовании свойства насыщения ферромагнитного сердечника. Уровнем насыщения сердечника можно управлять, изменяя подмагничивание его постоянным током I у. При этом будут изменяться выходные параметры: ток I р и напряжение U р.

Две рабочие обмотки МУ имеют равное число витков и включены встречно для того, чтобы э.д.с. от рабочих обмоток друг друга компенсировал.

Основными параметрами МУ являются коэффициенты усиления тока и мощности. Коэффициент усиления тока есть отношение изменения рабочего тока к соответствующему изменению тока управления.

Коэффициент усиления мощности есть отношение выходной мощности рабочего тока к мощности, потребляемой обмотками управления.

· Магнитный усилитель с обратной связью. Эти усилители применяются для получения больших значений коэффициентов усиления по мощности.

Обратной связью называется воздействие управляемой величины на вход системы управления. В магнитном усилителе (МУ) обратной связью (ОС) является использование выходного выпрямленного тока рабочих обмоток I р для его подмагничивания.

По техническому исполнениюобратной связи ОС различают магнитные усилители МУ с внешней, внутренней и смежной обратной связью.

Внешняя связь выполняется при помощи отдельной обмотки. В зависимо-сти от способа включения обмотки ОС различают схемы МУ с обратной связью по току и напряжению. Действие внешней обратной связи можно изменять при помощи резистора с переменным сопротивлением.

 

 

Рис. 6. Схема магнитного усилителя с выходом на постоянном токе:

а) – с внешней обратной связью; б) – с внутренней обратной связью; ОУ - обмотка управления; ОР1 и ОР2 – рабочие обмотки; ОС – обмотки обратной связи; R _Н – резистор нагрузки; R _ОС – резистор обратной связи; U ~ - напряжение питания рабочих обмоток.

Внутренняя обратная связь ОС осуществляется действием выпрямленного выходного тока, протекающего по рабочим обмоткам. В этом случае рабочие обмотки соединяются с двухполупериодным мостовым выпрямителем. При такой схеме усилителя в каждой рабочей обмотке ток проходит только в одном направлении (Рис. 6).

Создаваемый при этом в каждом сердечнике магнитный поток будет складываться с магнитным потоком обмотки управления, усиливая подмагничивание сердечника. В результате получается двойное последовательное усиление: подав в обмотку управления входной сигнал малой мощности, получим на выходе МУ выходной сигнал большей мощности. Этот возросший выходной ток в рабочих обмотках вызывает дополнительное подмагничивание сердечника, сопровождаемое еще бóльшим возрастанием выходного сигнала. Магнитный усилитель с внутренней обратной связью называют магнитным усилителем с самоподмагничиванием. Магнитный усилитель с самоподмагничиванием и выходом постоянного тока называют амплистатом.

· Амплистат возбуждения – регулирует ток возбуждения тягового гене-ратора в зависимости от тока нагрузки и напряжения тягового генератора, частоты его вращения и мощности дизель генераторной установки.

Амплистат АВ-3А (Рис. 7) представляет собой МУ с внутренней обратной связью и питанием от источника переменного тока с выходом на постоянном токе. Сердечник амплистата набран из П-образных с уширенным ярмом холоднокатанной электротехнической стали и стягивается угольниками. На каждом сердечнике располагается по одной рабочей обмотке. Четыре обмотки подмагничивания: управляющая ОУ, задающая ОЗ, регулировочная ОР и стабилизирующая ОС охватывают оба магнитных сердечника. Катушки залиты эпоксидным компаундом.

 

Рис. 7. Амплистат возбуждения типа АВ-3А:

Н1, К1, Н2, К2 – начало и конец рабочих обмоток; НС и КС – начало и конец стабилизирующей обмотки; НЗ и КЗ – начало и конец задающей обмотки; НР и КР – начало и конец регулирующей обмотки; НУ и КУ – начало и конец управляющей обмотки.

Задающая обмотка ОЗ получает питание от бесконтактного тахометрического блока и создает основную положительную магнитодвижущую силу (м.д.с.). Таким образом, магнитодвижущая сила (м.д.с.) задающейобмотки ОЗ пропорциональна частоте вращения вала дизель-генератора и благодаря этому осуществляется автоматическое управление тяговым генератором по частоте вращения.

Управляющая обмотка получает питание через селективный узел от цепей рабочих обмоток трансформаторов постоянного тока ТПТ и постоянного напряжения ТПН. Ток в ней зависит от тока и напряжения тягового генератора. С помощью этой обмотки осуществляется автоматическое управление тяговым генератором по току и напряжению.

Регулировочная обмотка ОР служит для дополнительного автоматического управления дизель-генератором по мощности.

Магнитодвижущая сила обмотки Fор направлена согласно м.д.с. задающей обмотки. В цепь регулировочной обмотки включен индуктивный датчик, который управляет объединенным регулятором. Ток в регулировочной обратно пропорционален нагрузке дизеля.

В стабилизирующей обмотке ОС ток протекает от стабилизирующего трансформатора только при переходных процессах, например при изменении позиций контроллера. Магнитодвижущая сила этой обмотки F ор увеличивает или уменьшает подмагничивание амплистата, осуществляя гибкую обратную связь по напряжению возбудителя.

· Трансформаторы. На тепловозах трансформаторы служат для измерения тока и напряжения, а также для питания различных цепей. По назначению их можно разделить на трансформаторы измерительные, распределительные и стабилизирующие.

Трансформаторы постоянного тока (ТПТ) служат для измерения тока тяговых электродвигателей и подачи на управляющую обмотку амплистата сигнала, пропорционального току тягового генератора. Принцип работы трансформатора постоянного тока такой же, как и магнитного усилителя без обратной связи. Индуктивное сопротивление рабочих обмоток изменяется под влиянием подмагничивания обмотки управления (на тепловозах управляющей обмоткой являются силовые кабели, по которым протекает тяговых электродвигателей. При увеличении тока ТЭД степень насыщения сердечников увеличивается, индуктивное сопротивление рабочей обмотки уменьшается, а ток в рабочей цепи трансформатора увеличивается, т.е. ток в рабочей цепи трансформатора постоянного тока пропорционален току тяговых электродвигателей.

Трансформаторы постоянного напряжения (ТПН) служат для измерения напряжения тягового генератора. Трансформатор ТПТ состоит из двух тороидальных сердечников из железоникелевого сплава, на каждом из которых рабочая обмотка. Рабочие обмотки соединены между собой встречно. Управляющей обмоткой служат силовые кабели, пропущенные через центральное отверстие трансформатора. Сердечники трансформатора с обмотками и шпильками залиты эпоксидным компаундом. Рабочие обмотки соединены встречно. Управляющая обмотка намотана на оба сердечника. Обмотки, сердечники и шпильки залиты эпоксидным компаундом.

Принцип работы трансформатора постоянного напряжения основан на изменении индуктивного сопротивления рабочих обмоток под влиянием подмагничивания обмотки управления. При увеличении напряжения тягового генератора степень насыщения сердечников увеличивается, индуктивное сопротивление рабочих обмоток уменьшается, а ток в рабочей цепи трансформатора постоянного напряжения пропорционален напряжению тягового генератора.

Распределительные трансформаторы предназначены для преобразования и распределения переменного напряжения и питания различных цепей.

Трансформатор стабилизирующий улучшает динамические характеристики системы возбуждения тепловоза. Первичная обмотка через резистор включена на напряжение возбудителя, а от вторичной получает питание стабилизирующая обмотка амплистата. Стабилизирующий трансформатор подает питание на стабилизирующую обмотку амплистата только при переходных про-цессах. При быстром нарастании напряжения возбудителя в амплистат подается отрицательный сигнал, и скорость нарастания напряжения уменьшается. При резком снижении напряжения возбудителя в амплистат подается положительный сигнал, и скорость снижения напряжения уменьшается.

· Бесконтактный тахометрический блок – служит для получения выходных напряжений, пропорциональных частоте вращения коленчатого вала дизеля. На тепловозах 2ТЭ10Л, 2ТЭ10М устанавливаются бесконтактные тахометрические блоки БА-420, а на тепловозах 2ТЭ116 – БА-430.

 

Рис. 8. Схема соединений блоков БА-430.

Конструктивно оба блока идентичны (Рис 8) и состоят из насыщающего трансформатора Тр1, компенсирующего трансформатора Тр2, выпрямительного моста В, сглаживающего фильтра и резистора R, размещенных в металлическом корпусе. Насыщающий трансформатор имеет кольцевой сердечник из пермаллоя, компенсирующий – кольцевой сердечник из альсифера. Обмотки трансформаторов залиты эпоксидным компаундом. Выпрямительный мост состоит из четырех кремниевых диодов, закрепленных в алюминиевых радиаторах. Сглаживающий фильтр состоит из дросселя на Ш-образном сердечнике и электролитического конденсатора.

· Индуктивный датчик – служит для изменения тока в регулировочной обмотке амплистата. На тепловозах 2ТЭ10Л, 2ТЭ10В применен индуктивный датчик ИД-10, на тепловозах 2ТЭ10М – ИД-31, на тепловозах 2ТЭ1116 – ИД-20 или ИД-32.

Индуктивный датчик состоит из магнитопровода образованного корпусом 1 и фланцами 4, и якоря 5. В магнитопровод помещена катушка 2, намотаннвя на прессованный каркас. Выводы катушки припаяны к контактам штепсельного разъема 6. Якорь 5 соединен со штоком сервомотора объединенного регулятора дизеля.

 

 

 

Рис. 9. Датчики индуктивные ИД-20 (а) и ИД-32 (б):

1 – корпус; 2 – катушки; 3 – заливочный компаунд; 4 – фланец; 5 – якорь; 6 – штепсельный разъем.

При увеличении нагрузки дизеля поршень сервомотора ОРД перемещается так, что якорь индуктивного датчика вдвигается в катушку. В результате полное сопротивление индуктивного датчика увеличивается, и ток в цепи регулировочной обмотки амплистата уменьшается. При уменьшении нагрузки дизеля поршень сервомотора ОРД перемещается так, что якорь индуктивного дат-чика выдвигается из катушки. В результате полное сопротивление индуктивного датчика уменьшается, и ток в цепи регулировочной обмотки амплистата увеличивается.

В связи с тем, что индуктивное сопротивление катушки датчика намного больше активного, ток в регулировочной обмотке не зависит от позиции контроллера, а зависит только от положения якоря в катушке.

· Панели и блоки выпрямителей – используются в схеме электропередачи как выпрямительные мосты, стабилизирующие цепочки, сглаживающие фильтры и т.д.

Блок выпрямителей кремниевых типа БВК-450 применен на тепловозах 2ТЭ10В, 2ТЭ10М. Блок состоит из изоляционной панели на которой установлены радиаторы с закрепленными на них полупроводниковыми диодами. Панель с находящимися на ней элементами прикреплена к уголкам съемной кассеты вставленной в корпус. Выводы от полупроводниковых диодов выполнены проводами припаянными к колодкам штепсельного разъема.

 

 

Рис. 10. Блок выпрямителей кремниевых типа БВК-450:

1 – панель изоляционная; 2 – диод; 3 – радиатор; 4 – кассета; 5 – корпус; 6 – блок; 7 – вставка штепсельного разъема; 8 – колодка штепсельного разъема; 9 – соединительные провода.

Панель выпрямителей кремниевых ПВК-6040 установлена на тепловозе 2ТЭ10Л. Онасостоит из двух выпрямительных мостов, один из которых предназначен для создания положительной обратной связи и выпрямления выходного тока амплистата возбуждения, питающего обмотку возбуждения возбудителя тягового генератора; второй – для выпрямления входного тока, питающего регулировочную обмотку амплистата возбуждения.

Выпрямительные мосты панели одинаковы и состоят из кремниевых вентилей, закрепленных на панели с помощью контактных планок. К планкам винтами крепятся выводные провода, вторые концы которых припаяны к зажимам колодок штепсельных разъемов.

 

 

Рис. 11. Панель выпрямителей кремниевых типа БВК-6040:

1 – панель изоляционная; 2 – выводные провода; 3, 4 – контактные планки; 5 – вентиль кремниевый; 6 – винт; 7 – колодка штепсельного разъема; 8 – вставка штепсельного разъема.

Блок диодов сравнения БВ-1203 установлен на тепловозах 2ТЭ10Л, 2ТЭ10М и 2ТЭ116. Назначение – блока выделение наибольшего сигнала пары боксующего и небоксующего тяговых электродвигателей тепловоза в схеме с жесткими динамическими характеристиками. Блок БВ-1203 представляет собой набор выпрямителей, соединенных по мостовой шестифазной схеме, работающих на общую нагрузку. Конструкция блока разборная металлическая, состоит из дна, крышки и двух крепящих винтов. На дно устанавливается изоляционная панель с элементами схемы. К электрической цепи тепловоза блок подсоединяется с помощью штепсельного разъема.

Блоки выпрямителей кремниевых тепловоза 2ТЭ116: С; БВК-220А; БВК-250; БВК-320; БВК-1020.

Блок БВК-140 – предназначен для выпрямления тока коррекции и стабилизации работы электропередачи. Блок БВК-140 конструктивно аналогичен блоку БВК-450. На панели установлены диоды, конденсаторы и резисторы.

Блок БВК-220А – предназначен для выпрямления тока в цепи индуктивного датчика и трансформатора постоянного напряжения Блок БВК-220А конструктивно аналогичен блоку БВК-450. На панели расположены диоды, конденсаторы и стабилитроны.

Блок БВК-250 является выпрямителем в цепи трансформатора тока и селективного узла. По конструкции он аналогичен блоку БВК-450.

Блок БВК-320 имеет такое же функциональное назначение, что и блок БВК-250, а конструктивно аналогичен блоку БВК-450. Выпрямительнве мосты с конденсатором устанавливаются в цепях трансформаторов постояного тока. Диоды устанавливаются в цепях селективного узла.

Блок выпрямителей БВК-1012 – предназначен для управления питанием обмотки возбуждения тягового генератора тепловоза. Блок представляет собой металлический шкаф, внутри которого смонтированы управляемый выпрямитель (УВВ) и диод заряда батареи (ДЗБ). Блок состоит из корпуса, закрываемого дверью с замком со съемной ручкой. Внутри корпуса на изоляционных панелях установлены силовые диоды и тиристоры. Радиаторы диодов и тиристоров размещены в воздушном канале, смонтированном в корпусе блока. Нормальная работа блока обеспечивается при принудительном охлаждении со скоростью воздуха не менее 10 м/с.

· Выпрямительная установка УВКТ-5. На тепловозах применяется выпрямительная установка УВКТ-5 на кремниевых лавинных вентиля, которая состоит из одного щкафа с вентилями. Электрическая схема представляет собой два параллельно соединенных трехфазных моста, питаемых от синхронного генератора СГ, статорные обмотки которого сдвинуты на 30º эл.

 

 

Рис. 12. Принципиальная электрическая схема выпрямительной

установки УВКТ-5.

Каждое плечо моста ВУ состоит из 10 параллельно соединенных ветвей, в каждой из которых по два последовательно соединенных вентиля. Конструкция ВУ допускает двустороннее обслуживание. На каждой стороне ВУ размещен один трехфазный мост. Вентили собраны в отдельные блоки с охладителями по 8 шт. Все блоки съемные, что обеспечивает возможность очистки воздушного канала и смену охладителей.