Индуктивный датчик ИД предназначен для связи
системы автоматического регулирования с регулятором дизеля. Он
представляет собой катушку с подвижным стальным сердечником. Если этот
сердечник выдвигать из катушки, то по мере выдвижения сердечника
уменьшается индуктивное сопротивление катушки и увеличивается ток через
катушку.
Последовательно с катушкой ИД включен выпрямительный мост В2, нагрузкой
которого служат резистор СОР и обмотка подмагничивания амплистата ОР
(регулировочная обмотка). Если увеличивается ток через катушку ИД, то
увеличивается и ток в обмотке ОР амплистата.
Рассмотрим работу электропередачи совместно с системой автоматического
регулирования, считая, что сердечник индуктивного датчика выдвинут, а
затем отдельно рассмотрим воздействие регулятора дизеля через
индуктивный датчик на систему автоматического регулирования. Для
удобства примем условно, что при разгоне и движении тепловоза рукоятка
контроллера установлена на XV (последнюю) позицию и коленчатый вал
дизеля имеет частоту вращения 750 об/мин.
После включения контактора КВ получает питание от вспомогательного
генератора ГВ обмотка возбуждения ОВСПВ синхронного под-возбудителя СПВ
и подвозбудитель подает переменное напряжение на блок задающего
устройства БЗУ и распределительный трансформатор ТР. От
распределительного трансформатора ТР получают питание амплистат А,
трансформаторы ТПТ и ТПН и цепь индуктивного датчика ИД. Блок БЗУ,
работа которого будет рассмотрена ниже, подает постоянный ток
Iоз в обмотку подмагничивания амплистата 03
(задающая обмотка).
Совместное действие задающей и регулировочной
обмоток вызывает полное насыщение амплистата (см. рис. 86) и начинает
увеличиваться ток в обмотке возбуждения возбудителя ОВВ.
После включения контакторов 1КП — 6КП включается контактор возбуждения
генератора КГ и под действием напряжения возбудителя начинает нарастать
ток возбуждения генератора. Поскольку тепловоз стоит, то ток генератора
и тяговых двигателей быстро увеличивается. Увеличение тока генератора
вызывает подмагничивание сердечников трансформатора ТПТ и ток выхода ТПТ
быстро растет. Напряжение генератора при остановленном тепловозе мало,
поэтому ток выхода трансформатора постоянного напряжения также мал.
Ток выхода трансформатора ТПТ разветвляется в две параллельные цепи:
часть тока идет по резистору СБТТ селективного узла, а часть тока
выпрямляется мостом ВЗ и течет по обмотке подмагничивания амплистата ОУ
(обмотка управления) и резистору СОУ. Падение напряжения от тока выхода
ТПТ на обмотке управления ОУ и резисторе СОУ в момент трогания
значительно больше, чем падение напряжения от тока выхода трансформатора
ТПН на резисторе селективного узла СБТН. Поэтому выпрямительный мост В4
не пропускает ток выхода ТПН в цепь обмотки управления. В результате
этого весь ток ТПН течет по резистору СБТН, а по обмотке управления
течет ток от трансформатора ТПТ, пропорциональный току генератора.
Намагничивающая сила обмотки управления I0yw07 направлена встречно
намагничивающей силе задающей и регулировочной обмоток, и,
следовательно, размагничивает сердечники амплистата. При этом
уменьшается ток выхода амплистата, а следовательно, напряжение
возбудителя, ток возбуждения генератора и напряжение генератора. Когда
ток генератора увеличивается до максимально допустимой величины (для
генератора тепловоза ТЭП60 эта величина составляет €000—6600 А), то
намагничивающая сила обмотки управления становится настолько больше
суммарной намагничивающей силы задающей и регулировочной обмоток, что
ток выхода амплистата приближается к своей минимальной величине (точка г
на рис. 86). При этом соответственно уменьшается ток возбуждения
генератора и напряжение генератора. Однако ток выхода амплистата не
может стать меньше, чем ток в точке в характеристики, и при этом ток
возбуждения генератора и напряжение генератора могут оказаться
достаточными для дальнейшего увеличения тока генератора
сверхмаксимальной величины. Чтобы этого не произошло, необходимо
уменьшить напряжение возбудителя. Для снижения напряжения возбудитель
снабжен небольшой размагничивающей обмоткой возбуждения ОВВР.
Размагничивающая обмотка ОВВР получает питание от вспомогательного
генератора через регулировочный резистор СВВ и действует встречно
обмотке возбуждения возбудителя ОВВ. Ее действия достаточно, чтобы при
минимальном токе выхода амплистата обеспечить ток возбуждения
генератора, практически равный нулю, и тем самым предотвратить
недопустимое увеличение тока генератора при стоящем тепловозе. Таким
образом, при остановленном тепловозе напряжение генератора под действием
системы автоматического регулирования падает настолько, что при токе
генера-
тора 6000—6600 А оно равно падению напряжения на
обмотках якоря и возбуждения тяговых двигателей и на соединительных
кабелях (точка А на рис. 83). Под действием возникшего тягового усилия
тепловоз начинает двигаться.
Противо-э. д. с., возникающая в тяговых двигателях, стремится уменьшить
ток генератора. Но уменьшение тока генератора вызывает уменьшение тока
выхода трансформатора постоянного тока ТПТ, а следовательно, и
уменьшение намагничивающей силы обмотки управления амплистата.
Вследствие этого ток выхода амплистата растет, растет напряжение
генератора, что в свою очередь препятствует уменьшению тока генератора.
Так как амплистат имеет большой коэффициент усиления, то даже небольшое
снижение тока генератора вызывает значительное увеличение тока выхода
амплистата и напряжения генератора.
Следовательно, при трогании тепловоза система автоматического
регулирования работает как регулятор тока генератора, обеспечивая
ограничение максимального тока генератора. Поэтому трогание происходит
при практически постоянной величине тока генератора и тягового усилия
тепловоза.
Увеличение напряжения генератора в процессе разгона тепловоза вызывает
увеличение тока выхода трансформатора постоянного напряжения ТПН и
падения напряжения на резисторе СБТН. Одновременно с увеличением
напряжения растет и мощность, потребляемая генератором от дизеля. Когда
напряжение генератора достигнет величины, соответствующей точке Б на
внешней характеристике генератора, дизель будет отдавать свою
номинальную мощность. Величина сопротивления резистора СБТН рассчитана
таким образом, что в этот момент падение напряжения на нем становится
равным падению напряжения на резисторе СОУ и обмотке управления от тока
трансформатора ТПТ. Дальнейший разгон тепловоза сопровождается ростом
напряжения, выпрямительный мост В4 отпирается и начинает пропускать в
обмотку управления часть тока от трансформатора ТПН. Ток в обмотке
управления в этом режиме складывается из части тока трансформатора ТПН и
части тока трансформатора ТПТ, т. е. пропорционален сумме тока и
напряжения генератора.
Вследствие того что по мере разгона тепловоза продолжает увеличиваться
противо- э. д. с. тяговых двигателей и расти напряжение генератора, то
доля тока от трансформатора ТПТ в обмотке управления падает, а доля тока
от трансформатора ТПН растет. Система автоматического регулирования в
этом режиме поддерживает практически постоянной сумму тока и напряжения
генератора, а внешняя характеристика генератора имеет соответственно вид
наклонной прямой (см. участок БВГ, рис. 83). Когда напряжение генератора
вследствие разгона увеличится до максимально допустимой величины (точка
Г), то ток выхода трансформатора ТПН увеличивается настолько, что
падение напряжения от тока выхода ТПН на резисторе СОУ и обмотке
управления становится несколько больше, чем падение напряжения от всего
тока выхода ТПТ на резисторе СБТТ\ поэтому выпрямительный мост ВЗ
запирается, и в обмотке управления течет
только ток от трансформатора ТПН. В этом режиме ток
выхода амплистата, а следовательно, и ток возбуждения генератора имеют
максимальную величину.
Если скорость движения тепловоза продолжает увеличиваться, то ток
генератора падает и напряжение несколько возрастает, но поскольку
одновременно увеличивается ток в обмотке управления, то ток возбуждения
уменьшается, препятствуя росту напряжения. Таким образом, в области
малых токов генератора система автоматического регулирования
ограничивает максимальное напряжение генератора.
Система автоматического регулирования обеспечивает при постоянном токе в
регулировочной обмотке следующие режимы генератора: поддерживает
постоянный ток генератора при трогании, поддерживает постоянное
напряжение генератора при максимальной скорости движения тепловоза,
поддерживает постоянной сумму напряжения и тока генератора в рабочем
диапазоне скоростей движения. Однако для обеспечения полного
использования дизеля требуется поддержание постоянной мощности в рабочем
диапазоне скоростей движения тепловоза. Для этой цели система
автоматического регулирования через индуктивный датчик ИД связана с
регулятором дизеля.
Поскольку конструкция и принцип действия регулятора дизеля описаны выше,
то здесь рассмотрим лишь совместное действие системы автоматического
регулирования и регулятора дизеля.
Во время трогания тепловоза мощность, отдаваемая дизелем, мала, подача
топлива небольшая и поэтому сервомотор регулятора дизеля, связанный с
индуктивным датчиком, выдвигает сердечник датчика из катушки,
обеспечивая тем самым максимальный ток в регулировочной обмотке.
Следовательно, процесс трогания тепловоза при включенной связи с
регулятором дизеля происходит так же, как это было показано выше. По
мере разгона увеличивается напряжение генератора, растет мощность,
отдаваемая дизелем, и в точке Б мощность дизеля, а следовательно, и
подача топлива достигают номинальной величины. При этом ток в
регулировочной обмотке сохраняет свое максимальное значение. При
дальнейшем уменьшении тока генератора, как было показано выше, если
датчик ИД останется неподвижным, то напряжение будет увеличиваться по
прямой БВГ. Это означает, что при увеличении напряжения сверх значения в
точке Б нагрузка дизеля увеличится. Если увеличивается нагрузка дизеля,
то регулятор дизеля для сохранения прежней частоты вращения вала
увеличивает подачу топлива. Перемещение поршня сервомотора, управляющего
положением реек топливных насосов, вызывает перемещение золотника,
управляющего сервомотором индуктивного датчика. Сердечник индуктивного
датчика вдвигается сервомотором в катушку, и ток в регулировочной
обмотке уменьшается. Уменьшение тока в регулировочной обмотке вызывает
уменьшение тока выхода амплистата и, как результат, уменьшение
напряжения генератора и нагрузки дизеля. Процесс этот идет до тех пор,
пока при меньшем токе генератора не установится прежнее положение реек
топливных насосов, а значит, и номиналь-ная мощность дизеля. После этого
поршень сервомотора индуктивного датчика останавливается.
Следовательно, система автоматического регулирования совместно с
регулятором дизеля обеспечивает поддержание постоянной мощности дизеля.
При работающем индуктивном датчике внешняя характеристика генератора
имеет форму (участок БЕГ), близкую к кривой постоянной мощности. Часто
такую внешнюю характеристику генератора называют гиперболической. Из
рассмотрения характеристик БВГ и БЕГ можно видеть закон изменения тока в
регулировочной обмотке амплистата. В точке Б характеристики, как уже
было сказано выше, ток регулировочной обмотки имеет максимальную
величину. По мере уменьшения тока генератора регулятор дизеля вдвигает
сердечник ИД и ток регулировочной обмотки уменьшается. При токе
4200—4300 А разница в мощности по прямолинейной характеристике БВГ и по
характеристике постоянной мощности имеет наибольшую величину.
Следовательно, в этой точке внешней характеристики генератора ток
регулировочной обмотки имеет минимальную величину. При дальнейшем
уменьшении тока генератора эта разница мощности уменьшается, а ток
регулировочной обмотки увеличивается. В точке Г внешней характеристики
разница в мощности равна нулю, сердечник индуктивного датчика выдвинут и
ток регулировочной обмотки имеет максимальное значение, которое
сохраняется на всем участке внешней характеристики генератора,
соответствующем ограничению максимального напряжения.
На рис. 83 приведена также зависимость мощности на клеммах генератора от
тока генератора. Из этой кривой видно, что при трога-нии (область
ограничения тока) мощность быстро увеличивается и при токе 6000А
достигает номинальной величины. При дальнейшем уменьшении тока мощность
остается почти постоянной. Небольшое увеличение мощности на клеммах
генератора объясняется тем, что при уменьшении тока несколько
увеличивается коэффициент полезного действия генератора и при одинаковой
нагрузке на дизель мощность на выходе генератора увеличивается.
Уменьшение тока генератора ниже 2800 А вызывает пропорциональное
уменьшение мощности на выходе из генератора, так как в этой зоне
напряжение генератора остается постоянным.
Так как положение золотника сервомотора индуктивного датчика связано с
сервомотором подачи топлива, то сервомотор индуктивного датчика
реагирует на изменение нагрузки дизеля, вызванное не только изменением
тока генератора, но и изменением любой вспомогательной нагрузки.
При включении тормозного компрессора, например, происходит увеличение
нагрузки на дизель. Чтобы сохранить прежнюю подачу топлива, а значит, и
прежнюю мощность дизеля, регулятор, передвигая индуктивный датчик,
уменьшает ток возбуждения генератора до тех пор, пока суммарная
потребляемая от дизеля мощность не достигнет величины, которая была до
включения компрессора.
При настройке системы автоматического регулирования обычно вначале ее
настраивают при отключенной регулировочной обмотке,
а затем включают регулировочную обмотку и
настраивают систему автоматического регулирования совместно с
регулятором дизеля.
Если отключить регулировочную обмотку, то подмагничивание амплистата
уменьшается. Следовательно, требуется меньший ток обмотки управления,
чтобы размагнитить амплистат. Поэтому внешняя характеристика, получаемая
при отключенной регулировочной обмотке, по форме подобна внешней
характеристике, получаемой при максимальном токе регулировочной обмотки
(см. рис. 82), но лежит внутри последней. Поскольку при отключении
регулировочной обмотки мощность, снимаемая с генератора, уменьшается, то
регулятор дизеля выдвигает сердечник индуктивного датчика до тех пор,
пока поршень сервомотора не встанет на упор в положении, соответствующем
максимальному току индуктивного датчика.
Для того чтобы дизель при любой частоте вращения вала работал с
минимальным удельным расходом топлива, необходимо обеспечить
определенную зависимость между мощностью, потребляемой от дизеля, и
частотой вращения вала дизеля. В соответствии с этой характеристикой
должна изменяться в зависимости от частоты вращения вала дизеля и
мощность на клеммах тягового генератора.
На рис. 87 приведена зависимость мощности генератора от частоты вращения
вала дизель-генератора, соответствующая оптимальному нагружению дизеля.
Для того чтобы уменьшить мощность генератора при снижении частоты
вращения вала дизель-генератора, необходимо уменьшить ток задающей
обмотки при снижении частоты вращения. Блок задающего устройства БЗУ и
служит для создания необходимой зависимости тока Iоз
от частоты вращения вала дизель-генератора.
Основным узлом блока БЗУ служит насыщающийся трансформатор ТР1,
сердечник которого выполнен из высококачественного магнитного материала
(пермаллой 50НП). Насыщающийся трансформатор обладает таким свойством,
что напряжение на его вторичной обмотке зависит от частоты питающего
напряжения и мало зависит от величины питающего напряжения. Поскольку
синхронный подвоз-будитель связан через редуктор с валом дизеля, то
частота питающего напряжения БЗУ пропорциональна частоте вращения вала
дизеля и напряжение на вторичной обмотке трансформатора ТР1 также
пропорционально частоте вращения вала дизеля.
Кроме трансформатора ТР1, в схему блока БЗУ входят следующие элементы:
а) балластный резистор СБЗУ, который служит для ограничения тока в
первичной обмотке насыщающегося трансформатора;
б) компенсирующий трансформатор, предназначенный для уменьшения
зависимости выходного напряжения блока от величины напряжения питания;
в) выпрямительный мост В5;
г) сглаживающий фильтр, состоящий из дросселя ДР и конденсатора С.
Напряжение на конденсаторе и является выходным напряжением блока. Оно,
как было сказано выше, прямо пропорционально частоте вращения вала
дизеля.
Блок БЗУ имеет существенные преимущества перед тахогенера-тором
постоянного тока, который применялся для этой цели на тепловозах ТЭП60
первых выпусков.
Напряжение на выходе тахогенератора зависит от ряда факторов (величина
тока возбуждения, гистеризис в магнитной цепи, состояние поверхности
коллектора и др)., которые вызывают изменения напряжения, не связанные с
частотой вращения вала тахогенератора. Причем изменения могут достигать
значительной величины. Кроме того, тахогенератор требует постоянного
обслуживания, а бесконтактный блок БЗУ практически не нуждается в
обслуживании.
Если к выходу блока БЗУ подключить через регулировочный резистор СОЗ
задающую обмотку амплистата, то ток в обмотке будет пропорционален
частоте вращения вала дизеля. Однако в этом случае зависимость мощности
генератора от частоты вращения будет несколько отличаться от
оптимальной. Чтобы получить нужную зависимость тока /03 от частоты
вращения, в цепь задающей обмотки введено так называемое смещение. Оно
осуществляется включением в цепь задающей обмотки напряжения
вспомогательного генератора через резистор смещения СС встречно
напряжению блока БЗУ, как это показано на рис. 82.
Совместное действие блока БЗУ и смещения позволяют получить ту
зависимость тока Iоз от частоты вращения вала
дизеля, которая приведена на рис. 87, а система автоматического
регулирования обеспечивает при этом нагружение дизеля, близкое к
оптимальному.
В систему автоматического регулирования входит также узел
стабилизирующей обратной связи, который предназначен для устранения
колебаний тока и напряжения генератора во время работы системы. Этот
узел включает в себя стабилизирующий трансформатор ТС, первичная обмотка
которого последовательно с резистором СТС включена на напряжение
возбудителя. Вторичная обмотка трансформатора ТС подключена к
стабилизирующей обмотке подмагничивания амплистата. Действует эта связь
следующим образом. Если по какой-лйбо причине начинает резко нарастать
напряжение возбуждения возбудителя и генератора (например, вследствие
боксования одной из колесных пар), то во вторичной обмотке
трансформатора ТС наводится электродвижущая сила, вызывающая ток в
обмотке ОС амплистата, размагничивающий амплистат. В результате этого
рост напряжения
воздудителя и генератора замедляется. Аналогичный
процесс происходит и при резком снижении напряжения возбудителя и
генератора.
Таким образом, стабилизирующая обратная связь препятствует резкому
изменению напряжения генератора и предотвращает тем самым возникновение
колебаний в электропередаче. В установившемся режиме работы, когда
напряжение генератора и возбудителя неизменно, ток во вторичной обмотке
трансформатора ТС отсутствует и стабилизирующая обратная связь не влияет
на работу системы.
Резистор СВГ, включенный параллельно обмотке возбуждения генератора,
предназначен для снижения перенапряжения при отключении контактора КГ и
облегчения гашения дуги.