Трансформаторы постоянного тока и напряжения
При рассмотрении работы амплистата уже отмечалось, что для образования необходимой внешней характеристики тягового генератора потребовалось осуществить взаимосвязь рабочего тока амплистата с напряжением и током генератора. В амплистате для этого служит управляющая размагничивающая обмотка. В качестве источников ее питания применены вторичные обмотки распределительного трансформатора, в цепи которых включены трансформаторы постоянного напряжения и тока. Следовательно, на них возлагается задача регулирования тока в управляющей обмотке в зависимости от напряжения и тока тягового генератора; Уже названия этих электрических аппаратов показывают, что один из них осуществляет регулирование амплистата по величине напряжения генератора, а второй — по величине тока генератора.
По своему принципу действия трансформаторы постоянного напряжения и тока представляют собой простейшие магнитные усилители с одной рабочей и одной управляющей обмотками без обратных связей.
Трансформатор постоянного напряжения (рис. 226, а) имеет два тороидальных (круглых) сердечника, которые изготовлены из ленты пермаллоя толщиной 0,2 мм. Пермаллой представляет собой сплав железа и никеля с высокими ферромагнитными свойствами. На каждом сердечнике расположено по одной катушке рабочей обмотки; обмотка управления охватывает оба сердечника. Обмотки выполнены из медного провода диаметром 1 мм. Сердечники и обмотки залиты эпоксидным компаундом, предупреждающим попадание влаги в обмотки и обеспечивающим длительную надежную работу трансформаторов. Угольники, стянутые шпильками, служат для установки трансформатора на тепловозе. Обмотка управления трансформатора постоянного напряжения включена через резистор на выводы тягового генератора. Поэтому сила тока подмагничивания трансформатора пропорциональна напряжению генератора. Как в любом магнитном усилителе, ток в цепи рабочих обмоток пропорционален току подмагничивания и, следовательно, в данном случае пропорционален напряжению генератора. Иными словами, с увеличением напряжения тягового генератора пропорционально возрастает выходной ток трансформатора постоянного напряжения. В цепях автоматики используются слабые токи, поэтому максимальный выходной ток трансформатора не превышает 3 А.
Трансформаторы а) постоянного напряжения (ТПН); б) постоянного тока (ТПТ)
Трансформатор постоянного тока по устройству напоминает трансформатор постоянного напряжения, но не имеет специальной обмотки управления. Для подмагничивания трансформатора постоянного тока через центральное отверстие его тороидального сердечника пропущены гибкие провода силовой цепи. На тепловозах 2ТЭ10Л, 2ТЭ10В через трансформатор постоянного тока пропущены два провода, по которым проходит ток двух тяговых электродвигателей. При увеличении тока тяговых двигателей, а следовательно, и генератора усиливается подмагничивание трансформатора постоянного тока и возрастает выходной ток его рабочей обмотки. Таким образом, ток в рабочей цепи трансформатора пропорционален суммарному току двух тяговых электродвигателей. Максимальный ток в рабочей цепи трансформатора лишь незначительно превышает 3 А. Трансформатор постоянного тока как бы преобразует ток большой величины в силовой цепи в пропорциональный ему слабый ток для использования его в системе автоматического регулирования напряжения тягового генератора.
Суммарная масса амплистата и трансформаторов постоянного тока и напряжения составляет около 28 кг. Отсюда можно видеть, насколько легкими, компактными являются устройства переменного тока для регулирования напряжения тягового генератора. Эти устройства не имеют вращающихся трущихся частей, требующих смазки, ухода, ремонта, поэтому надежны и долговечны в эксплуатации.
Рассмотрим более подробно работу измерительных трансформаторов в схеме регулирования напряжения тягового генератора. На каждой секции тепловозов 2ТЭ10Л, 2ТЭ10В установлено по одному трансформатору постоянного напряжения ТПН и по четыре трансформатора постоянного тока ТПТ1—ТПТ4. Через первый трансформатор ПТ1 пропущены провода цепей первого и четвертого тяговых двигателей, через трансформатор ТПТ2 — пятого и шестого двигателей, через трансформатор ТПТЗ — третьего и шестого двигателей и через ТПТ4 — первого и второго двигателей. Применение четырех трансформаторов постоянного тока с подмагничиванием от тока различных двигателей позволило значительно улучшить противобоксовочные свойства тепловоза. На схеме, представленной на рис с целью упрощения показан один трансформатор постоянного тока и трансформатор постоянного напряжения. Рабочие обмотки обоих трансформаторов включены в цепь управляющей обмотки амплистата через узел электрических устройств, получивший название селективного, т. е. избирающего (от латинского слова selectio — отбор). Селективный узел имеет балластные резисторы СБТН и СБТТ, два выпрямительных моста В1 и В2, а также резистор СОУ в цепи управляющей обмотки амплистата ОУ.
Селективный узел и характеристика тягового генератора
Предположим, что дизель-генератор тепловоза работает на 15-й позиции контроллера. Когда ток Iг в силовой цепи мал, напряжение Uг на выводах генератора достигает максимальных значение; сила тока в цепи рабочей обмотки трансформатора постоянного напряжения будет также наибольшей. Напряжение на резисторе СБТН, выпрямленное мостом В1, подается на участок цепи, состоящей из резисторов СОУ и управляющей обмотки ОУ амплистата. В то же время вследствие малого тока в силовой цепи будут незначительными ток в цепи рабочей обмотки трансформатора ТПТ и падение напряжения на резисторе СБТТ. Выпрямительный мост В2 окажется запертым повышенным напряжением, подаваемым от моста Б1; через управляющую обмотку амплистата проходит только ток цепи рабочих обмоток трансформатора TПН. Следовательно, трансформатор ТПТ отключен от цепи питания регулировочной обмотки. Так продолжается до тех пор, пока ток тягового генератора не достигнет значения Iгг, соответствующего точке Г его внешней характеристики. На участке характеристики ДГ с увеличением тока тягового генератора напряжение на его выводах будет несколько снижаться вследствие увеличения падения напряжения во внутренней цепи генератора и влияния реакции якоря. Однако одновременно уменьшается ток в обмотке управления трансформатора ТПН, а значит, и ток в цепи управляющей обмотки амплистата. В конечном итоге возбуждение генератора несколько усиливается. Благодаря этому предупреждается заметное снижение напряжения генератора. Например, на номинальном режиме работы дизель-генератора (nк =15) увеличение тока в силовой цепи почти до 3000 А приводит к уменьшению напряжения генератора лишь на 20В. При токе Iгг генератора падение напряжения на резисторах СБТН и СБТТ становится одинаковым, выпрямительный мост В2 открывается. Управляющая обмотка амплистата получает дополнительное питание (при сохранении питания от трансформатора ТПН). Дальнейший рост силы тока генератора вызывает усиление питания управляющей обмотки амплистата, обеспечивая снижение напряжения генератора по линейной характеристике ГБ. Этот процесс сопровождается непрерывным увеличением тока в рабочей обмотке трансформатора ТПТ и снижением тока в рабочей обмотке трансформатора ТПН. Наконец, при токе генератора Iгб соответствующем точке Б характеристики, происходит запирание выпрямительного моста В1 напряжением, подаваемым в цепь управляющей обмотки амплистата из цепи трансформатора ТПТ через выпрямительный мост В2. На участке характеристики БА при незначительном увеличении тока генератора и, следовательно, тока в управляющей обмотке амплистата достигается требуемое снижение напряжения генератора. Рост тока генератора практически ограничивается, предупреждая его перегрузку.
Следовательно, селективный узел осуществляет избирательное питание управляющей обмотки амплистата от одного или обоих измерительных трансформаторов в зависимости от силы тока и напряжения генератора.
Характеристика генератора, получаемая с помощью только измерительных трансформаторов и селективного узла, получила название селективной. В области рабочих токов генератора напряжение изменяется по линейному закону, что не обеспечивает строгого постоянства мощности дизель-генератора. Внешняя характеристика генератора становится гиперболической благодаря применению регулирующей обмотки амплистата и индуктивного датчика в регуляторе дизеля.
Селективный узел формирует характеристики генератора и при работе дизеля на более низких позициях контроллера пк. Они будут проходить ниже характеристики генератора на номинальном режиме.