Двухмашинный агрегат и тахогенераторы особенности устройства и характеристики возбудителей

Тяговый генератор тепловоза имеет независимое возбуждение. Ток в независимую обмотку посылает специальный генератор небольшой мощности — возбудитель. Ток возбудителя нужно изменять таким образом, чтобы мощность генератора оставалась постоянной при заданной частоте вращения коленчатого вала дизеля и увеличении скорости движения тепловоза в достаточно широком диапазоне. Регулировку тока возбуждения тягового генератора можно производить вручную. Включив в эту цепь резистор в виде реостата и изменяя его сопротивление, получим необходимый ток возбуждения. Однако машинисту придется непрерывно следить за электроизмерительными приборами и регулировать сопротивление реостата. При быстрых изменениях режима работы тепловоза человек просто не успеет выполнить необходимые действия. На современных тепловозах процесс поддержания постоянства мощности тягового генератора автоматизирован. Применяются две основные системы регулирования мощности генератора:  машинная и  аппаратная. В машинных системах автоматического регулирования мощности используются специальные возбудители.Напряжение на выводах такого возбудителя автоматически изменяется в необходимых пределах в зависимости от силы тока тягового генератора с помощью специальных обмоток возбуждения. Таким способом и устанавливается требуемая взаимозависимость тока и напряжения тягового генератора. Преимущества машинных систем автоматического регулирования мощности заключаются в простоте и высокой эксплуатационной надежности. Однако они не обеспечивают получение требуемой внешней характеристики тяговых генераторов в полной мере. Приходится применять дополнительные аппараты, электрические генераторы небольшой мощности для коррекции внешней характеристики тягового генератора с целью приближения  ее к оптимальной. В аппаратных системах устанавливаются специальные регуляторы мощности тепловозных дизель-генераторов. В этом случае в качестве возбудителя может быть использован наиболее простой электрический генератор. Автоматические регуляторы изменяют ток возбуждения тягового генератора, обеспечивая требуемую внешнюю характеристику. На тепловозах широко применяются аппаратные системы с автоматическим регулированием возбуждения возбудителя для реализации необходимых токов возбуждения тягового генератора. В этом случае обмотка возбуждения возбудителя питается энергией от подвозбудителя небольшой мощности (около 1 кВт). Автоматические регуляторы управляют малыми токами, поэтому получаются весьма компактными и надежными. Машинные системы автоматического управления работают на постоянном токе, который необходим для возбуждения тягового генератора. В аппаратных системах широко используется переменный ток, параметры которого легко изменяются с помощью трансформаторов. На переменном токе работают магнитные усилители, являющиеся наиболее простыми и надежными электрическими регуляторами, широко применяемыми на тепловозах. В тех случаях, когда потребитель в аппаратной системе регулирования мощности должен получить постоянный ток, на входе его устанавливается выпрямитель. Машинными системами автоматического регулирования мощности тяговых генераторов оборудованы тепловозы ТЭ1, ТЭ2, ТЭМ1, ТЭМ2, ТЭЗ и некоторые другие. Аппаратные системы с установкой автоматических регуляторов мощности непосредственно в цепи возбуждения тягового генератора применялись на тепловозах ТЭ10 первых выпусков. Тепловозы 2ТЭ10Л, 2ТЭ10В, ТЭП60 снабжены также   аппаратной  системой регулирования, но автоматические регуляторы мощности находятся в цепи возбуждения возбудителя от подвозбудителя. Для получения внешней характеристики тягового генератора, представленной на рис. 140, необходимо подобным же образом изменять магнитный поток и, следовательно, ток возбуждения генератора в зависимости от тока нагрузки. Действительно, гиперболическая характеристика генератора обеспечивается путем изменения напряжения генератора обратно пропорционально его току. Напряжение генератора при постоянной частоте вращения якоря регулируется за счет изменения магнитного потока полюсов, т. е. тока возбуждения. Обмотка независимого возбуждения генератора является внешней нагрузкой возбудителя. При постоянном сопротивлении этой обмотки ток в ней согласно закону Ома будет прямо пропорционален напряжению возбудителя. Поэтому напряжение возбудителя в машинных схемах регулирования мощности должно изменяться в зависимости от тока нагрузки генератора по кривой, повторяющей в определенном масштабе внешнюю характеристику генератора. Регулирование напряжения возбудителя также осуществляется путем изменения его возбуждения, так как генераторы с обычными системами возбуждения не обладают требуемой естественной внешней  характеристикой. Основной особенностью возбудителей машинных систем регулирования мощности являются их главные полюсы и специальные, обмотки возбуждения.  Рассмотрим  прежде всего принцип работы возбудителей тепловозов ТЭ1, ТЭ2, ТЭМ1 и ТЭМ2. Якорь возбудителя имеет конструкцию, обычную для генераторов постоянного тока. Его главные полюсы расщеплены, т. е. состоят из двух частей 1 и 2 (рис. 157), разделенных немагнитной латунной прокладкой. В данном случае расщепление полюсов произведено по длине сердечника, т. е. в продольном направлении. Поэтому такие полюсы называют продольно расщепленными.

Рис. 157. Схема возбудителя с продольным расщеплением главных полюсов

На каждом главном полюсе установлено по две катушки возбуждения. Одна катушка охватывает обе части полюса. Эти катушки всех главных полюсов возбудителя питаются током от вспомогательного генератора и образуют обмотку независимого возбуждения. Напряжение вспомогательного генератора поддерживается строго постоянным, поэтому этот ток возбуждения сохраняется неизменным. В независимую обмотку также поступает небольшой силы ток и непосредственно от выводов возбудителя. Вторая катушка охватывает лишь часть главного полюса. Эти катушки всех полюсов образуют дифференциальную (встречную) обмотку возбудителя. Дифференциальная обмотка включена в силовую цепь, по ней  протекает  весь  ток  генератора. Направление тока в независимой и дифференциальной обмотках подобрано так, что их магнитные потоки имеют противоположное один другому направление. Любой проводник якорной обмотки возбудителя одновременно пересекает магнитные потоки двух частей расщепленного полюса.   Поэтому  результирующая электродвижущая сила возбудителя равна алгебраической сумме э. д. с, индуктируемых потоками каждой части полюсов. Величина тока в независимой обмотке возбуждения меняется в незначительных пределах, поэтому э. д. с. E1, возникающая в обмотке якоря под частью 1 полюсов, почти не изменяется при изменениях тока генератора (рис. 158).

Рис. 158. Зависимость ЭДС возбудителя от силы тока тягового генератора

Электродвижущая сила Е2 индуктируется в якоре под частью 2 полюсов, и ее величина зависит от соотношения магнитных потоков независимой и дифференциальной обмоток. При отсутствии тока в цепи якоря генератора магнитный поток в части 2 полюсов создается только независимой обмоткой и достигает максимальной величины. С увеличением тока генератора магнитный поток этой части полюсов уменьшается, так как магнитодвижущая сила дифференциальной обмотки противодействует магнитодвижущей силе независимой  обмотки.   При  равенстве магнитодвижущих сил обеих обмоток эта часть полюсов полностью размагничивается. Если ток генератора продолжает увеличиваться, то начинает преобладать магнитодвижущая сила дифференциальной обмотки и магнитный поток меняет свое направление на противоположное. Электродвижущая сила Е2 пропорциональна магнитному потоку части 2 главных полюсов. Поэтому с увеличением тока нагрузки генератора вначале она будет уменьшаться до нуля, а затем, изменив направление, начнет снова возрастать. Электродвижущая сила возбудителя, полученная в результате алгебраического суммирования э. д. с. Е1 и Е2, также показана на рис. 158. Она значительно уменьшается с увеличением тока тягового генератора. Ток возбуждения тягового генератора определяется величиной э. д. с. возбудителя и, следовательно, будет также значительно снижаться при увеличении тока нагрузки. С уменьшением тока возбуждения уменьшается и напряжение тягового генератора. Итак, в конечном итоге с увеличением тока генератора будет уменьшаться напряжение на его выводах. Из рассмотрения зависимости э. д. с. возбудителя от тока нагрузки генератора следует, что при малых токах она практически остается постоянной, поэтому чрезмерного повышения напряжения тягового генератора не происходит. Ограничение э. д. с. достигается тем, что независимая обмотка создает магнитное насыщение полюсов, дифференциальная обмотка при малых токах в ней не в состоянии оказывать влияние на магнитный поток полюса. При очень больших токах генератора, наоборот, дифференциальная обмотка создает магнитное насыщение своей части полюса, и при дальнейшем повышении тока в ней магнитный поток этой части полюсов не увеличивается. Общий магнитный поток полюсов перестает уменьшаться, и напряжение тягового генератора при больших его токах почти не падает. Благодаря этому внешняя характеристика тягового генератора приобретает вид, близкий к гиперболе, с ограничением максимального напряжения (см. рис. 140). На тепловозах ТЭЗ применен также возбудитель с расщепленными полюсами. Только у него сердечники главных полюсов расщеплены не по их длине, а по ширине вдоль оси якоря. Возбудитель имеет шесть главных полюсов (рис. 159), два из которых насыщенные и четыре ненасыщенные.

Рис. 159. Размещение обмоток на полюсах возбудителя тепловоза ТЭ3: А - магнитный мостик; НП - главные насыщенные полюсы; П - главные ненасыщенные полюсы; ДП - добавочные полюсы; ШВ - параллельная обмотка; О - дифференциальная обмотка; НВ - обмотка независимого возбуждения; М - ограничительная обмотка; Р- регулировочная обмотка; К - последовательная обмотка

Насыщенные полюсы имеют магнитные мостики, т. е. уменьшение поперечного сечения сердечника полюса. Благодаря этому при увеличении тока возбуждения наступает магнитное насыщение, и далее магнитный поток полюсов почти не растет. На верхнем и нижнем насыщенных полюсах расположены параллельная и дифференциальная обмотки. Их магнитодвижущие силы направлены встречно. Основное возбуждение ненасыщенных полюсов создается независимой обмоткой, которая питается током от вспомогательного генератора. Ненасыщенные полюсы снабжены также токовой обмоткой, включенной последовательно с якорем  возбудителя. Эта обмотка действует согласованно с независимой и препятствует размагничивающему действию реакции якоря. Действительно, с увеличением тока якоря повышается размагничивающее действие реакции якоря, однако благодаря последовательному включению одновременно возрастает ток и в последовательной обмотке, которая усиливает подмагничнваиие возбудителя. В результате реакция якоря не вызывает существенных искажений характеристик возбудителя. При малых токах генератора направление магнитного потока насыщенных полюсов определяется потоком параллельной обмотки: полярность полюсов возбудителя будет при этом такой же, как у обычного генератора постоянного тока (после северного полюса С идет южный полюс Ю, далее снова северный и т. д.). Возбудитель работает как шестиполюсный генератор. При увеличении тока тягового генератора магнитный поток, создаваемый дифференциальной обмоткой, возрастает и размагничивает насыщенные полюсы возбудителя. При большом токе в дифференциальной обмотке полярность насыщенных полюсов меняется, и возбудитель работает как двухполюсный  генератор. Один полюс находится выше горизонтальной плоскости, проведенной через вал возбудителя, другой — ниже этой плоскости. Шесть полюсов возбудителя образуются как бы рассечением этих двух физических полюсов плоскостями, проходящими по радиусам якоря. Поэтому его называют возбудителем с радиально (или поперечно)  расщепленными полюсами. Изменение магнитного потока двух полюсов в результате размагничивания их дифференциальной обмоткой приводит к тому, что характеристика возбудителя тепловоза ТЭЗ получается примерно такой же, как и у возбудителя с продольно расщепленными полюсами (см. рис. 158). У возбудителя тепловоза ТЭЗ имеется и ряд других особенностей по сравнению с возбудителями тепловозов ТЭ1, ТЭ2, ТЭМ1 и ТЭМ2. В процессе работы тягового генератора обмотка возбуждения нагревается, поэтому ее сопротивление возрастает, и при том же напряжении возбудителя ток возбуждения генератора уменьшается и, следовательно, снижает его мощность. Дизель разгружается. При холодных обмотках возбуждения, наоборот, мощность генератора будет слишком велика, она вызовет перегрузку двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, при включении вентилятора холодильника, компрессора или других вспомогательных нагрузок дизель также будет перегружаться. Для более полного использования мощности дизеля, а также предупреждения его перегрузки при указанных изменениях режима работы силовой установки на тепловозе ТЭЗ применен узел дополнительного автоматического регулирования мощности (АРМ). Одним из основных его элементов является регулировочная обмотка возбудителя, расположенная на ненасыщенных полюсах (см. рис. 159). Эта обмотка с помощью автоматического устройства увеличивает возбуждение возбудителя, если мощность  дизель-генераторной   установки уменьшилась меньше заданной, и снижает его при чрезмерном повышении мощности. Для улучшения пусковых характеристик тепловоза ТЭЗ применен узел автоматического регулирования пускового тока APT. Одним из основных элементов этого узла является ограничительная обмотка возбудителя. Катушки ограничительной обмотки установлены на ненасыщенных полюсах возбудителя (см. рис. 159). Ее магнитный поток направлен навстречу магнитным потокам остальных обмоток этих полюсов. В случае прохождения тока по ограничительной обмотке происходит размагничивание возбудителя. При наибольшем токе генератора (на который настроен узел) по обмотке ограничения проходит ток, и создаваемый ею магнитный поток уменьшает суммарный магнитный поток возбудителя. По мере увеличения скорости движения посредством специального автоматического устройства ток в ограничительной обмотке уменьшается, напряжение возбудителя, а следовательно, и генератора возрастает в такой степени, что ток в силовой цепи почти не изменяется. Разгон поезда происходит при заданной величине тока генератора (участок ГВ внешней характеристики генератора на рис. 140), обеспечивающей максимальную силу тяги локомотива по сцеплению. В таком режиме разгона мощность дизель-генератора непрерывно возрастает вплоть до номинальной. Дальнейшее увеличение скорости движения поезда будет происходить уже при постоянной мощности    и    сопровождаться снижением тока тягового генератора с одновременным повышением его напряжения по гиперболической зависимости (участок ВБ характеристики генератора). Узел автоматического регулирования пускового тока одновременно защищает тяговый генератор и тяговые электродвигатели от перегрузки, так как ограничивает ток в силовой цепи. Устройства, регулирующие ток в обмотках возбуждения возбудителя, рассмотрены ниже. В аппаратных системах регулирования мощности тягового генератора роль возбудителя упрощается. Тепловозы 2ТЭ10Л оборудуются возбудителем, представляющем собой обычный генератор постоянного тока. По конструкции он близок к вспомогательному генератору тепловоза. На главных полюсах возбудителя расположены основная независимая обмотка и размагничивающая обмотка для коррекции характеристик возбудителя. Вспомогательный генератор тепловозов предназначен для питания током обмоток независимого возбуждения возбудителя и тахогенераторов, цепей управления и освещения, вспомогательных электрических двигателей и заряда аккумуляторной батареи. Он представляет собой генератор обычно со смешанным возбуждением. Напряжение вспомогательного генератора поддерживается постоянным с помощью регулятора напряжения, который описан ниже. Возбудитель и вспомогательный генератор часто объединяют в один агрегат с общим валом якорей, получивший поэтому название двухмашинного агрегата.