содержание      ..     1      2      3      4      ..

Глава 3 ПРИНЦИП РАБОТЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ ТЕПЛОВОЗОВ 3ТЭ10М, 2ТЭ10М, 2ТЭ10В, 2ТЭ10Л, 2ТЭП60

8. Как работает простой магнитный усилитель

В систему автоматического управления (САУ) электрической передачей современных тепловозов входят магнитные усилители. Магнитным усилителем (МУ) называется электромагнитный управляющий аппарат, при помощи которого плавно изменяется переменный ток путем изменения индуктивного сопротивления катушки с ферромагнитным сердечником при подмагничивании его управляющими обмотками постоянного тока.

Простейший МУ имеет два сердечника (рис. 21), на каждом из которых смонтированы рабочие обмотки ОР1, ОР2 с равным числом витков Wp, соединенные встречно друг другу. Они включены в цепь переменного тока с неизменным напряжением U ~ .

Обмотка управления ОУ с числом витков Wy охватывает оба сердечника и получает питание от источника постоянного тока (тока управления).

Рассмотрим несколько упрощенно принцип действия МУ, полагая неизменной индуктивность его обмоток в

течение периода напряжения питания (используя теорию линеаризированного магнитного усилителя). Переменный ток в рабочей обмотке зависит не только от активного сопротивления Rн цепи, но и от индуктивного сопротивления обмотки XL. Ток по закону Ома для цепи переменного тока

Появление индуктивного сопротивления в обмотке обусловливается э. д. с. самоиндукции e_L. Эта з. д. с, всегда индуктируется в витках обмотки под действием изменяющегося магнитного потока, вызванного переменным током. Направлена э. д. с. самоиндукции всегда так, чтобы препятствовать изменению тока. Электродвижущая сила самоиндукции тем больше, чем больше скорость изменения тока в витках или пронизывающего их магнитного потока. Эта скорость зависит от частоты переменного тока f.

Обмотки в зависимости от числа витков, геометрических размеров, материала сердечника обладают различными свойствами с точки зрения индуктирования э. д. с. самоиндукции.

(рис. 22). В области насыщения сердечника по мере его намагничивания магнитная проницаемость  резко уменьшается и стремится к значению, близкому к единице. Магнитная проницаемость  может служить степенью намагниченности сердечника. Надо иметь в виду, что при большом намагничивании ферромагнитный сердечник по способности пропускать магнитный поток приближается к неферромагнитным материалам, и МУ является фактически неуправляемым (это есть режим максимальной отдачи).

не зависит от направления тока управления Iу, поэтому характеристика МУ, как видно из рис. 23, симметрична относительно оси Iр.

Когда ток управления равен нулю, сердечник МУ не намагничен и его рабочие обмотки имеют большое индуктивное сопротивление. Поэтому рабочий ток будет мал; его называют током холостого хода МУ (Ixх).

При увеличении тока управления происходит подмагничивание сердечника и рабочий ток МУ увеличивается. Средняя часть характеристики, близкая к прямолинейной, является рабочей. Даже небольшое изменение тока управления вызывает резкое изменение рабочего тока.

Две рабочие обмотки МУ сделаны для того, чтобы исключить индуктирование переменной э. д. с. в обмотках управления от рабочего тока. При встречном включении рабочих обмоток с равным числом витков индуктируемые в обмотках управления э. д. с. от каждой из рабочих обмоток будут компенсировать друг друга. Естественно, что каждая из рабочих обмоток должна быть смонтирована на отдельном сердечнике, так как при встречном включении рабочих обмоток с равным числом витков на общем сердечнике результирующая индуктивность МУ равнялась бы нулю.

Поэтому применение в МУ переменного тока повышенной частоты позволяет при том же индуктивном сопротивлении ХL иметь меньшую индуктивность L, т. е. меньшее число витков рабочей обмотки и площадь поперечного сечения сердечников. С другой стороны, для МУ повышение частоты питающего тока увеличивает крутизну наклона характеристики управления,

Пошение частоты переменного тока увеличивает быстродействие МУ.

Параметры МУ подбираются таким образом, чтобы их характеристики мало зависели от изменения в достаточно широких пределах питающего напряжения и сопротивлений нагрузочных резисторов. Это особенно важно для тепловозных МУ, у которых индуктивное сопротивление обмоток делают намного больше активного, поэтому характеристики тепловозных МУ мало зависят от позиции контроллера. В этом можно убедиться, проанализировав формулы на с. 20, 21.

Если XL намного больше Rн, то величиной Rн можно пренебречь и тогда записать

Напряжение U и частота f пропорциональны частоте вращения ротора синхронного подвозбудителя. Поэтому ток I от частоты вращения ротора синхронного подвозбудителя не зависит, а полностью определяется индуктивностью обмоток I=1/L.

Основными параметрами МУ являются его коэффициенты усиления:

9. Магнитные усилители с обратной связью

Для изменения коэффициента усиления и увеличения стабильности работы в МУ применяются обратные связи. Обратной связью, как известно, называется воздействие управляемой величины на вход системы управления.

Рис. 24. Схема обратной связи в магнитном усилителе (а) и характеристики управления магнитного усилителя (б):
1 — с положительной обратной связью; 2 — без обратной связи; 3 — с отрицательной обратной связью

Рис. 25. Схема магнитного усилителя с выходом на постоянном токе:
 

Применительно к МУ обратной связью будет дополнительное подмагничивание сердечника за счет выходного тока (рис. 24, а). Если при этом увеличение выходного тока увеличивает подмагничивание, обратная связь называется положительной. Такая обратная связь увеличи-вает коэффициент усиления. Если увеличение выходного тока уменьшает подмагничивание, обратная связь называется отрицательной, и она снижает коэффициент усиления (рис. 24, б). По схеме исполнения обратные связи в МУ могут быть внешними, когда для обратной связи используется отдельная обмотка обратной связи, и внутренними, когда для обратной связи используются рабочие обмотки МУ.

Внешняя обратная связь в МУ выполняется как положительной, так и отрицательной. Внутренняя обратная связь обычно выполняется положительной. В тепловозных схемах МУ с внешней обратной связью не применяются, однако их необходимо рассмотреть, чтобы затем перейти к рассмотрению тепловозных МУ с

внутренней обратной связью. Переменный ток выпрямляется в постоянный при помощи мостовой двухполу-периодной схемы (рис. 25, а). Для обратной связи служит отдельная обмотка обратной связи ОС, которая получает питание за счет падения напряжения на резисторе Roc в выходной цепи с выпрямленным током.

Работа МУ с внешней обратной связью протекает следующим образом. При увеличении тока в обмотке управления увеличивается подмаг-ничивание сердечника и возрастает рабочий ток (ток нагрузки). При этом увеличивается падение напря-жения на резисторе Roc и ток в обмотке обратной связи. Магнитодвижущая сила этой обмотки изменяет подмагничивание сердечника. Если м. д. с. обмотки обратной связи направлена согласно м,д. с. обмотки управления, то действие обратной связи увеличивает коэффициент усиления (положительная обратная связь). Если же м.д.с. обмотки обратной связи направлена встречно м. д. с. обмотки управления, то коэффициент усиления МУ уменьшается (отрицательная обратная связь).

Более проста и экономична схема МУ с внутренней обратной связью (рис. 25, б), при которой сердечник дополнительно подмагничивается самими же рабочими обмотками. Магнитный усилитель с внутренней обратной связью называют магнитным усилителем с самоподмагничиванием (с самонасыщением). Магнитный усилитель с самоподмагничиванием и выходом постоянного тока называют амплистатом.

В амплистате рабочие обмотки включены так, что м. д. с. их на-правлены согласно (в одном направлении). Последовательно с обмотками включены диоды так, что в каждой обмотке рабочий ток течет только в одном направлении (хотя он и переменный по значению) и каждая из обмоток «работает» лишь «свою» половину периода. В МУ- с положительной обратной связью при увеличении тока в обмотке управления увеличивается подмагничивание сердечника и возрастает рабочий ток. Это приводит к еще большему под-магничиванию сердечника и дальнейшему увеличению рабочего тока.

 

Рис, 26. Характеристика управления магнитного усилителя с внутренней обратной связью (амплиетата)

Рис. 27. Схема трехфазного амплистата (а) и график изменения тока в рабочих обмотках (б):

Характеристика управления МУ с положительной обратной связью, в частности, с самоподмагничиванием несимметрична относительно оси рабочего тока и ее особенностью является сравнительно большое значение тока холостого хода Iхх (рис, 26). Объясняется это действием обратной связи. На рис. 26 стрелками показано

и отрицательной.

Если увеличить м. д. с. обмоток управления в положительном направлении, т. е. так, чтобы результирующий магнитный поток в сердечнике (магнитный поток рабочего тока плюс магнитный поток тока управления) возрастал, рабочий ток будет увеличиваться. Если же увеличить м. д. с. тока управления в отрицательном направлении, т. е. так, чтобы результирующий магнитный поток в сердечнике (магнитный поток рабочего тока минус магнитный поток тока управления) уменьшался, рабочий ток будет уменьшаться.

Рассмотренная схема амплистата (см. рис. 25, б) однофазная. При больших токах нагрузки в ряде случаев

применяются трехфазные амплиста-ты (рис. 27, а), в которых в каждую фазу включается по две рабочих обмотки. Каждая рабочая обмотка имеет свой сердечник, а обмотки управления охватывают все сердечники. Благодаря включению диодов последовательно с рабочими обмотками в каждой из рабочих обмоток ток течет лишь в одном направлении (от точки Н к точке К), чем и создается самоподмагничивание (внутренняя обратная связь). Алгебраическая сумма токов в трехфазной системе в любой момент времени равна нулю (рис. 27, б):

Поэтому в каждый момент ток протекает в трех обмотках, а остальные три обмотки обесточены; при этом в каждой из обмоток ток течет на протяжении половины периода (см. рис. 27, б). Суммарный магнитный поток всех рабочих обмоток в любой момент равен нулю. Благодаря этому в обмотках управления нет индуктируется переменная э. д. с.

При высоком качестве материала сердечника и диодов рабочая часть характеристики управления МУ с самоподмагничиванием имеет большую крутизну (большой коэффициент усиления) и близка к прямолинейной. При большей индуктивности нагрузки форма характеристики МУ может несколько искажаться.

Сердечники МУ выполняют из холоднокатаной электротехнической стали или из тонкой ленты пермаллоя (железоникелевый сплав с примесью молибдена, хрома, меди и марганца). Эти материалы имеют узкую петлю гистерезиса и кривую намагничивания, близкую к прямоугольной, т. е. с резко выраженным насыщением. Желательно, чтобы насыщение наступало при возможно меньшей напряженности магнитного поля, так как это позволит достичь максимального тока в рабочей цепи при малом токе управления. При малой напряженности магнитного поля (слабых магнитных полях) магнитная проницаемость м должна быть возможно большей, ибо при этом будет меньшим ток холостого хода.

На современных тепловозах МУ нашли широкое применение в системах автоматического управления тягового генератора. Магнитные усилители с самоподмагничиванием (амплистаты) используются для управления током возбуждения возбудителя и генератора, а МУ без обратной связи в виде трансформатора постоянного напряжения (ТПН) или трансформатора постоянного тока (ТПТ) используются для подачи на управляющую обмотку амплистата сигналов по напряжению или по току нагрузки тягового генератора.

На тепловозах типа ТЭ10 приме-няются в основном две схемы автоматического управления электрической передачей с использованием МУ. В более новой схеме однофазный амплистат, выпрямитель, синхронный подвозбудитель находятся в цепи возбуждения возбудителя постоянного тока, а он питает обмотку возбуждения тягового генератора. Такую схему имеют тепловозы ЗТЭ10М, 2ТЭ10М, 2ТЭ10В, 2ТЭ10Л (с № 003), ТЭП10Л, ТЭП60 (№ 156, 157 и с № 167) и 2ТЭП60 (с № 015). В более ранней схеме трехфазный ам-плистат, выпрямитель, синхронный возбудитель находятся в цепи возбуждения тягового генератора, а возбудитель постоянного тока отсутствует. Такая схема применяется на тепловозах 2ТЭ10Л (№ 001 и 002), ТЭП60 (до № 166, кроме № 156 и 157), 2ТЭП60 (до № 014).

Такие схемы будем сокращенно называть «схема с возбудителем постоянного тока», «схема с возбудителем переменного тока».

содержание      ..     1      2      3      4      ..