Параллельная работа генератора переменного тока с аккумуляторной батареей

Параллельная работа генератора переменного тока с аккумуляторной батареей

 

Заряд аккумуляторной батареи. В системах электроснабжения ва­гонов с генератором переменного тока 2ГВ-003 и ГСВ возможность параллельной работы с аккумуляторной батареей обеспечивается тем, что к обмотке якоря генератора подключается выпрямитель, вследст­вие чего создаются условия, подобные условиям параллельной работы генератора постоянного тока с аккумуляторной батареей. Однако раз­ряд батареи на генератор при его остановке или при небольшой частоте вращения, когда э.д.с. Е_r генератора (приведенная к выходу выпрямителя) становится меньше э. д. с. батареи  ЕаБ, в рассматриваемой системе невозможен, так как диоды выпрямителя не дают возможности протекать обратному току из аккумуляторной батареи в генератор.

В системе ЭВ-10 повышение напряжения, подаваемого на аккуму­ляторную батарею, по сравнению с напряжением, подаваемым на на­грузку, достигается вследствие того, что генератор имеет две обмотки якоря переменного тока: основную Я1 и вольтодобавочную Я2 (рис. 69). От этих обмоток с помощью выпрямителей В1 и В2 получают два выходных напряжения: стабилизированное U_c = 50 В для пи­тания электрических потребителей вагона и дополнительное  ΔU= 10 ÷ 20 В, которое в сумме с напряжением U_c дает напряжение UаБ. необходимое для заряда аккумуляторной батареи.

Перевод питания нагрузки с батареи на генератор и подключение батареи на заряд при достижении установленной частоты вращения генератора осуществляются с помощью переключающего устройства, основным элементом которого является контактор К1 с двумя парами силовых контактов. Для автоматического переключения контактора применено электронное реле ЭР1, электромагнитное реле Р1 и фильтр, являющийся датчиком частоты вращения генератора; фильтр состоит из дросселя ДР и конденсаторов C1, C2 и СЗ. Он реагирует на частоту изменения напряжения в обмотке якоря Я1 генератора, которая про­порциональна частоте его вращения. На стоянках и при малой частоте вращения питание нагрузки r_н производится от аккумуляторной бата­реи через размыкающие контакты контактора К1. По мере разгона поезда частота вращения генератора G и частота изменения его напря­жения возрастают, и при достижении определенной частоты в фильтре возникает явление резонанса. При резонансной частоте резко увеличи­вается напряжение на выходе фильтра, к которому подключено через конденсатор С4 электронное реле ЭР1.

При достижении резонансной частоты реле ЭР1 срабатывает, по­дает питание на катушку реле Р1, а оно в свою очередь — на катушку электромагнитного контактора К1, что приводит к включению этого контактора. При этом его размыкающие контакты отключают нагруз­ку  r_н от аккумуляторной батареи и переводят ее на питание от основ­ной обмотки переменного тока Я1 генератора через выпрямитель В1. Одновременно замыкающие контакты контактора K1 подключают ак­кумуляторную батарею на заряд от суммарного выходного напряжения U_с + ΔU основного В1 и вольтодобавочного В2 выпрямителей. Дроссель ДР имеет обмотку подмагничивания, по которой протекает ток нагрузки, вследствие чего индуктивность дросселя и резонансная частота зависят от нагрузки генератора. Зависимость ее от тока нагруз­ки введена для того, чтобы к моменту переключения контактора K1 генератор успел полностью перевести нагрузку на себя, при этом от­ключение размыкающих контактов контактора К1 будет происходить практически без тока. Например, при отсутствии тока нагрузки элек­тронное реле ЭР1 включает контактор К1 при частоте вращения ге­нератора 900 об/мин, при токе же нагрузки 120 А—при 1050 об/мин. Электронное реле отрегулировано так, чтобы отключение контактора К1, т. е. обратное переключение аккумуляторной батареи с режима заряда в режим разряда, осуществлялось при более низкой скорости движения, чем включение. Это предотвращает возможность звонковой работы переключающего устройства (многократное включение и от­ключение контактора К1).

Зависимость заряда аккумуляторной батареи от температуры. В зимний период при низкой температуре возникает опасность замерза­ния сильно разряженной аккумуляторной батареи (с низкой плотно­стью электролита). Поэтому в это время целесообразно увеличивать ток заряда. При повышенной температуре электролита требуется огра­ничить ток заряда во избежание недопустимого перегрева аккумулятор­ной батареи.

В системе ЭВ-10 для изменения режима заряда аккумуляторной батареи в зависимости от температуры используют регулятор заряд­ного напряжения, выполненный в виде магнитного усилителя МУ.

Магнитным усилителем называют статический электромагнитный аппарат, который служит для плавного регулирования переменного тока в электрических цепях путем изменения подаваемого на его вход постоянного тока. Усилитель дает возможность изменять доста­точно большие токи и напряжения с помощью сравнительно слабых электрических сигналов. Принцип действия магнитного усилителя ос­нован на изменении индуктивного сопротивления катушки с ферромаг­нитным сердечником (дросселя) при подмагничивании сердечника по­стоянным током. Магнитный усилитель состоит из двух дросселей с ра­бочими обмотками 1 (рис. 70, а) и 2, которые включены последова­тельно в цепь переменного тока (зажимы В) с питающим напряже­нием U.

Сердечники 3 и 4 дросселей обхватываются общей обмоткой управ­ления 5 (обмотка подмагничивания), подключенной к источнику по­стоянного тока с входным напряжением U_y. Рабочие обмотки 1 и 2 имеют одинаковое число витков и включены так, что магнитные потоки Ф1 и Ф₂, создаваемые ими в сердечниках 3 и 4, в любой момент вре­мени равны по величине, но противоположны по направлению. Поэто­му суммарный поток в двух стержнях, обхватываемых обмоткой управ­ления 5, будет равен нулю и в ней не будет индуктироваться перемен­ная э. д. с.

Вход усилителя — это зажимы A, к которым подается напряжение управления U_у (или ток управления I_у), а выход — зажимы Б, к которым подключается нагрузка R_n (непосредственно или через выпря­митель В1).

 

 

 

 

 

 

Рис. 70. Схема магнитного усилителя (а) и его   характеристики управления (б)

 

Когда на вход усилителя не подается управляющий сигнал U_y, ток I_у равен нулю и сердечники 8 и 4 дросселей не насыщены. При этом рабочие обмотки 1 и 2 имеют большую индуктивность L, а следова­тельно, и большое индуктивное сопротивление X =ωL, вследствие чего ток I_вых в цепи нагрузки будет мал. Напряжение U_вых на нагруз­ке (выходное напряжение) тоже будет мало, так как большая часть на­пряжения питания U теряется в виде падения напряжения ΔU в ра­бочих обмотках 1 и 2. Следовательно, будет мала и мощность, посту­пающая к потребителю от источника питания. Выходной ток магнит­ного усилителя при токе I_у = 0 называется током холостого хода, или начальным током.

При подаче на обмотку управления 5 управляющего сигнала U_y , сердечники дросселей подмагничиваются, индуктивное сопротивление рабочих обмоток 1 и 2 уменьшается и растет выходной ток в цепи на­грузки. В этом режиме падение напряжения ΔU на рабочих обмотках дросселей незначительное, и большая часть питающего напряжения U будет поступать через выпрямитель В1 к нагрузке. Таким образом, изменяя ток управления I_у на входе усилителя, можно в некоторых пределах изменять ток  I_еых и напряжение U_вых .

Зависимость выходного тока магнитного усилителя от тока управ­ления I_у называется характеристикой управления усилителя (рис. 70, б). Эта характеристика симметрична (ветви 1 и 2) относитель­но выходного тока I_вых, так как действие подмапшчивания не зави­сит от направления подмагничивающего тока I_у. Ток управления, как правило, не доводят до значения, при котором происходит сильное насы­щение сердечников дросселей, и дальнейшее изменение тока   I_у не при­водит к существенному изменению выходного тока. Поэтому рабочими частями характеристики магнитного усилителя являются ее начальные прямолинейные участки.

Магнитную систему дросселей усилителя выполняют таким обра­зом, чтобы ток холостого хода I0 был, по возможности, малым, а ра­бочие участки характеристики имели большой угол наклона к горизон­тальной оси (большая крутизна). Тогда небольшие изменения тока уп­равлений I_у вызовут большие изменения тока I_вых в цепи нагрузки. Для этой цели магнитопровод усилителя выполняют из материала с высокой магнитной проницаемостью, а его сечение выбирают так, что­бы при отсутствии управляющего сигнала он имел малое магнитное сопротивление. Индуктивное сопротивление X = ωL = 2nfL выход­ной (рабочей) обмотки усилителя, а следовательно, и ток I_вых зависят не только от тока управления I_у, но и от частоты f, которая у генера­торов переменного тока определяется частотой вращения. Поэтому при различных частотах вращения генератора магнитный усилитель имеет различные характеристики управления. Рабочие обмотки I магнитного усилителя (см. рис. 69) включаются последовательно в цепь волыодобавочной обмотки якоря Я2. Обмотка управления 4 усилителя питается от двух фаз основной обмотки якоря Я1 через вы­прямитель ВЗ. На стороне переменного тока выпрямителя ВЗ включен последовательно конденсатор С6 и могут включаться с помощью кон­тактов П1—П2 переключателя режимов заряда конденсаторы С7 и С8. На стороне постоянного тока выпрямителя ВЗ включен конденсатор С5 для сглаживания пульсаций выпрямленного тока.

Изменение уровня зарядного напряжения, а следовательно, и то­ка заряда аккумуляторной батареи осуществляется вручную в зави­симости от времени года и характера маршрута поезда с помощью пере­ключателя режима заряда. При постановке переключателя в положе­ние малый заряд (теплое время года) переменный ток протекает через конденсатор С6. При этом по обмотке управления магнитного усилите­ля проходит небольшой ток подмагничивания, индуктивное сопротив­ление его рабочих обмоток будет велико и на выходе вольтодобавочного выпрямителя В2 создается наименьшее напряжение. При постанов­ке переключателя режимов в положение средний заряд (холодное вре­мя года) замыкаются его контакты П1 и параллельно конденсатору С6 включается конденсатор С7, ток подмагничивания магнитного усили­теля возрастает и повышается напряжение ΔU на выходе вольтодобавочного выпрямителя В2, т. е. ток заряда аккумуляторной батареи. При постановке переключателя режимов в положение полный заряд (при особо низких наружных температурах или на тех маршрутах, на которых общее время стоянок велико по сравнению с временем дви­жения, замыкаются его контакты П2 и параллельно конденсаторам Сб и С7 подключается конденсатор С8, При этом еще больше возрастает ток подмагничивания магнитного усилителя и увеличивается выходное напряжение вольтодобавочного выпрямителя В2, т. е. ток заряда ак­кумуляторной батареи.

Конденсаторы С6, С7 и С8 предназначены также для компенсации изменения индуктивного сопротивления магнитного усилителя в за­висимости от частоты питающего напряжения, которое при изменении частоты вращения генератора изменяется от 100 до 400 Гц. При увеличе­нии частоты f индуктивное сопротивление ωL = 2nfL рабочих обмоток магнитного усилителя возрастает, а емкостное сопротивление 1/ωС = 1/2πfС конденсаторов уменьшается, вследствие чего компенсация изменения ωL происходит автоматически. Магнитный усилитель, кро­ме обмоток управления 4, имеет еще две подмагничивающие обмотки. Обмотка смещения 3 обеспечивает получение требуемой характери­стики управления магнитного усилителя, чтобы при отсутствии тока в обмотке управления выходной ток усилителя был наименьшим.

Последовательная обмотка 2 предназначена для компенсации вли­яния тока нагрузки на выходное напряжение вольтодобавочного вы­прямителя В2. Это необходимо потому,  что увеличение нагрузки ге­нератора вследствие действия его последовательной обмотки возбужде­ния приводит к возрастанию магнитного потока машины и увеличению э. д. с индуктируемой в основной и дополнительной обмотках генера­тора. Последовательная обмотка 2 магнитного усилителя создает м.д.с., направленную против м. д. с. обмотки управления 4. Поэтому при увеличении тока нагрузки уменьшается подмагничивание сердечника магнитного усилителя и возрастает индуктивное сопротивление его рабочих обмоток, т. е. компенсируется ненужное в данном случае увеличение ΔU в результате возрастания э.д.с. вольтодобавочной обмотки.

Режим заряда аккумуляторной батареи в зависимости от темпера­туры в системе электроснабжения ЭВ-10 может также изменяться ав­томатически с помощью электронного блока. Датчиками этого блока служат терморезисторы R1 и R4, установленные в аккумуляторном ящике. При изменении температуры в ящике они изменяют свое сопро­тивление, и электронный блок изменяет ток в обмотке управления маг­нитного усилителя МУ. При постановке переключателя режимов в положение автомат размыкаются его контакты П1 и П2 и замыкаются контакты П3, вследствие чего параллельно контактам П1 и П2 подклю­чаются замыкающие контакты реле Р2 и РЗ. Когда температура воз­духа в аккумуляторном ящике становится ниже 15°С, включается электронное реле ЭР2 и с помощью электромагнитного реле Р2 подк­лючает конденсатор С7 параллельно Сб. При понижении температуры воздуха в аккумуляторном ящике до — 10° С включается электрон­ное реле ЭРЗ и с помощью электромагнитного реле РЗ подключает кон­денсатор С8 параллельно С6 и С7. При этом изменяется соответствую­щим ооразом ток управления магнитного усилителя и напряжение на выходе вольтодобавочного выпрямителя В2.