Лабораторная работа № 10 стабилизатор напряжения для асинхронных вспомогательных машин электровозов

Цель работы: изучение работы стабилизатора напряжения для асинхронных вспомогательных машин с использованием тиристорного регулятора напряжения, исследование характеристик стабилизатора и снятие осциллограмм напряжений в стабилизаторе.

Используемое оборудование: лабораторный стенд, электронный двухлучевой осциллограф.

Краткие теоретические сведения

Напряжение на токоприемнике электровоза отличается от номинального из-за отклонения напряжения в контактной сети и изменяется по мере движения электровоза в фидерной зоне. Уровень напряжения на обмотке собственных нужд, в основном, определяет режимы работы системы преобразования числа фаз (СПЧФ). А ресурс электродвигателей, рабочие и энергетические характеристики вспомогательных машин электровозов зависят от уровней напряжения прямой и обратной последовательностей основной частоты в трехфазной цепи СПЧФ.

Возможность снижения мощности ресурсосберегающих устройств управления определяется интервалом изменения переменных величин и реальна для многих технологических процессов, в том числе и для управления вспомогательными машинами электровозов. Значительная часть мощности к нагрузке поступает транзитом от источника энергии, а регулируемая часть мощности проходит через аппараты управления. Снижение мощности аппаратов управления по сравнению с мощностью нагрузки обуславливает сокращение потерь энергии в аппаратах управления.

Техническая реализация принципа ресурсосберегающего управления осуществляется применением вольтодобавочного (вольтопонижающего) трансформатора TV1 (рис. 6.2). Вторичная обмотка трансформатора ТV1 включена последовательно с нагрузкой. В зависимости от уровня напряжения U_вх изменяется направление тока I_ст в первичной обмотке трансформатора TV1 с помощью контактора KV. С изменением направления тока в первичной обмотке изменяется направление ЭДС во вторичной обмотке трансформатора. Если напряжение U_вх становится меньше напряжения отпускания контактора KV, то напряжение на входе стабилизатора равно сумме напряжения на входе стабилизатора и ЭДС вторичной обмотки трансформатора TV1. Если напряжение на обмотке собственных нужд тягового трансформатора превышает напряжение срабатывания контактора KV, то напряжение на выходе стабилизатора равно разности напряжения на входе стабилизатора и ЭДС вторичной обмотки TV1. Величину ЭДС вторичной обмотки TV1 можно плавно изменять за счет управления величиной тока I_cт в контуре первичной обмотки TV1 с помощью тиристорного регулятора напряжения типа РНО-250, который содержит силовые тиристоры VS1 и VS2 с системой автоматического управления САУ (рис. 6.2).

Система автоматического управления (САУ) стабилизатором напряжения обеспечивает поддержание заданного уровня напряжения на входе системы преобразования числа фаз (СПЧФ) при непрерывном изменении в определенных пределах уровня напряжения на обмотках собственных нужд тяговых трансформаторов электровозов переменного тока.

Напряжение вторичной обмотки трансформатор TV1 U₂ суммируется с напряжением на входе U_вх или вычитается из напряжения U_вх. Напряжение U₁ регулируется импульсно-фазовым способом с помощью регулятора переменного напряжения, собранного на силовых тиристорах VS1 и VS2, что ведет к изменению тока в контуре первичной обмотки TV1. С изменением тока в контуре первичной обмотки трансформатора изменяется напряжение U₂. Импульсы управления силовыми тиристорами VS1 и VS2 формируются в системе управления (СУ) регулятора переменного напряжения.

Датчиком напряжения (ДН), позволяющим контролировать напряжение на выходе стабилизатора U_вых, служит трансформатор TV2 с двумя вторичными обмотками. Сигнал обратной связи U_ос получается за счет выпрямления переменного напряжения с одной из вторичных обмоток TV2 диодами VD5 – VD9. Сглаживание пульсаций напряжения выполняется RC-фильтром. Величину сигнала обратной связи U_ос можно изменить в процессе наладки САУ с помощью резистора R2.

В состав задатчика сигнала З входят выпрямитель VD1 – VD4, RC-фильтр, стабилизатор напряжения компенсационного принципа действия с регулируемым выходным напряжением U_з на транзисторах VT1,VT2 и стабилитроне VD10. Напряжения U_з и U_ос прикладываются к переходу эмиттер – база транзистора VT3 через сопротивления R8 и R7. Транзистор VT3 выполняет функции усилителя У₁. Напряжение обратной связи U_ос вычитается из напряжения U_з, так как сигналом U_з работа транзистора VT3 переходит к режиму насыщения, а напряжением U_ос работа транзистора переводится к режиму отсечки. Установкой уровня U_з с помощью резистора R6 и установкой уровня U_ос резистором R2 выбирается рабочая точка транзистора VT3. Если U_з больше, чем U_ос, то протекает ток базы VT3 по цепи: + U_з, эмиттер – база VT3, R8, - U_з. По резисторам R9 и R10 протекает ток коллектора транзистора VT3: + U_з, эмиттер – коллектор VT3, R9, R10, - U_з.

На резисторе R10 создается падение напряжения U_у, которое прикладывается к выводам А₂А₁ системы управления регулятора переменного напряжения, а также на вход операционного усилителя СУ. СУ уменьшает угол смещения импульсов управления силовыми тиристорами VS1, VS2 относительно момента перехода переменным напряжением U_вх нулевого значения. В первичной обмотке трансформатора TV1 увеличивается ток, что вызывает повышение напряжения U₂ и U_вых. Повышение напряжения на выходе стабилизатора происходит до тех пор, пока разность напряжений U_у = U_з – U_ос не увеличится до заданного при наладке САУ значения. Если напряжение на входе стабилизатора U_вх начинает повышаться, то возрастают U_вых и U_ос. Так как положительный потенциал U_ос прикладывается к базе VT3, а отрицательный потенциал прикладывается к эмиттеру VТ3, то режим работы транзистора смещается к режиму отсечки. Ток коллектора VT3 уменьшается и снижается падение напряжения на резисторе R10. Угол управления тиристорами VS1 и VS2 возрастает, поэтому ток в первичной обмотке трансформатора TV1 уменьшается. Это вызывает уменьшение напряжения на зажимах вторичной обмотки U₂ и напряжение на выходе стабилизатора U_вых снижается до заданного уровня, то есть пока вновь разность напряжений U_у = U_з – U_ос не уменьшится до заданного значения.

Когда напряжение на входе САУ U_вх ниже номинального напряжения на зажимах СПЧФ, то U_вых восстанавливается до заданного уровня с помощью напряжения U_вх + U₂ за счет потребления стабилизатором дополнительного тока I₁ из сети, который через тиристорный регулятор поступает в контур первичной обмотки трансформатора TV1. Ток на входе стабилизатора равен сумме токов I₁ + I_вых.

Когда напряжение на входе САУ U_вх выше номинального напряжения СПЧФ, то U_вых восстанавливается до заданного уровня с помощью напряжения U_вх – U₂. Для смещения напряжения U₂ по фазе в противоположном направлении относительно напряжения U_вх необходимо направление тока в контуре первичной обмотки изменить, поэтому ток на входе стабилизатора будет равен разности токов I_вых – I₁, то есть меньше тока на выходе стабилизатора I_вых.

Порядок выполнения лабораторной работы:

1. Ознакомиться с теоретическими сведениями по теме лабораторной работы.

2. В отчете по лабораторной работе изобразить принципиальную электрическую схему стабилизатора напряжения (рис. 6.2).

3. Исследовать работу стабилизатора напряжения для асинхронных вспомогательных машин, подать напряжение на стенд и с помощью автотрансформатора плавно изменять напряжение на входе стабилизатора напряжения. Минимальный и максимальный уровни напряжения на входе стабилизатора задаются преподавателем. В таблицу измерений записывать напряжения на входе и на выходе стабилизатора по показаниям вольтметров.

4. В отчете по лабораторной работе изобразить зависимость напряжения на выходе стабилизатора от напряжения на входе стабилизатора.

5. Снять осциллограммы напряжения на входе и на выходе стабилизатора при минимальном и максимальном уровнях напряжения на входе стабилизатора и изобразить их в отчете по лабораторной работе. Указать на осциллограммах амплитуды напряжений.

6. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. Какие технические задачи решаются с помощью стабилизатора напряжения, который изучается в лабораторной работе?

2. Рассказать назначение тиристорного регулятора напряжения.

3. Каким образом выполняется импульсно-фазовое регулирование переменного напряжения с помощью РНО-250?

4. Почему установленная мощность стабилизатора напряжения получается меньше мощности нагрузки, на которой поддерживается постоянный уровень напряжения?

5. За счет чего решается проблема снижения нелинейных искажений напряжения при работе тиристорного регулятора напряжения?

6. Почему напряжение на выходе стабилизатора остается на заданном уровне при снижении напряжения на входе стабилизатора?

7. Почему напряжение на выходе стабилизатора остается на заданном уровне при повышении напряжения на входе стабилизатора?

8. Чем обусловлена необходимость поддержания напряжения на одном уровне?

9. Почему напряжение в обмотке собственных нужд тягового трансформатора отклоняется от номинального?

10. Что является датчиком напряжения в системе автоматического управления стабилизатором напряжения?

11. Каким образом изменяется сигнал управления в СУ тиристорного регулятора напряжения при отклонениях напряжения на входе стабилизатора?