Regulatory napiÄcia sÄ to urzÄ dzenia elektryczne, ktĂłrych zadaniem jest regulacja prÄ du wzbudzenia prÄ dnic, aby dawaĹy na wyjĹciu staĹe napiÄcie niezaleĹźnie od obciÄ Ĺźenia.
WartoĹÄ napiÄcia uzyskiwanego na zaciskach prÄ dnicy uzaleĹźniona jest od prÄdkoĹci z jakÄ sÄ napÄdzane i prÄ du wzbudzenia. PrÄdkoĹÄ obrotowa zmienia siÄ w pewnych granicach, co w konsekwencji powoduje zmiany wytwarzanego napiÄcia. W przypadku pojazdĂłw elektrycznych z przetwornicami wirujÄ cymi, wartoĹÄ napiÄcia uzyskiwanego z przetwornicy zaleĹźy przede wszystkim od napiÄcia w sieci jezdnej, ktĂłre jak wiadomo moĹźe siÄ wahaÄ w doĹÄ duĹźych granicach. PrÄ dnica napÄdzana jest przez silnik, ktĂłrego wirnik napÄdza prÄ dnicÄ z prÄdkoĹciÄ zaleĹźnÄ od napiÄcia sieci, ponadto w przetwornicach stosowanych w pojazdach eksploatowanych przez PKP prÄ dnice majÄ uzwojenie obce zasilane z obwodu wysokiego napiÄcia. W spalinowych pojazdach trakcyjnych napiÄcie na zaciskach prÄ dnic pomocniczych zaleĹźy zwykle od prÄdkoĹci obrotowej silnika spalinowego.
Zmianom prÄdkoĹci obrotowych trudno przeciwdziaĹaÄ, natomiast moĹźna regulowaÄ prÄ d wzbudzenia dziÄki zastosowaniu w obwodach wzbudzenia regulatorĂłw napiÄcia. Starsze regulatory napiÄcia dziaĹajÄ na zasadzie wĹÄ czania w obwĂłd wzbudzenia dodatkowych rezystorĂłw, ktĂłre w zaleĹźnoĹci od potrzeby ograniczajÄ prÄ d wzbudzenia. Nowsze regulatory napiÄcia skĹadajÄ siÄ z elementĂłw pĂłĹprzewodnikowych, a wartoĹÄ prÄ du wzbudzenia regulowana jest na zasadzie oddziaĹywania ukĹadu na elementy pĂłĹprzewodnikowe.
Na poniĹźszym rysunku przedstawiony jest regulator napiÄcia stosowany w pojazdach trakcyjnych PKP. Regulatory stosowane w taborze PKP róşniÄ siÄ nieco od siebie, jednak istota ich dziaĹania jest podobna.
Budowa
Typowy regulator napiÄcia starszego typu skĹada siÄ z cewki ruchomej (2) osadzonej na ruchomej dĹşwigni (3) oraz cewki nieruchomej (1) osadzonej na konstrukcji regulatora. Ruchoma dĹşwignia jest osadzona na konstrukcji wsporczej w taki sposĂłb, Ĺźe moĹźe zmieniaÄ poĹoĹźenie w stosunku do niej. Na dĹşwigni znajduje siÄ styk ruchomy (drgajÄ cy - 4), a na konstrukcji wsporczej dwa styki staĹe (5). Do dĹşwigni przymocowana jest sprÄĹźyna (6), ktĂłra z drugiej strony przymocowana jest do konstrukcji wsporczej regulatora. Styki wykonane sÄ z grafitu. Regulator jest odpowiednio poĹÄ czony z zespoĹem rezystorĂłw i obwodami prÄ dnicy. CzÄĹÄ obwodu jest poĹÄ czona z zaciskami prÄ dnicy w celu kontroli napiÄcia, natomiast druga czÄĹÄ poĹÄ czona jest z obwodem wzbudzenia prÄ dnicy. Oba te obwody sÄ ze sobÄ odpowiednio powiÄ zane. Cewki staĹa i ruchoma tworzÄ obwĂłd magnetyczny.
DziaĹanie
PrÄ d pĹynÄ cy przez cewki wywoĹuje powstawanie siĹy elektrodynamicznej, ktĂłra powoduje, Ĺźe cewka ruchoma prĂłbuje siÄ oddaliÄ od cewki staĹej a razem z niÄ dĹşwignia i styk ruchomy. Wobec tego siĹa ta sprawia, Ĺźe styk ruchomy stara siÄ oderwaÄ od lewego styku staĹego i przesunÄ Ä w kierunku prawego styku. Nie pozwala mu na to jednak siĹa naciÄ gu sprÄĹźyny, ktĂłra w czasie, gdy napiÄcie na zaciskach prÄ dnicy jest na odpowiednim poziomie jest rĂłwnowaĹźna sile elektrodynamicznej. W zwiÄ zku z tym cewka ruchoma, ktĂłra jest trzymana przez sprÄĹźynÄ nie moĹźe oddaliÄ siÄ od cewki staĹej. JeĹźeli napiÄcie na zaciskach prÄ dnicy oscyluje poniĹźej nastawionej wartoĹci (np. podczas wĹÄ czania prÄ dnicy) to siĹa naciÄ gu sprÄĹźyny pokonuje siĹÄ elektrodynamicznÄ pochodzÄ cÄ od cewek i styk ruchomy dotyka styku staĹego lewego, a prÄ d pĹynÄ cy w obwodzie jest na tyle duĹźy, Ĺźe wzbudza szybko prÄ dnicÄ. W czasie narastania napiÄcia na zaciskach prÄ dnicy siĹa elektrodynamiczna roĹnie i zrĂłwnowaĹźa siÄ z siĹÄ naciÄ gu sprÄĹźyny. Docisk styku ruchomego do lewego styku staĹego maleje (bo roĹnie siĹa elektrodynamiczna w wyniku zwiÄkszania siÄ napiÄcia na zaciskach prÄ dnicy). Dochodzi w koĹcu do sytuacji, w ktĂłrej napiÄcie przekroczy nastawionÄ wartoĹÄ i siĹa elektrodynamiczna swojÄ siĹÄ pokona siĹÄ naciÄ gu sprÄĹźyny i odsunie styk ruchomy od styku staĹego lewego. W tym momencie prÄ d wzbudzenia popĹynie przez rezystor o wiÄkszej wartoĹci i prÄ d wzbudzenia zmaleje, wobec tego zmaleje napiÄcie na zaciskach prÄ dnicy. W konsekwencji zmniejszy to siĹÄ elektrodynamicznÄ i styk ruchomy znowu zetknie siÄ ze stykiem staĹym lewym i prÄ d wzbudzenia zacznie ponownie zwiÄkszaÄ napiÄcie na zaciskach prÄ dnicy. WystÄ pi ponownie zjawisko wzrostu napiÄcia prÄ dnicy ponad nastawionÄ wartoĹÄ i sytuacja siÄ powtĂłrzy. Taki stan pracy jest uwaĹźany za normalny i w tym stanie styk ruchomy drga w pobliĹźu styku staĹego lewego z duĹźÄ czÄstotliwoĹciÄ .
W przypadku, gdy napiÄcie indukowane przez prÄ dnicÄ wzroĹnie doĹÄ znacznie to siĹa elektrodynamiczna bÄdzie na tyle duĹźa, Ĺźe odepchnie styk ruchomy od styku staĹego lewego i ten dotknie styku staĹego prawego. PrÄ d wzbudzenia zostanie skierowany przez rezystor o odpowiednio duĹźej rezystancji i zostanie zbocznikowany. DziÄki temu prÄ d wzbudzenia znacznie zmaleje i zmniejszy siÄ napiÄcie indukowane przez prÄ dnicÄ. SiĹa elektrodynamiczna w zwiÄ zku z tym zmaleje i bÄdzie siÄ zrĂłwnywaĹa z siĹÄ naciÄ gu sprÄĹźyny, a to spowoduje oderwanie siÄ styku ruchomego od staĹego prawego i skierowanie go w kierunku styku staĹego lewego.
W ukĹadach tych stosuje siÄ czÄsto dodatkowe elementy, ktĂłre np. powodujÄ zwiÄkszanie czÄstotliwoĹci drgaĹ styku ruchomego, dziÄki temu zmniejsza siÄ iskrzenie panujÄ ce miÄdzy stykami. Do regulacji regulatora sĹuĹźy Ĺruba, ktĂłrÄ reguluje siÄ naciÄ g sprÄĹźyny.
W lokomotywach elektrycznych i elektrycznych zespoĹach trakcyjnych sÄ stosowane przetwornice, ktĂłre przetwarzajÄ napiÄcie staĹe 3000 V na 110 V. Przetwornica skĹada siÄ z silnika oraz prÄ dnicy. Po stronie prÄ dnicy, w obwodzie wzbudzenia zamontowany jest taki regulator napiÄcia, ktĂłry ma za zadanie utrzymywaÄ napiÄcie na stabilnym poziomie 110 V. Schemat regulatora dziaĹajÄ cego na wyĹźej opisanej zasadzie przedstawiony jest poniĹźej.
Cewki nieruchome i ruchoma tworzÄ obwĂłd magnetyczny regulatora. Rezystory wĹÄ czone w obwĂłd posiadajÄ róşne rezystancje, dziÄki temu w zaleĹźnoĹci od ukierunkowania prÄ du przez styki prÄ d wzbudzenia jest wiÄkszy lub mniejszy. Zasadniczym poĹoĹźeniem jest drganie styku ruchomego (Ĺrodkowego) w pobliĹźu styku gĂłrnego. PrÄ d pĹynie przez rezystor R2 bocznikujÄ cy rezystor R1. JeĹli napiÄcie na prÄ dnicy bÄdzie wyĹźsze od 110 V to styk ruchomy oderwie siÄ od styku staĹego gĂłrnego i prÄ d magnesujÄ cy popĹynie przez rezystor R1 o wiÄkszej rezystancji dziÄki temu zmniejszy siÄ jego wartoĹÄ. JeĹli napiÄcie na zaciskach prÄ dnicy bÄdzie znacznie wyĹźsze to styk ruchomy dotknie styku staĹego dolnego i prÄ d zostanie zbocznikowany przez rezystor R3 o mniejszej rezystancji od rezystorĂłw R1 i R2. Rezystor R6 sĹuĹźy do zwiÄkszenia czÄstotliwoĹci drgaĹ styku ruchomego co zapobiega duĹźemu iskrzeniu. W obwodzie cewek regulatora znajdujÄ siÄ takĹźe dwa rezystory o takiej samej rezystancji R4 i R5 ograniczajÄ ce pobĂłr prÄ du przez cewki.
PowyĹźszy schemat i opis dotyczÄ regulatora stosowanego w lokomotywach elektrycznych serii EU06 i EU07.
Innym rodzajem regulatorĂłw sÄ regulatory skĹadajÄ ce siÄ ze sĹupkĂłw wÄglowych, ktĂłrych rezystancja zmienia siÄ pod wpĹywem nacisku. SĹupki te (krÄ Ĺźki) zmieniajÄ swojÄ rezystancjÄ w zaleĹźnoĹci od siĹy ĹciskajÄ cej. Przy duĹźym Ĺcisku rezystancja krÄ ĹźkĂłw jest maĹa, w miarÄ zmniejszania siĹy nacisku rezystancja roĹnie. Regulatory te posiadajÄ cewkÄ napiÄciowÄ , ktĂłra wĹÄ czona jest w obwĂłd prÄ dnicy i sĹuĹźy do pomiaru napiÄcia. W zaleĹźnoĹci od napiÄcia prÄ dnicy prÄ d pĹynÄ cy przez cewkÄ napiÄciowÄ jest mniejszy lub wiÄkszy. Ma to decydujÄ cy wpĹyw na wystÄpowanie siĹ elektrodynamicznych w regulatorze. JeĹli napiÄcie na zaciskach prÄ dnicy jest zbyt duĹźe to ruchomy elektromagnes z cewkÄ napiÄciowÄ spowoduje zmniejszenie siĹy docisku krÄ ĹźkĂłw i rezystancja sĹupkĂłw wzroĹnie. Spowoduje to obniĹźenie wartoĹci prÄ du wzbudzenia co przeĹoĹźy siÄ na zmniejszenie napiÄcia indukowanego przez prÄ dnicÄ. W przypadku obniĹźenia napiÄcia sĹupki zostanÄ bardziej ĹciĹniÄte, dziÄki temu rezystancja ich zmaleje, zwiÄkszy siÄ wartoĹÄ prÄ du wzbudzenia i w konsekwencji napiÄcia indukowanego w prÄ dnicy.
Niekiedy regulatory napiÄcia, ktĂłre sĹuĹźÄ miÄdzy innymi do Ĺadowania baterii akumulatorĂłw posiadajÄ samoczynne wyĹÄ czniki, ktĂłrych zadaniem jest zamykanie i otwieranie obwodu Ĺadowania baterii. W przypadku, gdy napiÄcie prÄ dnicy jest wyĹźsze od napiÄcia baterii to wyĹÄ cznik jest zamkniÄty i trwa Ĺadowanie baterii. JeĹli z jakiegoĹ powodu napiÄcie na zaciskach baterii by byĹo wyĹźsze od napiÄcia na zaciskach prÄ dnicy to prÄ d pĹynÄ Ĺ by od baterii do prÄ dnicy. Taka sytuacja moĹźe uszkodziÄ prÄ dnicÄ i dlatego zadaniem wyĹÄ cznika jest przerwanie obwodu Ĺadowania.
RozwĂłj energoelektroniki przyczyniĹ siÄ do budowania ukĹadĂłw energoelektroniczych z zastosowaniem diod, tranzystorĂłw, tyrystorĂłw oraz innych elementĂłw elektronicznych. UkĹady te sÄ bardziej niezawodne, bezstykowe i dziÄki temu dajÄ duĹźe moĹźliwoĹci regulacyjne. UkĹady te sÄ bardzo zĹoĹźone i dziaĹanie jest uzaleĹźnione ĹciĹle od budowy kaĹźdego elementu. UkĹad sterowania moĹźe siÄ skĹadaÄ z kilku czĹonĂłw, np. zasilacza, czujnika prÄ du, ukĹadu pomiaru napiÄcia, ukĹadu formowania impulsĂłw sterujÄ cych tyrystorami oraz ukĹadu zabezpieczeĹ.
Zastosowanie regulatorĂłw napiecia
Regulatory napiÄcia stosuje siÄ do regulacji wartoĹci napiÄcia wytwarzanego przez prÄ dnicÄ pomocniczÄ w spalinowych pojazdach trakcyjnych oraz w celu regulacji napiÄcia przetwarzanego przez przetwornicÄ w elektrycznych pojazdach trakcyjnych.
GĹĂłwne parametry regulatorĂłw napiÄcia
- stabilizacja napiÄcia [+/- V lub %];
- napiÄcie znamionowe [V];
- prÄ d znamionowy [A]
* W przypadku elektromechanicznych regulatorĂłw napiÄcia podaje siÄ takĹźe rezystancje cewek oraz poszczegĂłlnych rezystorĂłw.