Regulatory napięcia są to urządzenia elektryczne, których zadaniem jest regulacja prądu wzbudzenia prądnic, aby dawały na wyjściu stałe napięcie niezależnie od obciążenia.
Wartość napięcia uzyskiwanego na zaciskach prądnicy uzależniona jest od prędkości z jaką są napędzane i prądu wzbudzenia. Prędkość obrotowa zmienia się w pewnych granicach, co w konsekwencji powoduje zmiany wytwarzanego napięcia. W przypadku pojazdów elektrycznych z przetwornicami wirującymi, wartość napięcia uzyskiwanego z przetwornicy zależy przede wszystkim od napięcia w sieci jezdnej, które jak wiadomo może się wahać w dość dużych granicach. Prądnica napędzana jest przez silnik, którego wirnik napędza prądnicę z prędkością zależną od napięcia sieci, ponadto w przetwornicach stosowanych w pojazdach eksploatowanych przez PKP prądnice mają uzwojenie obce zasilane z obwodu wysokiego napięcia. W spalinowych pojazdach trakcyjnych napięcie na zaciskach prądnic pomocniczych zależy zwykle od prędkości obrotowej silnika spalinowego.
Zmianom prędkości obrotowych trudno przeciwdziałać, natomiast można regulować prąd wzbudzenia dzięki zastosowaniu w obwodach wzbudzenia regulatorów napięcia. Starsze regulatory napięcia działają na zasadzie włączania w obwód wzbudzenia dodatkowych rezystorów, które w zależności od potrzeby ograniczają prąd wzbudzenia. Nowsze regulatory napięcia składają się z elementów półprzewodnikowych, a wartość prądu wzbudzenia regulowana jest na zasadzie oddziaływania układu na elementy półprzewodnikowe.
Na poniższym rysunku przedstawiony jest regulator napięcia stosowany w pojazdach trakcyjnych PKP. Regulatory stosowane w taborze PKP różnią się nieco od siebie, jednak istota ich działania jest podobna.
Budowa
Typowy regulator napięcia starszego typu składa się z cewki ruchomej (2) osadzonej na ruchomej dźwigni (3) oraz cewki nieruchomej (1) osadzonej na konstrukcji regulatora. Ruchoma dźwignia jest osadzona na konstrukcji wsporczej w taki sposób, że może zmieniać położenie w stosunku do niej. Na dźwigni znajduje się styk ruchomy (drgający - 4), a na konstrukcji wsporczej dwa styki stałe (5). Do dźwigni przymocowana jest sprężyna (6), która z drugiej strony przymocowana jest do konstrukcji wsporczej regulatora. Styki wykonane są z grafitu. Regulator jest odpowiednio połączony z zespołem rezystorów i obwodami prądnicy. Część obwodu jest połączona z zaciskami prądnicy w celu kontroli napięcia, natomiast druga część połączona jest z obwodem wzbudzenia prądnicy. Oba te obwody są ze sobą odpowiednio powiązane. Cewki stała i ruchoma tworzą obwód magnetyczny.
Działanie
Prąd płynący przez cewki wywołuje powstawanie siły elektrodynamicznej, która powoduje, że cewka ruchoma próbuje się oddalić od cewki stałej a razem z nią dźwignia i styk ruchomy. Wobec tego siła ta sprawia, że styk ruchomy stara się oderwać od lewego styku stałego i przesunąć w kierunku prawego styku. Nie pozwala mu na to jednak siła naciągu sprężyny, która w czasie, gdy napięcie na zaciskach prądnicy jest na odpowiednim poziomie jest równoważna sile elektrodynamicznej. W związku z tym cewka ruchoma, która jest trzymana przez sprężynę nie może oddalić się od cewki stałej. Jeżeli napięcie na zaciskach prądnicy oscyluje poniżej nastawionej wartości (np. podczas włączania prądnicy) to siła naciągu sprężyny pokonuje siłę elektrodynamiczną pochodzącą od cewek i styk ruchomy dotyka styku stałego lewego, a prąd płynący w obwodzie jest na tyle duży, że wzbudza szybko prądnicę. W czasie narastania napięcia na zaciskach prądnicy siła elektrodynamiczna rośnie i zrównoważa się z siłą naciągu sprężyny. Docisk styku ruchomego do lewego styku stałego maleje (bo rośnie siła elektrodynamiczna w wyniku zwiększania się napięcia na zaciskach prądnicy). Dochodzi w końcu do sytuacji, w której napięcie przekroczy nastawioną wartość i siła elektrodynamiczna swoją siłą pokona siłę naciągu sprężyny i odsunie styk ruchomy od styku stałego lewego. W tym momencie prąd wzbudzenia popłynie przez rezystor o większej wartości i prąd wzbudzenia zmaleje, wobec tego zmaleje napięcie na zaciskach prądnicy. W konsekwencji zmniejszy to siłę elektrodynamiczną i styk ruchomy znowu zetknie się ze stykiem stałym lewym i prąd wzbudzenia zacznie ponownie zwiększać napięcie na zaciskach prądnicy. Wystąpi ponownie zjawisko wzrostu napięcia prądnicy ponad nastawioną wartość i sytuacja się powtórzy. Taki stan pracy jest uważany za normalny i w tym stanie styk ruchomy drga w pobliżu styku stałego lewego z dużą częstotliwością.
W przypadku, gdy napięcie indukowane przez prądnicę wzrośnie dość znacznie to siła elektrodynamiczna będzie na tyle duża, że odepchnie styk ruchomy od styku stałego lewego i ten dotknie styku stałego prawego. Prąd wzbudzenia zostanie skierowany przez rezystor o odpowiednio dużej rezystancji i zostanie zbocznikowany. Dzięki temu prąd wzbudzenia znacznie zmaleje i zmniejszy się napięcie indukowane przez prądnicę. Siła elektrodynamiczna w związku z tym zmaleje i będzie się zrównywała z siłą naciągu sprężyny, a to spowoduje oderwanie się styku ruchomego od stałego prawego i skierowanie go w kierunku styku stałego lewego.
W układach tych stosuje się często dodatkowe elementy, które np. powodują zwiększanie częstotliwości drgań styku ruchomego, dzięki temu zmniejsza się iskrzenie panujące między stykami. Do regulacji regulatora służy śruba, którą reguluje się naciąg sprężyny.
W lokomotywach elektrycznych i elektrycznych zespołach trakcyjnych są stosowane przetwornice, które przetwarzają napięcie stałe 3000 V na 110 V. Przetwornica składa się z silnika oraz prądnicy. Po stronie prądnicy, w obwodzie wzbudzenia zamontowany jest taki regulator napięcia, który ma za zadanie utrzymywać napięcie na stabilnym poziomie 110 V. Schemat regulatora działającego na wyżej opisanej zasadzie przedstawiony jest poniżej.
Cewki nieruchome i ruchoma tworzą obwód magnetyczny regulatora. Rezystory włączone w obwód posiadają różne rezystancje, dzięki temu w zależności od ukierunkowania prądu przez styki prąd wzbudzenia jest większy lub mniejszy. Zasadniczym położeniem jest drganie styku ruchomego (środkowego) w pobliżu styku górnego. Prąd płynie przez rezystor R2 bocznikujący rezystor R1. Jeśli napięcie na prądnicy będzie wyższe od 110 V to styk ruchomy oderwie się od styku stałego górnego i prąd magnesujący popłynie przez rezystor R1 o większej rezystancji dzięki temu zmniejszy się jego wartość. Jeśli napięcie na zaciskach prądnicy będzie znacznie wyższe to styk ruchomy dotknie styku stałego dolnego i prąd zostanie zbocznikowany przez rezystor R3 o mniejszej rezystancji od rezystorów R1 i R2. Rezystor R6 służy do zwiększenia częstotliwości drgań styku ruchomego co zapobiega dużemu iskrzeniu. W obwodzie cewek regulatora znajdują się także dwa rezystory o takiej samej rezystancji R4 i R5 ograniczające pobór prądu przez cewki.
Powyższy schemat i opis dotyczą regulatora stosowanego w lokomotywach elektrycznych serii EU06 i EU07.
Innym rodzajem regulatorów są regulatory składające się ze słupków węglowych, których rezystancja zmienia się pod wpływem nacisku. Słupki te (krążki) zmieniają swoją rezystancję w zależności od siły ściskającej. Przy dużym ścisku rezystancja krążków jest mała, w miarę zmniejszania siły nacisku rezystancja rośnie. Regulatory te posiadają cewkę napięciową, która włączona jest w obwód prądnicy i służy do pomiaru napięcia. W zależności od napięcia prądnicy prąd płynący przez cewkę napięciową jest mniejszy lub większy. Ma to decydujący wpływ na występowanie sił elektrodynamicznych w regulatorze. Jeśli napięcie na zaciskach prądnicy jest zbyt duże to ruchomy elektromagnes z cewką napięciową spowoduje zmniejszenie siły docisku krążków i rezystancja słupków wzrośnie. Spowoduje to obniżenie wartości prądu wzbudzenia co przełoży się na zmniejszenie napięcia indukowanego przez prądnicę. W przypadku obniżenia napięcia słupki zostaną bardziej ściśnięte, dzięki temu rezystancja ich zmaleje, zwiększy się wartość prądu wzbudzenia i w konsekwencji napięcia indukowanego w prądnicy.
Niekiedy regulatory napięcia, które służą między innymi do ładowania baterii akumulatorów posiadają samoczynne wyłączniki, których zadaniem jest zamykanie i otwieranie obwodu ładowania baterii. W przypadku, gdy napięcie prądnicy jest wyższe od napięcia baterii to wyłącznik jest zamknięty i trwa ładowanie baterii. Jeśli z jakiegoś powodu napięcie na zaciskach baterii by było wyższe od napięcia na zaciskach prądnicy to prąd płynął by od baterii do prądnicy. Taka sytuacja może uszkodzić prądnicę i dlatego zadaniem wyłącznika jest przerwanie obwodu ładowania.
Rozwój energoelektroniki przyczynił się do budowania układów energoelektroniczych z zastosowaniem diod, tranzystorów, tyrystorów oraz innych elementów elektronicznych. Układy te są bardziej niezawodne, bezstykowe i dzięki temu dają duże możliwości regulacyjne. Układy te są bardzo złożone i działanie jest uzależnione ściśle od budowy każdego elementu. Układ sterowania może się składać z kilku członów, np. zasilacza, czujnika prądu, układu pomiaru napięcia, układu formowania impulsów sterujących tyrystorami oraz układu zabezpieczeń.
Zastosowanie regulatorów napiecia
Regulatory napięcia stosuje się do regulacji wartości napięcia wytwarzanego przez prądnicę pomocniczą w spalinowych pojazdach trakcyjnych oraz w celu regulacji napięcia przetwarzanego przez przetwornicę w elektrycznych pojazdach trakcyjnych.
Główne parametry regulatorów napięcia
- stabilizacja napięcia [+/- V lub %];
- napięcie znamionowe [V];
- prąd znamionowy [A]
* W przypadku elektromechanicznych regulatorów napięcia podaje się także rezystancje cewek oraz poszczególnych rezystorów.
