Лекция 4. Регуляторы напряжения

1. ОСНОВЫ ПРОЦЕССА АВТОМАТИЧЕСКОГО

РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Зависимость напряжения синхронного генератора от частоты вращения характерна при их использовании на подвижных объектах, в частности, на подъемно – транспортных машинах и механизмах с двигателями внутреннего сгорания, имеющими широкий диапазон изменения частоты вращения. Особенность использования синхронных генераторов на таких объектах заключается в том, что их непосредственной нагрузкой является преобразователь напряжения, а регулировка осуществляется по постоянному току.

Процесс регулирования напряжения генератора сводится к воздействию на значение магнитного потока. Магнитный поток наиболее просто изменять регулированием силы тока возбуждения одним из трех способов: коротким замыканием обмотки возбуждения, прерыванием цепи возбуждения, включением последовательно с обмоткой возбуждения добавочного резистора.

Последний из перечисленных способов реализуется регуляторами напряжения электромагнитного, электронного и смешанного типов. Электронные регуляторы не содержат подвижных частей, подгорающих контактов, не требуют регулировок и потому более надежны. Однако благодаря невысокой стоимости электромагнитные регуляторы еще имеют достаточно широкое применение.

2. СХЕМЫ РЕГУЛЯТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Рассмотрим принцип работы регулятора напряжения по схеме рис. 4.1. В приведенной схеме добавочный резистор R_доб включен последовательно с обмоткой возбуждения. Величина R_доб рассчитывается так, чтобы регулировка напряжения обеспечивалась во всем диапазоне частоты вращения ДВС.

Параллельно R_доб включены выходные нормально замкнутые контакты электромагнитного реле. Когда двигатель не работает, R_доб выключен из цепи возбуждения. Сопротивление цепи возбуждения в этом состоянии обозначим R_в.

Обмотка электромагнитного реле подключена к выходу преобразователя напряжения, т. е. питается напряжением постоянного тока U. Из курса электротехники известно, что сила притяжения якоря реле может быть определена выражением

. (4.1)

Очевидна зависимость силы притяжения якоря от силы тока обмотки реле I_об, а значит и от напряжения U, так как I_об = U/R_об. Здесь R_об – сопротивление обмотки реле.

Допустим, что с увеличением частоты вращения напряжение на выходе генератора превысило регулируемое значение U_р. При этом сила притяжения якоря (4.1) превысит силу удерживающей пружины реле, и клапан реле разомкнет контакты. В цепь возбуждения включается сопротивление добавочного резистора, что приводит к уменьшению тока возбуждения I_в = U_р / (R_в + R_доб) и, как следствие, к уменьшению напряжения U. Снижение напряжения U уменьшает I_об и F. Контакты реле замыкаются и выключают R_доб из цепи возбуждения. Далее процесс повторяется.

Большая частота включения и выключения R_доб приводит к тому, что эквивалентное сопротивление цепи R_э определяется выражением

R_э = R_в +τ_в∙R_доб,

а ток возбуждения

I_в = U_р / (R_в + τ_в∙R_доб),

где τ_в = t_в/(t_о +t_в) – относительная продолжительность включения резистора, t_о, t_в – время отключения и включения R_доб.

В диапазоне малых частот вращения двигателя, от нуля до некоторого значения n₁, напряжение на выходе генератора практически пропорционально n, но меньше регулируемого – U_р (рис. 4.2). Регулятор не работает, τ_в = 0, а ток возбуждения возрастает от 0 до I_{в макс}.

При дальнейшем увеличении частоты вращения двигателя регулятор включается в работу. Напряжение на выходе генератора стабилизируется, а относительное время включения добавочного резистора – τ_в увеличивается от 0 до 1. Ток возбуждения уменьшается от I_{в макс} до I_{в мин} = U / (R_в +R_доб).

Основным недостатком рассмотренного регулятора является искрение, разрушающее контакты реле. Разрывная мощность на контактах

определяется произведением

. (4.2)

Уменьшение разрывной мощности за счет R_доб приведет к уменьшению максимальной частоты вращения ДВС, что не приемлемо. Уменьшение I_в приведет к увеличению габаритов и массы генератора при прочих равных параметрах. Поэтому рассмотренный регулятор напряжения применим для маломощных генераторов.

С увеличением мощности генератора применяют двухступенчатый регулятор или разделяют обмотки возбуждения на две параллельные ветви. В качестве примера рассмотрим двухступенчатый реле – регулятор РР380, который устанавливается совместно с генератором Г221. Схема реле – регулятора приведена на рис. 4.3.

Контактная группа реле содержит нормально замкнутые 1-2 и нормально разомкнутые 3-4 контакты. При неработающем двигателе якорь реле и контактная группа находятся в исходном состоянии (как показано на рис. 4.3). Первая пара контактов 1-2 шунтирует R_доб и дроссель L. Дроссель предназначен для сглаживания бросков тока через контакты второй группы. Обмотка реле подключена к выходу преобразователя напряжения через резистор температурной компенсации R_Т.

В диапазоне малой частоты вращения двигателя, от 0 до n₁, прерыватель не работает, напряжение на выходе генератора и ток возбуждения I_в практически пропорциональны n (рис.4.4).

С увеличением оборотов двигателя до n₁ напряжение на выходе генератора достигает порога регулирования U_р. Сила притяжения якоря (4.1) увеличивается и перебрасывает его в положение 1. Контакты 1-2 размыкаются, контакты 2-3 остаются разомкнутыми. Добавочный резистор R_доб и дроссель L включаются в цепь возбуждения. Первая ступень регулирования начинает работать как в одноступенчатом реле.

Отличительной особенностью схемы двухступенчатых реле является то, что величина добавочного резистора R_доб значительно меньше, чем у одноступенчатых регуляторов. Это позволяет существенно уменьшить разрывную мощность на контактах (4.2) и продлить срок службы контактов. Однако диапазон регулирования при этом уменьшается. Значение R_доб и L рассчитывают так, чтобы при частоте вращения 0,5∙n_макс контакты первой ступени перестали замыкаться. Это означает, что регулирование первой ступенью реле прекратилось. Дальнейшее увеличение n приведет к росту напряжения на выходе генератора, причем, U > U_р (рис. 4.4).

С увеличением напряжения U растет сила притяжения якоря к ярму (4.1). Когда выполнится равенство U = U_р1, нажимной клапан реле переходит в положение 2 (рис. 4.4) и замыкает контакты 3-4, шунтируя обмотку возбуждения. Ток возбуждения и напряжение генератора резко падают, при этом контакты 3-4 размыкаются. Начинает работать вторая ступень регулирования.

Основным недостатком реле – регуляторов является низкий срок их службы. Для устранения этого недостатка разработаны и внедрены регуляторы электронного и смешанного типов.

Схема регулятора смешанного типа приведена на рис. 4.5. Схема включает трехфазный синхронный генератор, трехфазный мостовой выпрямитель, транзистор Т₁, резисторы R_д, R₁ и электромагнитное реле. Управляющим органом являются контакты реле, включенные в цепь базы транзистора, а чувствительным элементом – обмотка реле, включенная на напряжение генератора. Транзистор Т₁ работает в ключевом режиме.

Если напряжение генератора меньше регулируемого, контакты реле разомкнуты, а в цепи базы протекает ток, поддерживающий транзистор в открытом и насыщенном состоянии. Ток транзистора является и током обмотки возбуждения. Напряжение на зажимах 1 – 1′ является выходным напряжением генератора и определяется частотой вращения ротора.

При увеличении частоты вращения ротора напряжение генератора увеличивается. Когда напряжение становится выше регулируемого, контакты реле замыкаются. Участок цепи база – эмиттер шунтируется, и транзистор закрывается. Теперь ток обмотки возбуждения протекает по добавочному резистору R_д и уменьшается. Уменьшение тока возбуждения приводит к уменьшению напряжения генератора и, как следствие, к размыканию контактов реле. Далее процесс повторяется, а напряжение генератора колеблется около регулируемого значения.

Достоинство схемы – контакты реле нагружены малым током, а поэтому не подгорают и не изнашиваются. Недостаток – нестабильность регулируемого напряжения. Недостаток обусловлен изменением характеристики возвратной пружины при ее старении.

Свободны от этого недостатка электронные регуляторы напряжения. Одна из возможных схем такого регулятора приведена на рис. 4.6. В этой схеме электромагнитное реле заменено транзистором Т₂, стабилитроном D₁ и делителем напряжения R₂, R₃. Транзисторы Т₁ и Т₂ работают в ключевом режиме. Напряжение стабилизации равно напряжению регулирования.

При напряжении генератора ниже регулируемого стабилитрон закрыт. Цепь делителя R₂, R₃ разорвана большим сопротивлением закрытого стабилитрона. К базе транзистора Т₂ через резистор R₂ приложен положительный потенциал выпрямителя, которым транзистор надежно закрыт. Такое состояние эквивалентно разомкнутым контактам реле в схеме рис. 4.5. К базе транзистора Т₁ через резистор R₁ приложен отрицательный потенциал выпрямителя. Под действием этого потенциала транзистор Т₁ открыт и насыщен, его сопротивление пренебрежимо мало. В этом состоянии цепь обмотки возбуждения замыкается через транзистор Т₁ и имеет минимальное сопротивление.

С увеличением частоты вращения ротора напряжение генератора увеличивается. Когда напряжение становится выше регулируемого, стабилитрон пробивается. Через делитель R₂, R₃ начинает протекать ток, создавая падение напряжения на резисторах. Отрицательный потенциал падения напряжения на R₂ приложен к базе транзистора Т₂ и открывает его, при этом база транзистора Т₁ подключается к положительному потенциалу источника. Транзистор Т₁ закрывается, в цепь обмотки возбуждения включается добавочный резистор R_д, и напряжение генератора падает.

Падение напряжения на зажимах 1 – 1′ вызывает запирание стабилитрона. При этом транзистор Т₂ закрывается, а транзистор Т₁ открывается и шунтирует R_д. Напряжение генератора начинает увеличиваться. Далее процесс периодически повторяется, а напряжение генератора колеблется около регулируемого значения.

3. СХЕМНОЕ И КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ

РЕГУЛЯТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Основные тенденции в развитии конструкции, технологии изготовления и схемного исполнения регуляторов напряжения определяются достижениями в области электроники, стремлением к их микроминиатюризации и к расширению выполняемых функций. Вибрационные и контактно-транзисторные регуляторы в настоящее время полностью заменены транзисторными регуляторами напряжения. По схемному решению современные регуляторы разделяют на две группы. К первой группе относят регуляторы традиционного схемного исполнения. Частота их переключения определяется режимом работы генератора. Регуляторы второй группы имеют стабилизированную частоту переключения и работают по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Современные регуляторы выпускаются, как правило, встроенными в генератор. Тем не менее, отечественная промышленность выпускает целую серию малогабаритных регуляторов напряжения для размещения вне генератора. Эти регуляторы предназначены для замены ранее выпускавшихся реле-регуляторов, контактно-транзисторных и устаревших транзисторных регуляторов. Они имеют идентичные корпуса и унифицированные подложки, позволяющие устанавливать их на разные модели автомобилей.

На автомобилях «Волга» ГАЗ 31029 и «Газель» ГАЗ-33021 применяется регулятор 13.3702-01, схема которого приведена на рис. 4.7. Измерительным элементом этого регулятора является делитель напряжения на резисторах R₁, R₂, R₃, причем, резистор R₁ подбирается при настройке. Элементом сравнения является стабилитрон D₁ , включенный в цепь эмиттера транзистора Т₁, что увеличивает ток стабилитрона, а, следовательно, точность стабилизации напряжения. Транзисторы Т3, Т4 включены по схеме составного транзистора.

Рассмотрим принцип работы схемы. При открытом транзисторе Т₁ открыт и транзистор Т₂, так как его ток базы протекает через переход эмиттер-коллектор Т₁. Составной транзистор Т₃, Т₄ закрыт, так как его переход эмиттер-база зашунтирован переходом эмиттер-коллектор открытого транзистора Т₂. Если напряжение генератора уменьшится и станет меньше напряжения стабилизации стабилитрона D₁, то последний закрывается. Это эквивалентно разрыву цепи эмиттера Т₁. Транзисторы Т₁ и Т₂ закрываются, а составной транзистор Т₃, Т₄ открывается.

Резистор R₂ является элементом жёсткой обратной связи, повышающей частоту переключения регулятора напряжения. Переход составного транзистора Т₃, Т₄ в открытое состояние подключает резистор R₂ параллельно резистору R₄, что вызывает уменьшение напряжения на стабилитроне D₁ и ускоряет его запирание.

Цепь, состоящая из элементов Т₅, R₁₂ и С₂, выполняет две функции. В нормальном режиме работы она обеспечивает ускоренное переключение составного транзистора Т₃, Т₄, а в аварийном режиме – осуществляет защиту этого транзистора от перегрузки.

Диод D₃ – гасящий, D₄ – защищает регулятор от импульсов напряжения обратной полярности. Конденсатор С₁ осуществляет фильтрацию колебаний входного напряжения и исключает их влияние на работу регулятора напряжения.

Аналогичное схемное исполнение имеют регуляторы напряжения 131.3702 автомобилей ГАЗ-3307, 121.3701 и 201.3702. Регулятор 131.3702 имеет дублированный вывод «Ш» и дополнительный вывод «+» для создания второго уровня регулируемого напряжения. Регулятор 121.3701 отличается малогабаритным исполнением и может работать с генератором, имеющим обмотку возбуждения, соединенную с «массой».

Схема регулятора напряжения 4202.3702 автомобиля ЗИЛ-5301 «Бычок» приведена на рис. 4.8. Схема отличается тем, что снабжена автоматической системой изменения уровня напряжения в зависимости от температуры электролита аккумуляторной батареи. Терморезистор, помещённый в электролит, включен параллельно одному из плеч входного делителя напряжения. Изменение сопротивления терморезистора из-за изменения температуры электролита перестраивает регулятор.

На рис. 4.9 приведены схемы интегральных регуляторов Я112А1, Я112В1 и Я120М1. Регуляторы выполнены по гибридной технологии на керамической подложке с нанесением на неё толстоплёночных резисторов, распайкой переходов выходного транзистора, гасящего диода и навеской микросхемы, состоящей из стабилитрона и входного транзистора.

Базовым является регулятор напряжения Я112А1. Регулятор Я112В1 отличается тем, что имеет дополнительный вывод «Б», к которому напряжение подводится через выключатель зажигания. При неработающем двигателе на выходе «Б» нет напряжения, ток в базовой цепи транзистора Т₂ не протекает, он закрыт, не пропускает ток от аккумуляторной батареи к обмотке возбуждения.

Регулятор Я120М1 имеет дополнительный вывод «Д», а также – вывод «Р» для подключения переключателя посезонной регулировки.

В настоящее время многие отечественные фирмы выпускают аналоги перечисленных выше регуляторов. Например, аналогом Я112А1 являются регуляторы 41.3702, 44.3702, 4302.3702; аналогом Я112В1 – 411.3702, 4322.3702. Непрерывно расширяется применение регуляторов с ШИМ, например, Я212А11Е, 36.3702, 412.3702, 444.3702.

4. СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК

Электрические принципиальные схемы генераторных установок приведены на рис. 4.10. На схемах применяются следующие обозначения выводов:

– плюс силового выпрямителя – «+», В, 30,

– «масса» – М, 31, В-,

– плюс вспомогательного выпрямителя – Д(61), Д+,

– вывод обмотки возбуждения – Ш, 67, DF,

– вывод для соединения с лампой контроля исправности – L, D, D+,

– вывод нулевой точки обмотки статора – 0,

– вывод регулятора напряжения для подключения его в бортовую сеть, обычно к «+» аккумуляторной батареи – Б, 15, S,

– вывод регулятора напряжения для питания его от выключателя зажигания – IG,

– вывод регулятора напряжения для соединения его с бортовым компьютером – FR.

Различают два типа невзаимозаменяемых регулятора напряжения. В первом типе (рис. 4.10, а) выходной коммутирующий элемент регулятора напряжения соединяет вывод обмотки возбуждения генератора с «+» бортовой сети, а во втором (рис. 4.10, б, в) – с «-». Транзисторные регуляторы напряжения второго типа являются более распространенными.

Для контроля работоспособности в схеме рис. 4.10, а введена контрольная лампа 8, которая питается через нормально замкнутые контакты реле 6. Лампа загорается после включения замка зажигания и гаснет после пуска двигателя, так как под действием напряжения генератора реле 6 срабатывает, размыкая контакты. Если лампа 8 после пуска двигателя горит, значит, генераторная установка неисправна.

В некоторых случаях обмотка реле 6 подключается к выводу фазы генератора.

Чтобы исключить разряд аккумуляторной батареи на стоянке, цепь обмотки возбуждения генератора в схемах рис. 4.10, а, б замыкается через выключатель зажигания. При этом контакты выключателя коммутируют ток до 5А, что снижает срок их службы. Поэтому более прогрессивна схема рис. 4.10, в, в которой выключатель зажигания замыкает лишь цепь управления регулятора напряжения. При этом коммутируемый ток составляет доли ампер.

К недостатку рассмотренных схем относят падение напряжения на сопротивлении контактов выключателя зажигания и других коммутирующих или защитных элементах. Это приводит к изменению уровня регулируемого напряжения и, как следствие, к изменению частоты переключения выходного транзистора регулятора, миганию ламп осветительной и светосигнальной аппаратуры, колебанию стрелок приборов.

На автомобилях с дизельными двигателями может применяться генераторная установка на два уровня напряжения – 14/28 В. Второй уровень напряжения – 28 В используется для зарядки аккумуляторной батареи, работающей при пуске ДВС. Для получения второго уровня используется электронный удвоитель напряжения или трансформаторно-выпрямительный блок, как показано на рис. 4.10, г. В такой системе регулятор стабилизирует только первый уровень напряжения – 14 В.

В схеме рис. 4.10, д обмотка возбуждения подключена к выводу «Д» собственного выпрямителя. Для улучшения условий возбуждения генератора на малых частотах вращения ротора предусмотрено питание обмотки возбуждения небольшим током через контрольную лампу 8. Резистор 13 обеспечивает самовозбуждение генератора даже в случае перегорания контрольной лампы.

Стабилитрон 12 предназначен для подавления возможных всплесков напряжения, опасных для электронной аппаратуры.

К недостатку схемы рис.4.10, д относится разряд аккумуляторной батареи малым током по цепи регулятора напряжения при неработающем двигателе. Поэтому при длительной стоянке рекомендуется снимать наконечник провода с клеммы «+» аккумуляторной батареи.

Схема рис. 4.10, е характерна для генераторных установок с номинальным напряжением 28 В. В этой схеме обмотка возбуждения соединена с нулевой точкой обмотки статора, поэтому напряжение на ней вдвое меньше, чем напряжение генератора. Вдвое меньше и величина пульсаций, что повышает надежность работы полупроводниковых приборов.

В некоторых генераторных установках регулятор поддерживает напряжение не на силовом выходе «+», а на выводе дополнительного выпрямителя, как показано на рис. 4.10, ж. Схема является модификацией схемы рис. 4.10, д, но устраняет недостаток последней – разряд аккумуляторной батареи на длительной стоянке. В схеме рис. 4.10, ж силовой выпрямитель выполнен на стабилитронах. В нормальном режиме стабилитроны работают как обычные диоды, а в аварийном – предотвращают опасные всплески напряжения.

Схема рис. 4.10, з широко применяется американскими и японскими фирмами. Схема более проста, но требует расширения функций и усложнения схемы регулятора. На регулятор переносятся функции предотвращения разряда аккумуляторной батареи при неработающем ДВС и управления лампой контроля работоспособного состояния генераторной установки.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

4.1. Перечислите возможные способы регулирования напряжения автомобильных генераторов.

4.2. Определите разрывную мощность контактов, а также диапазон изменения R_э и I_в при изменении τ_в от 0 до 1, если полагать U_р = 14 В, R_в = 2,5 Ом, а R_доб = 1 Ом.

4.3. Как изменится работа регулятора напряжения по рис 4.1, если последовательно R_доб включить дроссель L?

4.4. Какие элементы схемы электронного регулятора напряжения, приведенной на рис. 4.6, выполняют роль чувствительных и исполнительных?

4.5. Определите аналогичные элементы в схеме рис. 4.7.

4.6. Какие функции выполняет транзистор Т₁ в схеме рис. 4.7?

4.7. Выявите основные отличительные особенности схем интегральных регуляторов напряжения, приведенных на рис. 4.9.

4.8. Проведите сравнительный анализ схем генераторных установок по рис. 4.10, а, б и в. Какая из трех схем более совершенна и почему? В чем заключаются недостатки этих схем?

4.9. Чем определяется особенность схемы генераторной установки, приведенной на рис. 4.10, г?

4.10. Какими преимуществами обладает схема генераторной установки рис. 4.10, ж в сравнении со схемой рис. 4.10, д?

Дата добавления: 2015-05-06