ВРемонт.su — ремонт фото видео аппаратуры, бытовой техники, обзор и анализ рынка сферы услуг

Регуляторы напряжения автомобильных генераторов

Рис. 1. Способы управления током возбуждения: Г — генератор с параллельным возбуждением; W_в — обмотка возбуждения; R_д — дополнительное сопротивление; R — балластное сопротивление; К — коммутатор тока (регулирующий орган) в цепи возбуждения; а, б, в,г, д указаны в тексте.

Современный автомобильный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) работает в широком интервале изменения оборотов (900. 6500 об/мин). Соответственно изменяется и частота вращения ротора автомобильного генератора, а значит и его выходное напряжение.

Зависимость выходного напряжения генератора от оборотов двигателя внутреннего сгорания недопустима, так как напряжение в бортовой сети автомобиля должно быть постоянным и не только при изменении оборотов двигателя, но и при изменении тока нагрузки. Функцию автоматического регулирования напряжения в автомобильном генераторе выполняет специальное устройство — регулятор напряжения автомобильных генераторов. Данный материал посвящен рассмотрению регуляторов напряжения современных автомобильных генераторов переменного тока.

Регулирование напряжения в генераторах с электромагнитным возбуждением

Способы регулирования. Если главное магнитное поле генератора наводится электромагнитным возбуждением, то электродвижущая сила E_г генератора может быть функцией двух переменных: частоты n вращения ротора и тока I_в в обмотке возбуждения — E_г = f(n, I_в).

Именно такой тип возбуждения имеет место во всех современных автомобильных генераторах переменного тока, которые работают с параллельной обмоткой возбуждения.

При работе генератора без нагрузки его напряжение U_г равно его электродвижущей силе ЭДС E_г:
U_г = E_г = СФ_n (1).

Напряжете U_г генератора под током I_н нагрузки меньше ЭДС E_г на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении r_г генератора, т.е. можно записать, что
E_г = U_г + I_нr_г = U_г(1 + β) (2).

Величина β = I_нr_г/U_г называется коэффициентом нагрузки.

Из сравнения формул 1 и 2 следует, что напряжение генератора
U_г = nСФ/(1 + β), (3)
где С — постоянный конструктивный коэффициент.

Уравнение (3) показывает, что как при разных частотах (n) вращения ротора генератора (n = Var), так и при изменяющейся нагрузке (β = Var), неизменность напряжения U_г генератора может быть получена только соответствующим изменением магнитного потока Ф.

Магнитный поток Ф в генераторе с электромагнитным возбуждением формируется магнитодвижущей силой F_в = W I_в обмотки W_в возбуждения (W — число витков обмотки W_в) и может легко управляться с помощью тока I_в в обмотке возбуждения, т.е. Ф = f (I_в). Тогда U_г = f[n, β, f(I_в)] 1 что позволяет удерживать напряжение U_г генератора в заданных пределах регулирования при любых изменениях его оборотов и нагрузки соответствующим выбором функции f(I_в) регулирования.

Автоматическая функция f(I_в) регулирования в регуляторах напряжения сводится к уменьшению максимального значения тока I_в в обмотке возбуждения, которое имеет место при I_в = U_г/R_w (R_w — активное сопротивление обмотки возбуждения) и может уменьшаться несколькими способами (рис. 1): подключением к обмотке W_в параллельно (а) или последовательно (б) дополнительного сопротивления R_д: закорачиванием обмотки возбуждения (в); разрывом токовой цепи возбуждения (г). Ток через обмотку возбуждения можно и увеличивать, закорачивая последовательное дополнительное сопротивление (б).

Все эти способы изменяют ток возбуждения скачкообразно, т.е. имеет место прерывистое (дискретное) регулирование тока. В принципе возможно и аналоговое регулирование, при котором величина последовательного дополнительного сопротивления в цепи возбуждения изменяется плавно (д).

Но во всех случаях напряжение U_г генератора удерживается в заданных пределах регулирования соответствующей автоматической корректировкой величины тока возбуждения.

Дискретно — импульсное регулирование

В современных автомобильных генераторах магнитодвижущую силу F_в обмотки возбуждения, а значит и магнитный поток Ф, изменяют периодическим прерыванием или скачкообразным уменьшением тока I_в возбуждения с управляемой частотой прерывания, т.е. применяют дискретно-импульсное регулирование рабочего напряжения U_г генератора (ранее применялось аналоговое регулирование, например, в угольных регуляторах напряжения).

Суть дискретно-импульсного регулирования станет понятной из рассмотрения принципа действия генераторной установки, состоящей из простейшего контактно-вибрационного регулятора напряжения, и генератора переменного тока (ГПТ).

Рис. 2. Функциональная (а) и электрическая (б) схемы генераторной установки с вибрационным регулятором напряжения.

Функциональная схема генераторной установки, работающей совместно с бортовой аккумуляторной батареей (АКБ), показана на рис. 2а, а электрическая схема — на рис. 26.

В состав генератора входят: фазные обмотки W_ф на статоре СТ, вращающийся ротор R, силовой выпрямитель ВП на полупроводниковых диодах VD, обмотка возбуждения W_в (с активным сопротивлением R_w). Механическую энергию вращения A_м = f_(n) ротор генератора получает от ДВС. Вибрационный регулятор напряжения РН выполнен на электромагнитном реле и включает в себя коммутирующий элемент КЭ и измерительный элемент ИЭ.

Коммутирующий элемент КЭ — это вибрационный электрический контакт К, замыкающий или размыкающий дополнительное сопротивление R_д, которое включено с обмоткой возбуждения W_в генератора последовательно. При срабатывании коммутирующего элемента (размыкание контакта К) на его выходе формируется сигнал τR_д (рис. 2а).

Измерительный элемент (ИЭ, на рис. 2а) — это та часть электромагнитного реле, которая реализует три функции:

1. функцию сравнения (СУ) механической упругой силы F_n возвратной пружины П с магнитодвижущей силой F_s = W_sI_s релейной обмотки S (W_s — число витков обмотки S, I_s — ток в релейной обмотке), при этом результатом сравнения является сформированный в зазоре с период Т (Т = t_р + t_з) колебаний якоря N;
2. функцию чувствительного элемента (ЧЭ) в цепи обратной связи (ЦОС) регулятора напряжения, чувствительным элементом в вибрационных регуляторах является обмотка S электромагнитного реле, подключенная непосредственно к напряжению U_г генератора и к аккумуляторной батарее (к последней через ключ зажигания ВЗ);
3. функцию задающего устройства (ЗУ), которое реализуется с помощью возвратной пружины П с силой упругости F_п и опорной силой F_о.

Работа регулятора напряжения с электромагнитным реле наглядно может быть пояснена с помощью скоростных характеристик генератора (рис. 3 и 4).

Рис. 3. Изменение U_г, I_в, R_б во времени t: а — зависимость текущего значения выходного напряжения генератора от времени t — U_г = f (t); б — зависимость текущего значения в обмотке возбуждения от времени — I_в = f (t); в — зависимость среднеарифметического значения сопротивления в цепи возбуждения от времени t — R_б = f(t); I — время, отвечающее частоте (n) вращения ротора генератора.

Пока напряжение U_г генератора ниже напряжения U_б аккумуляторной батареи (U_г U_б) магнитодвижущая сила F_s релейной обмотки становится больше силы F_п возвратной пружины П, т.е. F_s= I_s W_s > F_п. Электромагнитное реле срабатывает и контакт К размыкается, при этом в цепь обмотки возбуждения включается дополнительное сопротивление.

Еще до размыкания контакта К ток I_в в обмотке возбуждения достигает своего максимального значения I_{в max} = U_гR_w > I_вб, от которого, сразу после размыкания контакта К, начинает падать, стремясь к своему минимальному значению I_{в min} = U_г/(R_w + R_д). Вслед за падением тока возбуждения напряжение генератора начинает соответственно уменьшаться (U_г = f(I_в), что приводит к падению тока I_s = U_г/R_s в релейной обмотке S и контакт К вновь размыкается усилием возвратной пружиной П (F_п > F_s). К моменту размыкания контакта К напряжение генератора U_г становится равным своему минимальному значению U_min, но остается несколько больше напряжения аккумуляторной батареи (U_гmin > U_б).

Начиная с момента размыкания контакта К (n = n_min, рис. 3), даже при неизменной частоте n вращения ротора генератора, якорь N электромагнитного реле входит в режим механических автоколебаний и контакт К, вибрируя, начинает периодически, с определенной частотой коммутации f_к = I/Т = I/(t_р + t_з) то замыкать, то размыкать дополнительное сопротивление R_д в цепи возбуждения генератора (зеленая линия на участке n = n_ср = const, рис. 3). При этом сопротивление R_в в токовой цепи возбуждения изменяется скачкообразно от значения R_w до величины R_w+R_д.

Так как при работе регулятора напряжения контакт К вибрирует с достаточно высокой частотой f_к коммутации, то R_в = R_w + τ_р где величина τ_р — это относительное время разомкнутого состояния контакта К, которое определяется по формуле τ_р = t_р/(t_з + t_р), I/(t_з + t_р) = f_к — частота коммутации. Теперь среднее, установившееся для данной частоты f_к коммутации, значение тока возбуждения может быть найдено из выражения:

I_{в ср} = U_{г ср}/R_в = U_{г ср}/(R_w+τ_рR_д) = U_{г ср}/(R_w + R_дt_р/f_к),
где R_в — среднеарифметическое (эффективное) значение пульсирующего сопротивления в цепи возбуждения, которое при увеличении относительного времени τ_р разомкнутого состояния контакта К также увеличивается (зеленая линия на рис. 4).

Рис. 4. Скоростные характеристики генератора.

Процессы при коммутациях с током возбуждения

Рассмотрим более подробно, что происходит при коммутациях с током возбуждения. Когда контакт К длительно замкнут, по обмотке W_в возбуждения протекает максимальный ток возбуждения I_в = U_г/R_w.

Однако обмотка возбуждения W_в генератора представляет собой электропроводную катушку с большой индуктивностью и с массивным ферромагнитным сердечником. Как следствие, ток через обмотку возбуждения после замыкания контакта К нарастает с замедлением. Это происходит потому, что скорости нарастания тока препятствует гистерезис в сердечнике и противодействующая нарастающему току — ЭДС самоиндукции катушки.

При размыкании контакта К ток возбуждения стремится к минимальной величине, значение которой при длительно разомкнутом контакте определяется как I_в = U_г/(R_w + R_д). Теперь ЭДС самоиндукции совпадает по направлению с убывающим током и несколько продлевает процесс его убывания.

Из сказанного следует, что ток в обмотке возбуждения не может изменяться мгновенно (скачкообразно, как дополнительное сопротивление R_д) ни при замыкании, ни при размыкании цепи возбуждения. Более того, при высокой частоте вибрации контакта К ток возбуждения может не достигать своей максимальной или минимальной величины, приближаясь к своему среднему значению (рис. 4), так как величина t_р = τ_р/f_к увеличивается с увеличением частоты f_к коммутации, а абсолютное время t_з замкнутого состояния контакта К уменьшается.

Из совместного рассмотрения диаграмм, показанных на рис. 3 и рис. 4, вытекает, что среднее значение тока возбуждения (красная линия б на рис. 3 и рис. 4) при повышении оборотов n уменьшается, так как при этом увеличивается среднеарифметическая величина (зеленая линия на рис. 3 и рис. 4) суммарного, пульсирующего во времени, сопротивления R_в цепи возбуждения (закон Ома). При этом среднее значение напряжения генератора (U_ср на рис. 3 и рис. 4) остается неизменным, а выходное напряжение U_г генератора пульсирует в интервале от U_max до U_min.

Если же увеличивается нагрузка генератора, то регулируемое напряжение U_г первоначально падает, при этом регулятор напряжения увеличивает ток в обмотке возбуждения настолько, что напряжение генератора обратно повышается до первоначального значения.

Таким образом, при изменении тока нагрузки генератора (β = V_ar) процессы регулирования в регуляторе напряжения протекают так же, как и при изменении частоты вращения ротора.

Пульсации регулируемого напряжения. При постоянной частоте n вращения ротора генератора и при постоянной его нагрузке рабочие пульсации тока возбуждения (ΔI_в на рис. 46) наводят соответствующие (по времени) пульсации регулируемого напряжения генератора.

Амплитуда пульсаций ΔU_г — 0,5(U_max — U_min)* регулятора напряжения U_г от амплитуды тоновых пульсаций ΔI_в в обмотке возбуждения не зависит, так как определяется заданным с помощью измерительного элемента регулятора интервалом регулирования. Поэтому пульсации напряжения U_г на всех частотах вращения ротора генератора практически одинаковы. Однако скорость нарастания и спада напряжения U_г в интервале регулирования определяется скоростью нарастания и спада тока возбуждения и, в конечном счете, частотой вращения (n) ротора генератора.

* Следует заметить, что пульсации 2ΔU_г являются неизбежным и вредным побочным проявлением работы регулятора напряжения. В современных генераторах они замыкаются на массу шунтирующим конденсатором Сш, который устанавливается между плюсовой клеммой генератора и корпусом (обычно Сш = 2,2 мкФ)

Когда нагрузка генератора и частота вращения его ротора не изменяются, частота вибрации контакта К также неизменна (f_к = I/(t_з + t_р) = const). При этом напряжение U_г генератора пульсирует с амплитудой ΔU_р = 0,5(U_max — U_min) около своего среднего значения U_ср.

При изменении частоты вращения ротора, например, в сторону увеличения или при уменьшении нагрузки генератора, время t_з замкнутого состояния становится меньше времени t_р разомкнутого состояния (t_з 14,5 В; транзистор V2 управляет выходным каскадом; V3 — запирающий диод на входе выходного каскада; V4, V5 — мощные транзисторы выходного каскада (составной транзистор), включенные последовательно с обмоткой возбуждения (коммутирующий элемент КЭ для тока I_в); V6 шунтирующий диод для ограничения ЭДС самоиндукции обмотки возбуждения; R4, C1, R3 цепочка обратной связи, ускоряющая процесс отсечки тока I_в возбуждения.

Еще более совершенным регулятором напряжения является электронный регулятор в интегральном исполнении. Это такое исполнение, при котором все его компоненты, кроме мощного выходного каскада (обычно это составной транзистор), реализованы с помощью тонкопленочной микроэлектронной технологии. Эти регуляторы настолько миниатюрны, что практически не занимают никакого объема и могут устанавливаться непосредственно на корпусе генератора в щеткодержателе.

Примером конструктивного исполнения ИРН может служить регулятор фирмы BOSCH-EL14V4C, который устанавливается на генераторах переменного тока мощностью до 1 кВт (рис. 6).

В заключение следует отметить, что интегральные регуляторы напряжения, в принципе, ремонту не подлежат. Кроме некоторых отдельных случаев, которые подробно рассматривали здесь
Автомобильные генераторы фирмы BOSCH
и здесь
Автомобильный генератор Bosch K114v23/55a — конструкция и принципиальная схема.