Реле-регулятор напряжения: принцип действия. Регуляторы напряжения

Введение

Цель – изучение конструкции и диагностических параметров регуляторов напряжения.

1. Рассмотреть конструкции регуляторов напряжения.

2. Изучить порядок подключения генератора и регулятора напряжения к установке.

3. Снять диагностические параметры регулятора напряжения согласно порядку выполнения лабораторной работы.

4. Дать оценку полученным результатам.

5. Составить отчет о проделанной работе.

Теория

Принцип работы регулятора напряжения

Регулятор напряжения поддерживает напряжение бортовой сети в заданных пределах во всех режимах работы - при изменении частоты вращения ротора генератора, электрической нагрузки, температуры окружающей среды. Кроме того, он может выполнять дополнительные функции - защищать элементы генераторной установки от аварийных режимов и перегрузок, автоматически включать в бортовую сеть силовую цепь генераторной установки или обмотку возбуждения.

По своей конструкции регуляторы делятся на бесконтактные транзисторные, контактно-транзисторные и вибрационные (реле-регуляторы). Разновидностью бесконтактных транзисторных регуляторов являются интегральные регуляторы, выполняемые по специальной гибридной технологии, или монолитные - на монокристалле кремния. Несмотря на столь разнообразное конструктивное исполнение, все регуляторы работают по единому принципу.

Напряжение генератора зависит от трех факторов - частоты вращения его ротора, силы тока нагрузки и величины магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения, который зависит от силы тока в этой обмотке. Любой регулятор напряжения содержит:

· чувствительный элемент, воспринимающий напряжение генератора (обычно это делитель напряжения на входе регулятора),

· элемент сравнения, в котором напряжение генератора сравнивается с эталонной величиной,

· регулирующий орган, изменяющий силу тока в обмотке возбуждения, если напряжение генератора отличается от эталонной величины.

В реальных регуляторах эталонной величиной может быть не обязательно электрическое напряжение, но и любая физическая величина, достаточно стабильно сохраняющая свое значение, например, сила натяжения пружины в вибрационных и контактно-транзисторных регуляторах.

В транзисторных регуляторах эталонной величиной является напряжение стабилизации стабилитрона, к которому напряжение генератора подводится через делитель напряжения. Управление током в обмотке возбуждения осуществляется электронным или электромагнитным реле.

Частота вращения ротора и нагрузка генератора изменяются в соответствии с режимом работы автомобиля, а регулятор напряжения любого типа компенсирует влияние этого изменения на напряжение генератора воздействием на ток в обмотке возбуждения. При этом вибрационный или контактно-транзисторный регулятор включает в цепь и выключает из цепи обмотки возбуждения последовательно резистор (в двухступенчатых вибрационных регуляторах при работе на второй ступени «закорачивает» эту обмотку на массу), а бесконтактный транзисторный регулятор напряжения периодически подключает и отключает обмотку возбуждения от цепи питания.

В обоих вариантах изменение тока возбуждения достигается за счет перераспределения времени нахождения переключающего элемента регулятора во включенном и выключенном состояниях.

Если сила тока возбуждения должна быть, например, для стабилизации напряжения, увеличена, то в вибрационном и контактно-транзисторном регуляторах время включения резистора уменьшается по сравнению со временем его отключения, а в транзисторном регуляторе время включения обмотки возбуждения в цепь питания увеличивается по отношению к времени ее отключения.

На Рис. 2.1 показано влияние работы регулятора на силу тока в обмотке возбуждения для двух частот вращения ротора генератора n1 и n2, причем частота вращения n2 больше, чем n1.

При большей частоте вращения относительное время включения обмотки возбуждения в цепь питания транзисторным регулятором напряжения уменьшается, среднее значение силы тока возбуждения уменьшается, чем и достигается стабилизация напряжения.

Рис. 2.1. Изменение тока в обмотке возбуждения

при различной частоте вращения ротора n(n2>n1)

tвкл и tвыкл – время нахождения реле соответственно во включенном и выключенном состояниях.

С ростом нагрузки напряжение уменьшается, относительное время включения обмотки увеличивается, среднее значение силы тока возрастает таким образом, что напряжение генераторной установки остается практически неизменным.

На Рис. 2.2 представлены типичные регулировочные характеристики генераторной установки, показывающие, как изменяется сила тока в обмотке возбуждения при неизменном напряжении и изменении частоты вращения или силы тока нагрузки. Нижний предел частоты переключения регулятора составляет 25-30 Гц.

Рис. 2.2. Зависимость напряжения генератора и силы тока в обмотке возбуждения от частоты вращения (а) и силы тока в нагрузке (в)

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 н r г = U г (1 + β) (2).

Величина β = I н r 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 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:

функцию сравнения (СУ) механической упругой силы F n возвратной пружины П с магнитодвижущей силой F s = W s I 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;
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);
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

При увеличении оборотов ДВС напряжение генератора возрастает и при достижении некоторого значения U max) > 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 г R 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 р R д) = U г ср /(R w + R д t 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

При уменьшении частоты ротора генератора (n↓), или при увеличении нагрузки (β), среднее значение тока возбуждения и его пульсации будут расти. Но напряжение генератора будет попрежнему колебаться с амплитудой ΔU г вокруг неизменной величины U г ср.

Постоянство среднего значения напряжения U г генератора объясняется тем, что оно определяется не режимом работы генератора, а конструктивными параметрами электромагнитного реле: числом витков W s релейной обмотки S, ее сопротивлением R s , величиной воздушного зазора σ между якорем N и ярмом М, а также силой F п возвратной пружины П, т.е. величина U ср есть функция четырех переменных: U ср = f(W s , R s , σ, F п).

Электромагнитное реле с помощью подгиба опоры возвратной пружины П настраивается на величину U ср таким образом, чтобы на нижней частоте вращения ротора (n = n min - рис. 3 и рис. 4) контакт К начинал бы размыкаться, а ток возбуждения успевал бы достигать своего максимального значения I в = U г /R w . Тогда пульсации ΔI в и время t з, замкнутого состояния - максимальны. Этим устанавливается нижний предел рабочего диапазона регулятора (n = n min). На средних частотах вращения ротора время t з примерно равно времени t р, и пульсации тока возбуждения становятся почти в два раза меньше. На частоте вращения n, близкой к максимальной (n = n max - рис. 3 и рис. 4), среднее значение тока I в и его пульсации ΔI в - минимальны. При n max происходит срыв автоколебаний регулятора и напряжение U г генератора начинает возрастать пропорционально оборотам ротора. Верхний предел рабочего диапазона регулятора задается величиной дополнительного сопротивления (при определенной величине сопротивления R w).

Выводы . Вышесказанное о дискретно-импульсном регулировании можно обобщить следующим образом: после пуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС), с повышением его оборотов, наступает такой момент, когда напряжение генератора достигает верхнего предела регулирования (U г = U max). В этот момент (n = n min) в регуляторе напряжения размыкается коммутирующий элемент КЭ и сопротивление в цепи возбуждения скачкообразно увеличивается. Это приводит к уменьшению тока возбуждения и, как следствие, к соответствующему падению напряжения U г генератора. Падение напряжения U г ниже минимального предела регулирования (U г = U min) приводит к обратному замыканию коммутирующего элемента КЭ и ток возбуждения начинает снова возрастать. Далее, с этого момента, регулятор напряжения входит в режим автоколебаний и процесс коммутации тока в обмотке возбуждения генератора периодически повторяется, даже при постоянной частоте вращения ротора генератора (n = const).

При дальнейшем увеличении частоты вращения n, пропорционально ей, начинает уменьшаться время t з замкнутого состояния коммутирующего элемента КЭ, что приводит к плавному уменьшению (в соответствии с ростом частоты n) среднего значения тока возбуждения (красная линия на рис. 3 и рис. 4) и амплитуды ΔI в его пульсации. Благодаря этому напряжение U г генератора начинает также пульсировать, но с постоянной амплитудой ΔU г около своего среднего значения (U г = U ср) с достаточно высокой частотой колебаний.

Те же процессы коммутации тока I в и пульсации напряжения U г, будут иметь место и при изменении тока нагрузки генератора (см. формулу 3).

В обоих случаях среднее значение напряжения U г генератора остается неизменным во всем диапазоне работы регулятора напряжения по частоте n (U г ср = const, от n min до n max) и при изменении тока нагрузки генератора от I г = 0 до I г = max.

В сказанном заключается основной принцип регулирования напряжения генератора с помощью прерывистого изменения тока в его обмотке возбуждения.

Электронные регуляторы напряжения автомобильных генераторов

Рассмотренный выше вибрационный регулятор напряжения (ВРН) с электромагнитным реле (ЭМ-реле) имеет ряд существенных недостатков:

как механический вибратор ВРН ненадежен;
контакт К в ЭМ-реле подгорает, что делает регулятор недолговечным;
параметры ВРН зависят от температуры (среднее значение U ср рабочего напряжения U г генератора плавает);
ВРН не может работать в режиме полного обесточивания обмотки возбуждения, что делает его низкочувствительным к изменению выходного напряжения генератора (высокие пульсации напряжения U г) и ограничивает верхнии предел работы регулятора напряжения;
электромеханический контакт К электромагнитного реле ограничивает величину максимального тока возбуждения до значений 2...3 А, что не позволяет применять вибрационные регуляторы на современных мощных генераторах переменного тока.

С появлением полупроводниковых приборов контакт К ЭМ-реле стало возможным заменить эмиттерно-коллекторным переходом мощного транзистора с его управлением по базе тем же контактом К ЭМ-реле.

Так появились первые контактно-транзисторные регуляторы напряжения. В дальнейшем функции электромагнитного реле (СУ, КЭ, УЭ) были полностью реализованы с помощью низкоуровневых (малоточных) электронных схем на полупроводниковых приборах. Это позволило изготавливать чисто электронные (полупроводниковые) регуляторы напряжения.

Особенностью работы электронного регулятора (ЭРН) является то, что в нем отсутствует дополнительный резистор R д, т.е. в цепи возбуждения реализуется практически полное выключение тока в обмотке возбуждения генератора, так как коммутирующий элемент (транзистор) в закрытом (разомкнутом) состоянии имеет достаточно большое сопротивление. При этом становится возможным управление более значительным током возбуждения и с более высокой скоростью коммутации. При таком дискретно-импульсном управлении ток возбуждения имеет импульсный характер, что позволяет управлять как частотой импульсов тока, так и их длительностью. Однако основная функция ЭРН (поддержание постоянства напряжения U г при n = Var и при β = Var) остается такой же, как и в ВРН.

С освоением микроэлектронной технологии регуляторы напряжения сначала стали выпускаться в гибридном исполнении, при котором бескорпусные полупроводниковые приборы и навесные миниатюрные радиоэлементы включались в электронную схему регулятора вместе с толстопленочными микроэлектронными резистивными элементами. Это позволило значительно уменьшить массу и габариты регулятора напряжения.

Примером такого электронного регулятора напряжения может служить гибридно-интегральный регулятор Я-112А, который устанавливается на современных отечественных генераторах.

Регулятор Я-112А (см. схему на рис. 5) является типичным представителем схемотехнического решения задачи дискретно-импульсного регулирования напряжения U г генератора по току I в возбуждения. Но в конструктивном и технологическом исполнении выпускаемые в настоящее время электронные регуляторы напряжения имеют значительные различия.

Рис. 5. Принципиальная схема регулятора напряжения Я-112А: R1...R6 - толстопленочные резисторы: C1, С2 - навесные миниатюрные конденсаторы; V1...V6 - бескорпусные полупроводниковые диоды и транзисторы.

Что касается исполнения регулятора Я-112А, все его полупроводниковые диоды и триоды бескорпусные и смонтированы по гибридной технологии на общей керамической подложке совместно с пассивными толстопленочными элементами. Весь блок регулятора герметичен.

Регулятор Я-112А, как и описанный выше вибрационный регулятор напряжения, работает в прерывистом (ключевом) режиме, когда управление током возбуждения не аналоговое, а дискретно-импульсное.

Принцип работы регулятора напряжения Я-112А автомобильных генераторов

Пока напряжение U г генератора не превышает наперед заданного значения, выходной каскад V4-V5 находится в постоянно открытом состоянии и ток I в обмотки возбуждения напрямую зависит от напряжения U г генератора (участок 0-n на рис. 3 и рис. 4). По мере увеличения оборотов генератора или уменьшения его нагрузки U г становится выше порога срабатывания чувствительной входной схемы (V1, R1-R2), стабилитрон пробивается и через усилительный транзистор V2 выходной каскад V4-V5 закрывается. При этом ток I в в катушке возбуждения выключается до тех пор, пока U г снова станет меньше заданного значения U min . Таким образом, при работе регулятора ток возбуждения протекает по обмотке возбуждения прерывисто, изменяясь от I в = 0 до I в = I max . При отсечке тока возбуждения напряжение генератора сразу не падает, так как имеет место инерционность размагничивания ротора. Оно может даже несколько увеличиться при мгновенном уменьшении тока нагрузки генератора. Инерционность магнитных процессов в роторе и ЭДС самоиндукции в обмотке возбуждения исключают скачкообразное изменение напряжение генератора как при включении тока возбуждения, так и при его выключении. Таким образом, пилообразная пульсация напряжения U г генератора остается и при электронном регулировании.

Логика построения принципиальной схемы электронного регулятора следующая. V1 - стабилитрон с делителем R1, R2 образуют входную цепь отсечки тока I в при U г > 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).

Тиристор это один из мощнейших полупроводниковых приборов, именно поэтому он часто используется в мощных преобразователях энергии. Но он обладает своей спецификой управления: его можно открыть импульсом тока, а вот закроется он только когда ток опуститься почти до нуля (если быть точнее, то ниже тока удержания). Из этого тиристор в основном применяются для коммутирования переменного тока.

Фазовое регулирование напряжения

Существует несколько способов регулирования переменного напряжения тиристорами: можно пропускать или запрещать на выход регулятора целые полупериоды (или периоды) переменного напряжения. А можно включать не в начале полупериода сетевого напряжения, а с некоторой задержкой — ‘a’. В течении этого времени напряжение на выходе регулятора будет равно нулю, а мощность не будет передаваться на выход. Вторую часть полупериода тиристор будет проводить ток и на выходе регулятора появиться входное напряжение.

Время задержки ещё часто называют углом открывания тиристора, так вот при нулевом угле практически всё напряжение со входа будет попадать на выход, только падение на открытом тиристоре будет теряться. При увеличении угла тиристорный регулятор напряжения будет снижать выходное напряжение.

Регулировочная характеристика тиристорного преобразователя при работе на активную нагрузку приведена на следующем рисунке. При угле равном 90 электрических градусов на выходе будет половина входного напряжения, а при угле 180 эл. градусов на выходе будет ноль.

На основе принципов фазового регулирования напряжения можно построить схемы регулирования, стабилизации, а также плавного пуска. Для плавного пуска напряжение нужно повышать постепенно от нуля до максимального значения. Таким образом угол открывания тиристора должен изменяться от максимального значения до нуля.

Схема тиристорного регулятора напряжения

Таблица номиналов элементов

C1 – 0,33мкФ напряжение не ниже 16В;
R1, R2 – 10 кОм 2Вт;
R3 – 100 Ом;
R4 – переменный резистор 33 кОм;
R5 – 3,3 кОм;
R6 – 4,3 кОм;
R7 – 4,7 кОм;
VD1 .. VD4 – Д246А;
VD5 – Д814Д;
VS1 – КУ202Н;
VT1 – КТ361B;
VT2 – КТ315B.

Схема построена на отечественной элементной базе, собрать её можно из тех деталей, которые провалялись у радиолюбителей 20-30 лет. Если тиристор VS1 и диоды VD1-VD4 установить на соответствующие охладители, то тиристорный регулятор напряжения будет способен отдавать в нагрузку 10А, то есть при напряжении 220 В получаем возможность регулировать напряжение на нагрузке в 2,2 кВт.

В устройстве всего два силовых компонента диодный мост и тиристор . Они рассчитаны на напряжение 400В и ток 10А. Диодный мост превращает переменное напряжение в однополярное пульсирующее, а фазовое регулирование полупериодов осуществляет тиристор.

Параметрический стабилизатор из резисторов R1, R2 и стабилитрона VD5 ограничивает напряжение, которое подается на систему управления на уровне 15 В. Последовательное включение резисторов нужно для увеличения пробивного напряжения и увеличения рассеиваемой мощности.

В самом начале полупериода переменного напряжения С1 разряжен и в точке соединения R6 и R7 тоже нулевое напряжение. Постепенно напряжения в этих двух точках начинают расти и чем меньше сопротивление резистора R4, тем быстрее напряжение на эмиттере VT1 перегонит напряжение на его базе и откроет транзистор.
Транзисторы VT1, VT2 составляют маломощный тиристор. При появлении напряжения на база-эмиттерном переходе VT1 больше порогового, транзистор открывается и открывает VT2. А VT2 отпирает тиристор.

Представленная схема достаточно проста, её можно перевести на современною элементную базу. Также можно при минимальных переделках снизить мощность или напряжение работы.

Регулятор напряжения для авто – это прибор, функцией которого является поддержание напряжения в бортовой сети машины в установленных рамках, независимо от частоты вращения ротора генератора, внешней температуры, нагрузки и пр.

Регулятор напряжения для авто

Выполняет данное устройство и некоторые дополнительные функции: защита генератора и его элементов от перегрузок и работы в аварийных режимах, автоматическое включение системы сигнализации аварийной работы генератора или цепи обмотки возбуждения.

На напряжение генератора оказывают влияние три основных фактора: частота вращения его ротора, магнитный поток, который создается током обмотки возбуждения, а также сила тока, которая отдается генератором в нагрузку.

Напряжение генератора возрастает с ростом числа оборотов, а также со снижением нагрузки. Кроме того, увеличение напряжения вызывает возрастание силы тока в обмотке возбуждения.

Регулятор же напряжениястабилизирует напряжение путем корректировки тока возбуждения. В случае возрастания напряжения и выхода за требуемые пределы, регулятор увеличивает или уменьшает ток возбуждения, что приводит к стабилизации напряжения.

Регулятор напряжения для авто подключается к обмотке возбуждения генератора, а также к нему подводится напряжение с генератора или аккумулятора. Конечно, регуляторы с расширенным перечнем функций требуют большего числа подключений.

Регулятор напряжения для авто состоит из нескольких основных элементов:

{typography list_number_bullet_blue}1. Измерительный элемент;||2. Элемент, проводящий сравнение;||3. Регулирующий элемент.{/typography}
Очень чувствительной и уязвимой частью регулятора является его входной делитель напряжения. От него напряжение поступает к элементу сравнения. В данном случае эталонной величиной выступает напряжение стабилизации стабилитрона.

В случае если показатель напряжения ниже уровня стабилизации, то стабилитрон не пропускает ток через себя. В случае же превышения напряжением допустимых пределов, стабилитрон начинает пропускать через себя ток. На самом стабилитроне напряжение практически не изменяется.

Проходящий через стабилитрон ток активирует реле, коммутирующее цепь возбуждения так, что в обмотке возбуждения происходит корректировка тока в необходимом направлении. Автомобильные регуляторы напряжения осуществляют дискретное регулирование. Это возможно благодаря включению или выключению обмотки возбуждения в цепь питания. Такой принцип заложен в транзисторных регуляторах напряжения.

В вибрационных же или контактно-транзисторных регуляторах осуществляется включение обмотки возбуждения последовательно с обмоткой дополнительного резистора. Стоит отметить, что сегодня применяются лишь транзисторные регуляторы напряжения для авто, а вибрационные и контактно-транзисторные уже отошли в историю.

Регулятор напряжения для авто

Выход из строя реле-регулятора – наиболее частая причина неисправности автомобильных генераторов. Именно поэтому с проверки регулятора обычно начинают контроль работоспособности узлов генератора.

В большинстве случаев это можно сделать самостоятельно даже без его снятия.

Принцип работы регулятора напряжения генератора

Генератор – один из наиболее консервативных узлов автомобилей. Разработанная в середине 60-х годов схема осталась практически неизменной вплоть до наших дней за исключением элементной базы.

Схема

В общем виде схему автомобильного генератора можно изобразить так:

Она содержит следующие основные узлы:

выпрямительный мост 5 и 6;
выпрямительный мост питания реле-регулятора 7;
щетки обмотки возбуждения 10;
обмотка возбуждения (якорь) 9;
обмотка статора 8;
индикаторная лампа 4;
аккумуляторная батарея 3;
контактная группа замка зажигания 1;
конденсатор 2 (может отсутствовать).

Общий принцип работы генераторов переменного тока придумал гениальный Тесла. Постоянный ток через обмотку возбуждения индуцирует магнитное поле. Во время вращения катушки возбуждения (якоря) внутри обмотки статора в последних генерируется переменное напряжение.

Это напряжение преобразуется в постоянное выпрямителем, выполненным на диодном мосте 5 и 6. Выпрямленное напряжение .

Чем выше ток в обмотке возбуждения, тем будет выше напряжение генератора.

Какую функцию выполняет реле-регулятор? По существу, он является усилителем с обратной связью. То есть, как только повышается напряжение, его схема уменьшает ток через обмотку возбуждения.

Соответственно, напряжение генератора уменьшается. Тогда он повышает ток обмотки, напряжение генератора увеличивается. И так до бесконечности. В конечном счете, напряжение генератора стабилизируется на определенном уровне. Весь этот процесс стабилизации длится доли секунды.

Виды

Реле-регуляторы классифицируют по элементной базе исполнения :

релейные;
транзисторно-релейные;
транзисторные (в автомобилях до 90-х годов);
интегральные (в современных автомобилях);
микропроцессорные с программным управлением (Audi, BMW).

По конструктивному исполнению :

внешние, закрепляемые на элементах кузова;
встроенные;
встроенные, совмещенные со щетками.

В современных автомобилях чаще всего используют устройства, совмещенные со щетками. В этом есть свой недостаток: когда изнашиваются щетки, приходится менять и реле-регулятор. И наоборот, отказ реле-регулятора может привести к замене здоровых щеток.

Некоторые специалисты меняют только щетки, расположенные совместно с реле-регулятором. Это не лучший вариант из соображений надежности, тем более стоимость реле-регуляторов распространенных автомобилей не так велика и может быть даже ниже стоимости замены щеток.

Возможные причины неисправности

В качестве основных причин неисправностей реле-регуляторов напряжения генераторов рассматриваются:

межвитковое замыкание обмотки возбуждения. Наиболее опасная причина неисправности. После замены реле-регулятора генератор определенное время работает без проблем. Но регулятор работает при повышенных токах и через пару месяцев вновь перегорает. В этом случае необходимо снимать генератор и везти его на тестирование;
выход из строя выпрямительного моста (пробой диодов). Менее опасен, тем более данная неисправность вызывает перегрев генератора, и диоды меняются в первую очередь;
переполюсовка или перепутывание полюсов аккумулятора. В этом случае выходят из строя и выпрямительные диоды;
разрушение щеток;
короткое замыкание на управляющем выводе реле-регулятора;
естественный износ.

Последствия неисправного реле-регулятора могут быть существенны:

повышенное напряжение генератора может привести к выходу из строя электронных блоков автомобиля, поэтому нельзя при заведенном двигателе;
внутреннее замыкание реле-регулятора приводит к перегреву обмотки возбуждения и, в конечном счете, более дорогостоящему ремонту;
разрушение щеток реле-регулятора может вызвать окончательную поломку генератора, его заклиниванию, обрыву ремня и более серьезным последствиям.

Основные признаки неисправности

Самый первый признак неисправности — отсутствие свечения контрольной лампочки (индикатора) на приборной панели при включении зажигания.

В возрастных машинах, где схема заряда аккумулятора аналогична, показанной на первом рисунке, автолюбителям еще рано паниковать. Возможно, это просто перегорела лампочка или нарушился контакт, и эти случаи довольно часты. Автовладельцы снимают генератор, везут на тестирование, а зря.

Второй признак – индикатор «аккумулятор» не гаснет после запуска двигателя. Это уже свидетельствует о нарушении процесса заряда и возможной неисправности генератора.

Еще один признак неисправности – яркость ближнего-дальнего света зависит от оборотов двигателя. Кстати, такую проверку рекомендуется производить регулярно. Для этого необходимо в темное время суток остановиться в неоживленном месте напротив какого-нибудь здания и на нейтралке погазовать, включив дальний свет. Изменение яркости свидетельствует о возможных проблемах с системой заряда.

Запах горелой обмотки в салоне также признак неисправности генератора, но его можно не почувствовать.

Как самостоятельно проверить реле-регулятор генератора мультиметром или лампой

В случае подозрения на неисправность системы заряда аккумулятора проверку следует начинать с контроля напряжения на АКБ при заведенном двигателе. Оно должно быть в пределах 13,3 – 14,5 Вольт. Напряжение более 15 Вольт – верный признак неисправности реле-регулятора.

Видео — как проверить реле-регулятор без регулируемого источника питания:

Иногда есть еще один для управления тахометром. Следует прозвонить управляющий провод на массу. Сопротивление ниже 10 Ом также будет свидетельствовать о неисправности реле-регулятора.

Следующие проверки следует производить на снятом с генератора реле-регуляторе. В большинстве случаев это можно и следует делать, не демонтируя генератор. Реле-регулятор обычно крепится на генераторе двумя-тремя болтиками или винтами.

После этого необходимо собрать простенькую схему.

или другой ее вариант

В качестве лампочки можно взять обычную салонную лампу. Ее свечение будет свидетельствовать об исправности реле-регулятора. На снятом реле также следует проверить состояние щеток.

В интернете можно найти схемы проверки практически для любого вида реле-регуляторов напряжения генераторов.

В том случае, если результаты проверки оказались отрицательными, следует менять регулятор. Обычно его стоимость не превышает 2000 рублей для распространенных марок.

При малейшем подозрении на неисправность системы заряда аккумулятора (изменении яркости свечения ламп, моргании индикаторной лампы, трудности запуска двигателя, перегреве устройства и других) следует немедленно проверить работоспособность генератора, особенно в холодное время года.

Для того, чтобы генератор прослужил дольше, соблюдайте следующие простые правила:

не допускайте чрезмерного загрязнения генератора (он имеет технологические отверстия для проветривания, туда может попадать грязь), производите очистку его поверхности;
периодически производите проверку натяжения ремня;
следите за состоянием обмоток статора, это можно сделать через технологические отверстия, они должны быть не потемневшими;
плохой контакт управляющего провода может привести к выходу из строя реле-регулятора;
для предотвращения перезаряда аккумулятора и выхода из строя электронных систем автомобиля периодически проверяйте напряжение на аккумуляторе при заведенном двигателе (напряжение заряда).

И пусть ваш генератор прослужит дольше!

Видео — как проверить регулятор напряжения генератора VALEO в автомобилях РЕНО:

Может заинтересовать:

Уникальный автомобильный сканер Scan Tool Pro