Принцип работы регулятора напряжения – схема подключения, выдаваемое напряжение, проверка генератора и ремонт, инструкции с фото и видео

3.2. Принцип действия 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 перегрузки, автомати­чески включать в бортовую сеть цепь обмотки возбуждения или систему сигна­лизации аварийной работы генераторной установки.

Все регуляторы напряжения работают по единому принципу. Напряжение ге­нератора определяется тремя факторами — частотой вращения ротора, силой тока, отдаваемой генератором в нагрузку, и величиной магнитного потока, соз­даваемой током обмотки возбуждения. Чем выше частота вращения ротора и меньше нагрузка на генератор, тем выше напряжение генератора. Увеличение силы тока в обмотке возбуждения увеличивает магнитный поток и с ним напря­жение генератора, снижение тока возбуждения уменьшает напряжение. Все ре­гуляторы напряжения, отечественные и зарубежные, стабилизируют напряже­ние изменением тока возбуждения. Если напряжение возрастает или уменьша­ется, регулятор соответственно уменьшает или увеличивает ток возбуждения и вводит напряжение в нужные пределы.

Блок-схема регулятора напряжения представлена на рис. 3.3.

Регулятор 1 содержит измерительный элемент 5, элемент сравнения 3 и регу­лирующий элемент 4. Измерительный элемент воспринимает напряжение гене­ратора 2 Ujj

Если величина U_M3M отличается от эталонной величины и_эт, на выходе изме­рительного элемента появляется сиг­нал U₀, который активизирует регули­рующий элемент, изменяющий ток в обмотке возбуждения так, чтобы на­пряжение генератора вернулось в за­данные пределы.

Гн

Ш

1

Рис. 3.3. Блок-схема регулятора напряжения:

1 — регулятор; 2 — генератор; 3 — элемент сравнения; 4 — регулирующий элемент; 5 -измерительный элемент

Чувствительным элементом электронных регуляторов напряжения является входной делитель напряжения. С входного делителя напряжение поступает на эле­мент сравнения, г де роль эталонной величины играет обычно напряжение стабили­зации стабилитрона. Стабилитрон не пропускает через себя ток при напряжении ниже напряжения стабилизации и пробивается, т.е. начинает пропускать через се­бя ток. если напряжение на нем превысит напряжение стабилизации. Напряжение же на стабилитроне остается при этом практически неизменным. Ток через стаби­литрон включает электронное реле, которое коммутирует цепь возбуждения таким образом что ток в обмотке возбуждения изменяется в нужную сторону. В вибраци­онных и контактно-транзисторных регуляторах чувствительный элемент представ­лен в виде обмотки электромагнитного реле, напряжение к которой, впрочем, тоже может подводиться через входной делитель, а эталонная величина — это сила на­тяжения пружины, противодействующей силе притяжения электромагнита. Комму­тацию в цепи обмотки возбуждения осуществляют контакты реле или, в контакт- но-транзисторном регуляторе, полупроводниковая схема, управляемая этими кон­тактами. Особенностью автомобильных регуляторов напряжения является то. что они осуществляют дискретное регулирование напряжения путем включения и вы­ключения в цепь питания обмотки возбуждения (в транзисторных регуляторах) или последовательно с обмоткой дополнительного резистора (в вибрационных и кон­тактно-транзисторных регуляторах), при этом меняется относительная продолжи-

Поскольку вибрационные и контактно-транзисторные регуляторы представ­ляют лишь исторический интерес, а в отечественных и зарубежных генератор­ных установках в настоящее время применяются электронные транзисторные регуляторы, удобно рассмотреть принцип работы регулятора напряжения на примере простейшей схемы, близкой к отечественному регулятору напряжения Я112А1 и регулятору EE14V3 фирмы BOSCH (рис. 3.4 ).

Регулятор 2 на схеме работает в комплекте с генератором 1. имеющим допол­нительный выпрямитель обмотки возбуждения. Чтобы понять работу схемы, следует вспомнить, что, как было показано выше, стабилитрон не пропускает

Транзисторы же пропускают ток между коллектором и эмиттером, т.е. откры­ты. если в цепи база-змиттер ток протекает, и не пропускают этого тока. т.е. закрыты, если базовый ток прерывается.

Напряжение к стабилитрону VD1 подводится от выхода генератора Д через делитель напряжения на резисторах R1, R2. Пока напряжение генератора неве­лико, и на стабилитроне оно ниже напряжения стабилизации, стабилитрон за­крыт, ток через него, а, следовательно, и в базовой цепи транзистора

1 — генератор; 2 — регулятор

тание базовой цепи одного транзистора производится от эмиттера другого, на­зывается схемой Дарлингтона. При таком соединении оба транзистора могут рассматриваться как один составной транзистор с большим коэффициентом уси­ления. Обычно такой транзистор и выполняется на одном кристалле кремния. Если напряжение генератора возросло, например, из-за увеличения частоты вращения его ротора, то возрастает и напряжение на стабилитроне VD1.

При достижении этим напряжением величины напряжения стабилизации ста­билитрон

Таким образом регулировка напряжения генератора регулятором осуществ­ляется дискретно через изменение относительного времени включения обмот­ки возбуждения цепи питания. При этом ток в обмотке возбуждения изменяет­ся так, как показано на рис. 3.5. Если частота вращения генератора возросла или нагрузка его уменьшилась, время включения обмотки уменьшается, если

частота вращения уменьшилась или нагрузка возросла — увеличивается.

В схеме регулятора по рис. 3.4 име­ются элементы, характерные для схем всех применяющихся на автомобилях регуляторов напряжения. Диод VD2 при закрытии составного транзистора VT2, VT3 предотвращает опасные всплески напряжения, возникающие из-за обрыва цепи обмотки возбужде­ния со значительной индуктивностью.

В этом случае ток обмотки возбуж­дения может замыкаться через этот диод, и опасных всплесков напряже­ния не происходит. Поэтому диод VD2 называется гасящим. Сопротивление R3 является сопротивлением жесткой обратной связи. При открытии состав­ного транзистора VT2, VT3 оно оказы­вается подключенным параллельно сопротивлению R2 делителя напряже­ния. При этом напряжение на стабили­троне VD2 резко уменьшается, что ус­коряет переключение схемы регулятора и повышает частоту этого переключе­ния. Это благотворно сказывается на качестве напряжения генераторной уста­новки. Конденсатор С1 является своеобразным фильтром, защищающим регу­лятор от влияния импульсов напряжения на его входе.

Вообще конденсаторы в схеме регулятора либо предотвращают переход этой схемы в колебательный режим и возможность влияния посторонних высокочас­тотных помех на работу регулятора, либо ускоряют переключения транзисторов.

В последнем случае конденсатор, заряжаясь в один момент времени, разря­жается на базовую цепь транзистора в другой момент, ускоряя броском разряд­ного тока переключение транзистора и, следовательно, снижая потери мощно­сти в нем и его нагрев.

Из рис. 3.4 хорошо видна роль лампы контроля работоспособного состояния генераторной установки HL.

При неработающем двигателе внутреннего сгорания замыкание контактов выключателя зажигания SA позволяет току от аккумуляторной батареи GA че­рез эту лампу поступать в обмотку возбуждения генератора. Этим обеспечива­ется первоначальное возбуждение генератора. Лампа при этом горит, сигнали­зируя, что в цепи обмотки возбуждения нет обрыва.

Рис. 3.5. Изменение силы тока в обмотке воз­буждения te по времени t :

*вкп ^и Ъыкп ~ соответственно время включения и выключения обмотки возбуждения генератора; ^П1 ^{и п}2 ~ частоты вращения ротора генератора, причем п₂ больше гу, 1в₁ и 1в₂ — среднее значе­ние тока в обмотке возбуждения

Введение резистора R в генераторную установку способствует расширению диагностических способностей лампы HL. При наличии этого резистора, если при работающем двигателе автомобиля произойдет обрыв цепи обмотки возбу­ждения. то лампа HL загорится.

Аккумуляторная батарея для своей надежной работы требует, чтобы с пониже­нием температуры электролита напряжение, подводимое к батарее от генератор­ной установки, несколько повышалось, а с повышением температуры — понижалось.

Для автоматизации процессов изменения уровня поддерживаемого напряже­ния применяется датчик, помещенный в электролит аккумуляторной батареи и включаемый в схему регулятора напряжения. В простейшем случае термоком­пенсация в регуляторе подобрана таким образом, что в зависимости от темпе­ратуры поступающего в генератор охлаждающего воздуха напряжение генера­торной установки изменяется в заданных пределах.

3 рассмотренной схеме регулятора напряжения, как и во всех регуляторах аналогичного типа, частота переключений в цепи обмотки возбуждения изменя­ется по мере изменения режима работы генератора. Нижний предел этой час­тоты составляет 25-50 Гц.

Однако имеется и другая разновидность схем электронных регуляторов, в ко­торых частота переключения строго задана. Регуляторы такого типа оборудо­ваны широтно-импульсным модулятором (ШИМ), который и обеспечивает за­данную частоту переключения. Применение ШИМ снижает влияние на работу регулятора внешних воздействий, например, уровня пульсаций выпрямленного напряжения и т.п.

8 настоящее время все больше зарубежных фирм переходит на выпуск гене­раторных установок без дополнительного выпрямителя. Для автоматического предотвращения разряда аккумуляторной батареи пои неработающем двигате­ле автомобиля в регулятор такого типа заводится фаза генератора. Регулято­ры. как правило, оборудованы ШИМ, который, например, при неработающем двигателе переводит выходной транзистор в колебательный режим, при кото­ром ток в обмотке возбуждения невелик и составляет доли ампера.

После запуска двигателя сигнал с вывода фазы генератора переводит схему регулятора в нормальный режим работы.

Схема регулятора осуществляет в этом случае и управление лампой контро­ля работоспособного состояния генераторной установки.

Регуляторы напряжения

Регуляторы поддерживают напряжение генератора в определенных пределах для оптимальной работы электроприборов, включенных в бортовую сеть автомобиля. Все регуляторы напряжения имеют измерительные элементы, являющиеся датчиками напряжения, и исполнительные элементы, осуществляющие его регулирование.

На современных автомобилях применяют полупроводниковые бесконтактные электронные регуляторы, которые, как правило, встроены в генератор и объединены со щеточным узлом. Они изменяют ток возбуждения путем изменения времени включения обмотки ротора в питающую сеть. Эти регуляторы не подвержены разрегулировке и не требуют никакого обслуживания, кроме контроля надежности контактов.

Регуляторы напряжения обладают свойством термокомпенсации — изменения напряжения, подводимого к аккумуляторной батарее, в зависимости от температуры воздуха в подкапотном пространстве для оптимального заряда АКБ. Чем ниже температура воздуха, тем большее напряжение должно подводиться к батарее и наоборот. Величина термокомпенсации достигает до 0,01 В на 1°С.

Принцип действия регулятора напряжения

Напряжение генератора без регулятора зависит от частоты вращения его ротора, магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения, а, следовательно, от силы тока в этой обмотке и величины тока, отдаваемого генератором потребителям. Чем больше частота вращения и сила тока возбуждения, тем больше напряжение генератора, чем больше сила тока его нагрузки — тем меньше это напряжение.

Функцией регулятора напряжения является стабилизация напряжения при изменении частоты вращения и нагрузки за счет воздействия на ток возбуждения. Электронные регуляторы изменяют ток возбуждения путем включения и отключения обмотки возбуждения от питающей сети, при этом меняется относительная продолжительность времени включения обмотки возбуждения. Если для стабилизации напряжения требуется уменьшить силу тока возбуждения, время включения обмотки возбуждения уменьшается, если нужно увеличить — увеличивается.

Принцип работы электронного регулятора удобно продемонстрировать на достаточно простой схеме регулятора типа ЕЕ 14V3 фирмы Bosch, представленной на рис. 5.6:

Датчиком напряжения является стабилитрон VD2. При достижении заданной величины напряжения, стабилитрон «пробивается» и по нему начинает протекать ток. Напряжение к стабилитрону VD2 подводится от вывода генератора «D+» через делитель напряжения на резисторах R1(R3 и диод VD1, осуществляющий температурную компенсацию. Когда напряжение низкое, стабилитрон не пропускает электрический ток и через лампочкуHLток проходит к обмотке возбуждения генератора. Когда напряжение достигает максимальной величины, стабилитрон пробивается и электронный блок прекращает подаче тока в обмотку возбуждения (рис. 5.7).

Из рис. 5.6 хорошо видна роль лампы HL контроля работоспособного состояния генераторной установки (лампа контроля заряда на панели приборов автомобиля). При неработающем двигателе автомобиля замыкание контактов выключателя зажигания SA позволяет току от аккумуляторной батареи GA через эту лампу поступать в обмотку возбуждения генератора. Этим обеспечивается первоначальное возбуждение генератора. Лампа при этом горит, сигнализируя, что в цепи обмотки возбуждения нет обрыва. После запуска двигателя, на выводах генератора «D+» и «В+» появляется практически одинаковое напряжение и лампа гаснет. Если генератор при работающем двигателе автомобиля не развивает напряжения, то лампа HL продолжает гореть и в этом режиме, что является сигналом об отказе генератора или обрыве приводного ремня. Введение резистора R в генераторную установку способствует расширению диагностических способностей лампы HL. При наличии этого резистора в случае обрыва цепи обмотки возбуждения при работающем двигателе автомобиля лампа HL загорается.

В настоящее время все больше фирм переходит на выпуск генераторных установок без дополнительного выпрямителя обмотки возбуждения. В этом случае в регулятор заводится вывод фазы генератора. При неработающем двигателе автомобиля, напряжение на выводе фазы генератора отсутствует и регулятор напряжения в этом случае переходит в режим, препятствующий разряду аккумуляторной батареи на обмотку возбуждения. Например, при включении выключателя зажигания схема регулятора переводит его выходной транзистор в колебательный режим, при котором ток в обмотке возбуждения невелик и составляет доли ампера. После запуска двигателя сигнал с вывода фазы генератора переводит схему регулятора в нормальный режим работы. Схема регулятора осуществляет в этом случае и управление лампой контроля работоспособного состояния генераторной установки.

Реле-регулятор напряжения: принцип действия

В электрических сетях очень часто используется автоматическое включение и отключение генератора. Для этого существует реле-регулятор напряжения. С его помощью осуществляется защита генератора от перегрузок, позволяет автоматически регулировать напряжение и силу тока в установленных пределах. Этот прибор, в основном, используется в электрических сетях всех автомобилей и устанавливается в моторном отсеке.

Назначение и устройство реле-регулятора

Данное устройство является трехэлементным, состоящим из трех независимых автоматов. Это реле обратного тока, ограничитель тока и регулятор напряжения. Эти составные части смонтированы на общем основании и закрываются общей крышкой. Для подключения проводов на основании установлены три клеммы.

Автоматическое включение генератора в сеть осуществляется с помощью реле обратного тока при условии его превышения напряжения аккумулятора на определенное значение. При понижении напряжения, происходит автоматическое отключение генератора. В его состав входит катушка и сердечник с двумя обмотками – шунтовой и сериесной с различным количеством витков проволоки, а также ярмо и якорь с системой контактов.

Заранее заданные пределы напряжения генератора поддерживаются с помощью регулятора. В него входят катушка и сердечник с обмоткой, якорь с системой контактов, ярмо, магнитный шунт, а также цилиндрическая пружина.

Один конец обмотки катушки соединен с массой, а другой – с клеммой генератора, проходя через ярмо, сопротивление и обмотки. Таким образом, значение тока и магнитного потока находится в зависимости от напряжения, которое развивает генератор. Регулятор напряжения позволяет автоматически регулировать силу зарядного тока, получаемую за счет разницы напряжений между аккумулятором и генератором.

Использование ограничителя тока

Для защиты генератора от перегрузок применяется ограничитель тока. В состав входит катушка и сердечник с обмоткой, а также обмотка сопротивления, ярмо и якорь с контактами, как и в других составляющих устройствах. Принцип работы устройства совпадает с регулятором напряжения, когда вся нагрузка генератора пропускается через обмотку ограничителя.

Общую нормальную работу реле-регулятора можно определить с помощью амперметра, расположенного на щитке приборов и по состоянию самого аккумулятора. Если на амперметре постоянно видно большое значение зарядного тока, несмотря на то, что аккумулятор находится в хорошем состоянии, это означает, что реле-регулятор напряжения работает при повышенном напряжении.

Данное устройство является достаточно сложным прибором, требующим точных регулировок и грамотного обращения. Регулировка должна осуществляться только с применением точных контрольных приборов.

Реле регулятор выпрямитель напряжения

1.3 Назначение регуляторов напряжения.

Регуляторы напряжения предназначены обеспечивать:

1) поддержание напряжения в заданных пределах в статических и динамических режимах работы генераторов;

2) устойчивость поддержания напряжения как при одиночной, так и при параллельной работе генераторов;

3) с требуемой точностью распределение токов нагрузки между параллельно работающими генераторами постоянного тока или реактивных составляющих токов нагрузки между генераторами переменного тока.

Все перечисленные задачи решаются путем изменения тока возбуждения генератора или тока возбуждения возбудителя генератора.

1.3.1 Основные требования и условия параллельной работы.

Основными источниками электроэнергии на летательном аппарате являются генераторы. Мощность источников, установленных на летательном аппарате определяется мощностью и числом установленных на борту потребителей, коэффициентом одновременности их работы, кратностью резервирования и т.д. Мощность отдельных авиационных генераторов ограничена, кроме того повышение надежности снабжения бортовых систем электроэнергией требует резервирования. Поэтому на современных аппаратах, как правило, устанавливается несколько генераторов и аккумуляторные батареи.

Генераторы постоянного тока работают параллельно между собой и аккумуляторной батареей. Генераторы переменного тока постоянной частоты также могут работать параллельно между собой. Генераторы переменного тока нестабильной частоты работают раздельно, каждый на свою систему потребителей.

Очевидно, что работа генераторов и параллель предпочтительнее их раздельной работы. При параллельной работе повышается надежность электроснабжения при той же суммарной установленной мощности генераторов. При параллельной работе легче обеспечиваются пиковые нагрузки и их влияние оказывается меньшим на другие потребители. При равномерной загрузке параллельно работающих генераторов, длительная нагрузка каждого из них оказывается меньшей, благодаря чему увеличивается их срок службы и повышается надежность.

На каждом авиационном двигателе устанавливается один или два генератора и поэтому у летательных аппаратов, имеющих несколько двигателей, при выходе одного из них снабжение электроэнергией продолжается от параллельно работающих генераторов, приводимых работающими двигателями.

В системах, где предусмотрена параллельная работа генераторов, легче обеспечить питание потребителей от аэродромных источников при проверках и подготовках.

Вместе с тем параллельная работа требует более сложной системы электроснабжения, дополнительных устройств, для обеспечения параллельной работы генераторов. Аварийные режимы в отдельных участках системы оказывают влияние на всю систему. Токи коротких замыканий увеличиваются, увеличивается время переходных процессов, защита должна иметь достаточную селективность и быстродействие, чтобы отключать только поврежденный участок системы и т.д.

Однако параллельная работа источников электроэнергии имеет больше достоинств по сравнению с раздельной их работой и поэтому имеет преимущественное применение. Раздельная работа источников электроэнергии на летательном аппарате применяется только тогда, когда невозможно осуществить параллельную работу, например, в системах переменного тока нестабильной частоты.

Отмеченные преимущества параллельной работы генераторов обеспечиваются, как отмечалось выше, только при равномерной загрузке генераторов ( пропорционально их номинальной мощности ). Это является одним из основных требований к параллельной работе.

При увеличении активной нагрузке генераторов должна увеличиваться подводимая мощность от первичного источника энергии — авиационного двигателя. Генераторы постоянного тока соединяются с авиационным ( маршевым ) двигателем непосредственно и мощность маршевого двигателя несоизмерима в большинстве случаев с мощностью генераторов, поэтому здесь не требуется специальных устройств регулирования мощности.

В случае генераторов переменного тока стабильной частоты, приводимых во вращение через привод постоянной частоты вращения, требуется применение специальной системы регулирования активной мощности, путем возведения на привод постоянной частоты вращения. У генераторов переменного тока кроме регулирования распределения активной нагрузки между генераторами необходимо регулирование распределения и реактивной мощности. Все это приводит к тому, что системы управления параллельной работой генераторов переменного тока оказываются сложнее, чем генераторов постоянного тока.

Неравномерность распределения нагрузок между параллельно работающими генераторами недолжна превышать 20% их номинальной мощности ( номинального тока генератора ).

Для удовлетворения требований, предъявляемых к параллельной работе генераторов, необходимо выполнить основные условия, предъявляемые к параллельно работающим генераторам. Эти условия являются для любых источников электроэнергии и отличаются только некоторой спецификой, связанной с родом тока: постоянный и переменный. Исходя из этого, рассмотрим условия параллельной работы источников постоянного и переменного тока.

Для источников постоянного тока для параллельной работы необходимо:

— равенство номинальных напряжений;

— одинаковая полярность общих зажимов;

— одинаковый статизм внешних характеристик, выраженных в относительных единицах.

Первые два условия очевидны. Третье условие необходимо выполнить для равномерного распределения нагрузки. Если характеристики генераторов не имеют статизм, а их внешние характеристики астатические, то распределение нагрузок будет случайным и практически параллельная работа невозможна, поэтому в схемах вводятся специальные устройства, создающие мнимый статизм. У генераторов с разной величиной положительного статизма нагрузку будет брать тот генератор, у которого статизм меньше.

Для источников переменного тока для параллельной работы необходимо выполнение следующих условий:

1. равенство номинальных напряжений и одинаковая форма кривой напряжения;

2. равенство частот;

3. равенство числа фаз и одинаковый порядок их следования;

4. одинаковый статизм внешних характеристик генераторов:

5. одинаковый статизм внешних (механических ) характеристик привода генераторов.

Если номинальные напряжения или форма кривой напряжения будут не одинаковы то по цепи потечет реактивный ток первой или высших гармоник такой величины чтобы выровнять величину напряжения или его форму за счет реактивного ( подмагничивающего или размагничивающего ) тока якоря. Внешняя характеристика синхронного генератора при реактивной нагрузке не отличается от внешней характеристики генератора постоянного тока.

Если частоты генератора или порядок следования фаз будут различными, то параллельная работа будет невозможна из- за недопустимых токов в цепи. При разных частотах появится в цепи ток, стремящихся увеличить или уменьшить частоту вращения генератора с таким расчетом, чтобы общая частота была одинаковой.

Учитывая, что привод генераторов имеет несоизмеримую мощность с мощностью генераторов, поэтому изменить частоту вращения системы: первичный двигатель- генератор за счет изменения величины или знака вращающего момента генератора невозможна.

При разном порядке следования фаз появится режим короткого замыкания под двойным напряжением, т.е. генераторы выйдут из строя ( сгорят ).

Если статизм механических характеристик привода генераторов будет неодинаков, то генераторы будут брать на себя неодинаковую активную мощность. Генератор, привод которого имеет меньший статизм механической характеристики будет нагружаться активной мощностью сильнее чем генератор, механическая характеристика привода которого имеет больший статизм.

При астатических внешних характеристиках и механических характеристиках привода генераторов переменного тока однозначное и равномерное распределение мощностей между генераторами невозможно, невозможна и параллельная их работа.

Выполнение условий параллельной работы обеспечивается соответствующей аппаратурой: одинаковых внешних и механических характеристик и равенство частот и напряжений обеспечиваются с помощью регуляторов напряжений и частот. Одинаковая полярность генераторов постоянного тока контролируется с помощью поляризованных реле включения; подключения неработающих генераторов переменного тока к работающим осуществляется синхронизаторами, которые включают генератор в сеть только в том случае, если он имеет такой же порядок чередования фаз и его частота совпадает с частотой сети ( работающего генерато-ра ).

Параллельная работа авиационных генераторов в самолетных системах осуществляется по методу мнимого статизма. Метод мнимого статизма подразумевает использования регуляторов с астатическими характеристиками, но с помощью дополнительного управляемого элемента ( УР или доп.сигнал на ИО ) вводится сигнал, выравнивающий напряжение генераторов, а значит и их токи нагрузки, что обуславливает наличие статических характеристик регуляторов.

U U

U1=f(t)

U2=f(t) Uh 1-ген-р

2-ген-р

I I1 I2 I

а) б)

Рис.1.3.1. Характеристики генераторов.

а) астатические

б) статические