Современный автомобильный двигатель внутреннего сгорания (ABC) работает в широком интервале изменения оборотов 600... 7000 мин'1). Соответственно изменяется и частота вращения ротора автомобильного генератора, а значит, и его выходное напряжение.
Зависимость выходного напряжения генератора от оборотов ABC недопустима, так как напряжение в бортсети автомобиля должно быть постоянным не только при изменении оборотов двигателя, но и при изменении тока нагрузки. Функцию автоматического регулирования напряжения в автомобильном генераторе выполняет специальное устройство — регулятор напряжения. Данная глава посвящена рассмотрению регуляторов напряжения современных автомобильных генераторов переменного тока.
Регулирование напряжения в генераторах с электромагнитным возбуждением
главное магнитное поле генератора наводится электромагнитным возбуждением, то электродвижущая сила Ег генератора может быть функцией двух переменных: частоты п вращения ротора и тока lB в обмотке возбуждения — Er = f (n, lB).
Именно такой тип возбуждения имеет место во всех современных автомобильных генераторах переменного тока, которые работают с параллельной обмоткой возбуждения [1].
При работе генератора без нагрузки его напряжение Ur равно его электродвижущей силе ЭДС Ег:
иг=Ег = СФп.
Напряжение Ur генератора под током 1н нагрузки меньше ЭДС Ег на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении гг генератора, т.е. можно записать, что
Er = Ur + lHrr = Ur(l + P).
Величина р = lH rr/Ur называется коэффициентом нагрузки.
Из сравнения вышеприведенных формул следует, что напряжение генератора
Ur = п С Ф/ (1 + (3),
где С — постоянный конструктивный коэффициент.
Данное уравнение показывает, что как при разных частотах (п) вращения ротора генератора (n = Var), так и при изменяющейся нагрузке (Р = Var), неизменность напряжения Ur генератора может быть получена только соответствующим изменением магнитного потока Ф.
Магнитный поток Ф в генераторе с электромагнитным возбуждением формируется магнитодвижущей силой FB = W 1в обмотки WB возбуждения (W — число витков обмотки WB) и может легко управляться с помощью тока 1в в обмотке возбуждения, т.е. Ф = f (1в). Тогда Ur = f [n, р, f (1в)], что позволяет удерживать напряжение Ur генератора в заданных пределах регулирования при любых изменениях его оборотов и нагрузки соответствующим выбором функции f (1в) регулирования.
Автоматическая функция f (1в) регулирования в регуляторах напряжения сводится к уменьшению максимального значения тока 1в в обмотке возбуждения, которое имеет место при 1в = Ur/Rw (Rw — активное сопротивление обмотки возбуждения) и может уменьшаться несколькими способами (рис. 7.1): подключением к обмотке WB параллельно (а) или последовательно (б) дополнительного сопротивления Нл; 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 Ur генератора удерживается в заданных пределах регулирования соответствующей автоматической корректировкой величины тока возбуждения.
Дискретно-импульсное регулирование. В современных автомобильных генераторах магнитодвижущую силу FB обмотки возбуждения, а значит, и магнитный поток Ф изменяют периодическим прерыванием или скачкообразным уменьшением тока 1в возбуждения с управляемой частотой прерывания, т.е. применяют дискретно-импульсное регулирование рабочего напряжения Ur 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).
Функциональная схема генераторной установки, работающей совместно с бортовой аккумуляторной батареей (АКБ), показана на рис. 7.2, а, а электрическая схема — на рис. 7.2, б.
В состав генератора входят: фазные обмотки \Л/ф на статоре СТ, вращающийся ротор R, силовой выпрямитель ВП на полупроводниковых диодах VD, обмотка возбуждения WB (с активным сопротивлением Rw). Механическую энергию вращения Ам = f (п) 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 RA, которое включено с обмоткой возбуждения WB генератора последовательно. При срабатывании коммутирующего элемента (размыкание контакта К) на его выходе формируется сигнал т Рчд (рис. 7.2, а).
Измерительный элемент (ИЭ, на рис. 7.2, а) — это та часть электромагнитного реле, которая реализует три функции:
1) функцию сравнения (CV) механической упругой силы Fn возвратной пружины П с магнитодвижущей силой Fs = Ws ls релейной обмотки S (Ws —число витков обмотки S, ls — ток в релейной обмотке), при этом результатом сравнения является сформированный в зазоре а период Т (Т = tp + t3) 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 Ur генератора и к аккумуляторной батарее (к последней через ключ зажигания ВЗ);
3) функцию задающего устройства (3V), которое реализуется с помощью возвратной пружины П с силой упругости Fn и опорной силой Fc.
Работа регулятора напряжения с электромагнитным реле наглядно может быть пояснена с помощью скоростных характеристик генератора (рис. 7.3 и 7.4).
Пока напряжение Ur генератора ниже напряжения U6 аккумуляторной батареи (Ur < U6), электромагнитное реле не срабатывает и возвратная пружина П удерживает контакт К в замкнутом состоянии. При этом ток 1в6 в обмотке WB возбуждения не изменяется, так как определяется постоянным напряжением Ue батареи (ключ зажигания ВЗ — включен) и сопротивлением Rw обмотки возбуждения: 1в6 = U6/Rw. Регулирования напряжения не происходит (на рис. 7.3 участок 0...nmin).
При увеличении оборотов ДВС напряжение генератора возрастает и при достижении некоторого значения UMax > U6 магнитодвижущая сила Fs релейной обмотки становится больше силы Fn возвратной пружины П, т.е. Fs = ls Ws > Fn. Электромагнитное реле срабатывает, и контакт К размыкается, при этом в цепь обмотки возбуждения включается дополнительное сопротивление RA.
Еще до размыкания контакта К ток 1в в обмотке возбуждения достигает своего максимального значения 1в „зх = Ur Rw > 1в6, от которого сразу после размыкания контакта К начинает падать, стремясь к своему минимальному значению lB min = Ur/(RW + R4). Вслед за падением тока возбуждения напряжение генератора начинает соответственно уменьшаться Ur = f (1в), что приводит к падению тока ls = Ur/Rs в релейной обмотке S, и контакт К вновь размыкается усилием возвратной пружины П (Fn > Fs). К моменту размыкания контакта К напряжение генератора Ur становится равным своему минимальному значению Umin, но остается несколько больше напряжения аккумуляторной батареи (Ur min > U6).
Начиная с момента размыкания контакта К (п = nmin, рис. 7.3), даже при неизменной частоте п вращения ротора генератора, якорь N электромагнитного реле входит в режим механических автоколебаний, и контакт К, вибрируя, начинает периодически, с определенной частотой коммутации fK = 1/Т = l/(tp -I- t3) то замыкать, то размыкать дополнительное сопротивление Ra в цепи возбуждения генератоpa (зеленая линия на участке n = ncp = const, рис. 7.3). При этом сопротивление RB в токовой цепи возбуждения изменяется скачкообразно от значения Rw до величины Rw + RA.
Так как при работе регулятора напряжения контакт К вибрирует с достаточно высокой частотой fK коммутации, то RB = Rw + тр RA, где величина тр — это относительное время разомкнутого состояния контакта К, которое определяется по формуле:
tp = tp/(t3 + tp), где l/(t3 + tp) = fK — частота коммутации. Теперь среднее, установившееся для данной частоты fK коммутации значение тока возбуждения может быть найдено из выражения: 1В ср = Ur CP/RB = Ur cp/(Rw + Tp RA) = Ur CP/(RW + RA tp/U
где RB — среднеарифметическое (эффективное) значение пульсирующего сопротивления в цепи возбуждения, которое при увеличении относительного времени тр разомкнутого состояния контакта К также увеличивается (красная линия на рис. 7.4, в).
Рассмотрим более подробно, что происходит при коммутациях с током возбуждения. Когда контакт К длительно замкнут, по обмотке WB возбуждения протекает максимальный ток возбуждения 1в = Ur/Rw.
Однако обмотка возбуждения WB 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 1в = Ur/(RW + RA). 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 RA) 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 (красная линия на рис. 7.4, б), так как величина tp = xp/fK увеличивается с увеличением частоты fK коммутации, а абсолютное время t3 замкнутого состояния контакта К уменьшается.
Из совместного рассмотрения диаграмм, показанных на рис. 7.3 и рис. 7.4, вытекает, что среднее значение тока возбуждения (красные линии б на рис. 7.3 и рис. 7.4) при повышении оборотов п уменьшается, так как при этом увеличивается среднеарифметическая величина (зеленая линия в на рис. 7.3, в и красная линия на рис. 7.4, в) суммарного, пульсирующего во времени сопротивления RB цепи возбуждения (закон Ома). При этом среднее значение напряжения генератора (Ucp на рис. 7.3 и рис. 7.4) остается неизменным, а выходное напряжение Ur генератора пульсирует в интервале от Umax До Umin.
Если же увеличивается нагрузка генератора, то регулируемое напряжение Ur 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 (Р = Var) процессы регулирования в регуляторе напряжения протекают так же, как и при изменении частоты вращения ротора.
Пульсации регулируемого напряжения. При постоянной частоте п вращения ротора генератора и при постоянной его нагрузке рабочие пульсации тока возбуждения (Д1в на рис. 7.4, б) наводят соответствующие (по времени) пульсации регулируемого напряжения генератора.
Амплитуда пульсаций Д11г = 0,5 (Umax - Umin)* регулятора напряжения Ur от амплитуды токовых пульсаций Д1в в обмотке возбуждения не зависит, так как определяется заданным с помощью измерительного элемента регулятора интервалом регулирования. Поэтому пульсации напряжения Ur на всех частотах вращения ротора генератора практически одинаковы. Однако скорость нарастания и спада напряжения Ur в интервале регулирования определяется скоростью нарастания и спада тока возбуждения и, в конечном счете, частотой вращения (п) ротора генератора.
Когда нагрузка генератора и частота вращения его ротора не изменяются, частота вибрации контакта К также неизменна (fK = l/(t3 + tp) = const). При этом напряжение Ur генератора пульсирует с амплитудой дир = 0,5 (Umax— Umin) около своего среднего значения Ucp (красная линия на рис. 7.4, а).
При изменении частоты вращения ротора, например, в сторону увеличения, или при уменьшении нагрузки генератора, время t3 замкнутого состояния становится меньше времени tB разомкнутого состояния (t3 < tp), а значит, среднее значение тока 1в возбуждения 1в ср = Ur cp/(Rw + RA tp/fK) падает. При этом рабочие пульсации Д1в тока возбуждения также падают, а напряжение Ur генератора остается в заданных пределах регулирования с прежней амплитудой Д11г пульсаций (см. 7.4 при n = nmax = const).
