Принцип работы регулятора напряжения. Регуляторы напряжения

Регулирование напряжения позволяет не только повысить качество электроэнергии, но и улучшить ход производственных процессов на промышленных предприятиях: снизить брак продукции, повысить ее качество, увеличить производительность труда людей и производительность механизмов, а также в отдельных случаях сократить потери энергии. Существуют различные способы регулирования напряжения. Разнообразие решений обусловлено требованиями по устойчивости, необходимой точности регулирования, параметрами нагрузок, экономическими и другими факторами.

Регулирование в источниках вторичного электропитания

Величину выпрямленного напряжения в ряде случаев нужно изменять. Такая необходимость может возникнуть при включении мощных двигателей, накала генераторных ламп, для уменьшения бросков тока при включении.

Регулирование выпрямленного напряжения можно осуществлять на стороне переменного тока (входе), на стороне постоянного тока (выходе) и в самом выпрямителе применением регулируемых вентилей.

В качестве регуляторов напряжения на стороне переменного тока применяются:

Регулируемые трансформаторы или автотрансформаторы.

Регулирующие дроссели (магнитные усилители).

В регулируемом трансформаторе или автотрансформаторе первичная или вторичная обмотка выполняются с несколькими выводами.

С помощью переключателя изменяется число витков обмотки и, следовательно выходное напряжение трансформатора или автотрансформатора.

При коммутации обмоток часть витков может оказаться замкнутой накоротко движком переключателя, что приведет к созданию в замкнутых витках чрезмерно больших токов и к выходу трансформатора из строя. Поэтому такую коммутацию рекомендуется производить после отключения трансформатора из сети. Это является большим недостатком.

Виды регуляторов напряжений

1. По количеству узлов в одном корпусе:

· только регулятор напряжения

· регулятор напряжения вместе с выпрямителем электрического тока

· комбинированный регулятор для напряжения переменного тока и напряжения постоянного тока с выпрямителем

2. По номинальному напряжению в сети транспортного средства и изменению напряжения:

· номинальное напряжение 6 или 12 В

· напряжение переменного тока или напряжение постоянного тока

3. По электрической мощности (нагрузке) регулятора

4. По числу фаз на 1-фазные и 3-фазные

5. По типу регулируемого генератора постоянного тока - для генераторов с независимым возбуждением и генераторов с постоянными магнитами.

Регуляторы переменного напряжения на основе тиристоров

Тиристорные регуляторы позволяют значительно уменьшить физические размеры устройства, снизить его стоимость и сократить потери электроэнергии, но они обладают существенными недостатками, ограничивающими их возможности. Во-первых, они вносят достаточно заметные помехи в электрическую сеть, что нередко отрицательно сказывается на работе телевизоров, радиоприемников, магнитофонов. Тиристорные регуляторы переменного напряжения широко применяются в электроприводе, также для питания электротермических установок. Применение тиристоров для коммутации статорных цепей асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором позволяет решить задачу создания простого и надежного бесконтактного асинхронного электропривода. Можно эффективно воздействовать на процессы разгона, замедления, осуществлять интенсивное торможение и точную остановку. Безыскровая коммутация, отсутствие подвижных частей, высокая степень надежности позволяют применять тиристорные регуляторы во взрывоопасных и агрессивных средах.

Как известно, в любом транспортном средстве генератор является одним из основных узлов, выход из строя которого не позволит осуществить запуск двигателя. Такое устройство состоит из множества компонентов, но одним из самых основных является трехуровневый регулятор. Что представляет собой это устройство напряжения, каково его назначение, какие бывают виды, как произвести диагностику — читайте ниже.

[ Скрыть ]

Характеристика регулятора напряжения

Сколько генератор должен выдавать напряжения, какие существуют виды выносных реле, как работает элемент? Какие признаки неисправности, как повысить или увеличить выходные показатели, что делать если напряжение прыгает? В первую очередь, необходимо разобраться с вопросами конструкции и назначения.

Назначение

Итак, какие признаки неисправности, какие функции выполняет трехуровневый регулятор напряжения? Когда двигатель любого автомобиля запускается, в первую очередь, под воздействием постоянного тока, начинает работать коленвал. Именно из-за постоянного тока он начинает задавать движение ротору, и только после этих действий в работу вступает непосредственно автомобильный генератор. Трехуровневый регулятор напряжения производит мониторинг всех этих процессов, этот элемент также часто называется реле постоянного тока.

Без этого устройства ток в бортовой сети не сможет запустить сам генератор в работу, тем более, что не будет осуществляться контроль подачи тока. Кроме того, трехуровневый регулятор напряжения позволяет удерживать ток в определенном интервале.

Конструкция

Даже самый простой и самодельный регулятор должен быть способным оптимально регулировать напряжения, что осуществляется в результате работы ротора. Как правило, в автомобилях современного производства ротор крутится вправо, но бывают и исключения.

Любой регулятор напряжения генератора, даже самодельный и простой будет состоять из следующих компонентов:

1. Крыльчатка. Этот компонент монтируется на внешней стороне устройства. Его предназначение заключается в обдуве, а также дальнейшем охлаждении обмотки.
2. Крышка корпуса, предназначена для закрытия доступа к внутренним компонентам устройства, чтобы защитить конструкцию от грязи, пыли и прочего мусора. Помимо этого, крышка может быть дополнительно оснащена кожухом. Если кожух имеется, то сам регулятор будет установлен за ним.
3. Устройство выпрямителей. Такая схема состоит из нескольких диодов. Как правило, диодов шесть. Следует отметить, что все диоды схемы подсоединяются друг к другу по так называемому мосту.
4. Ротор с обмоткой. Данный компонент вращается вокруг оси, таким образом, ротор должен выдавать магнитное поле в корпусе.
5. Статор — еще один компонент схемы. На корпусе статора находится три обмотки, которые соединены между собой. Эти обмотки схемы позволяют не только выдать большое количество заряда и мощности для АКБ, но и обеспечить постоянным током всю бортовую цепь машины.
6. Непосредственно реле. Благодаря автомобильному реле схема может поддерживать оптимальный уровень напряжение в необходимом диапазоне. Напряжение не должно быть слишком большое — оно всегда оптимальное (автор видео — Николай Пуртов).

Сколько мощности в амперах должен выдавать автомобильный регулятор после подключения? Схема выработки напряжения осуществляется по определенному принципу. В результате вращений ротора, на обмотку возбуждения всегда воздействует не очень большое напряжение, пока генератор подключен к АКБ. Пока происходит вращение, на выводах появляется переменный ток, поступающий на обмотку. Вращение ротора обеспечивается ремешком генератора.

Сколько должен выдать энергии этот прибор — второстепенный вопрос, ведь когда эта энергия сгенерированная, в первую очередь большое напряжение нужно выпрямить. Для этой цели используются диодные мосты. Поскольку напряжение большое, в работу вступает электронный регулятор напряжения. Данный компонент реагирует на изменения тока, которые происходят на схеме, после чего отправляет эту информацию к сравнивающему прибору, предназначенному для анализа необходимых показаний с теми, которые поступили. Если напряжение на зажимах генератора становится более низким, регулятор начинает увеличивать уровень постоянного тока в схеме, повышая его до необходимого.

Принцип работы

Если подключить к источнику питания обмотку без регулятора, то уровень постоянного тока будет слишком высоким. Благодаря реле на схеме происходит выравнивание этого параметра, чтобы не допустить выхода из строя оборудования. Сам регулятор представляет собой, по сути, выключатель. В том случае, если уровень тока возрастает до 13.-14 вольт, устройство автоматически отключает от сети обмотку и включает ее, если уровень тока слишком низкий. В итоге осуществляется регулярная коммутация проводки с высокой частотой, соответственно, генератор может вырабатывать более высокое напряжение (автор видео — Alex ZW).

Разновидности

Для подключения к бортовой схеме автомобиля существует несколько типов регуляторов, предназначенных для работы в условиях постоянного тока в амперах. Следует отметить, что для некоторых из них характерны определенные неисправности. Но, как показывает практика, в большинстве случаев неисправности у этих устройств обычно идентичные друг другу. Перед тем, как мы расскажем о том, как осуществляется проверка регулятора напряжения постоянного тока в автомобиле и как выявить неисправности, уделим внимание видам.

Так вы сможете понять, какой тип лучше:

1. Двухуровневый тип является морально устаревшим, но наши автолюбители сегодня продолжают его использовать. В основе таких регуляторов лежит электромагнит, который подключается к датчику обмотки. В качестве задающих элементов выступают пружины, а функцию сравнивающего компонента выполняет подвижный рычаг. Его габариты довольно небольшие, с его помощью выполняется коммутация. Основным недостатком, который зачастую приводит к неисправности, является небольшой ресурс использования устройства.
2. Электронные устройства на 40 ампер считаются полупроводниковыми. Они характеризуются высоким ресурсом эксплуатации, соответственно, с неисправностями владельцы автомобилей с электронными регуляторами сталкиваются реже.
3. Трехуровневые конструкции по своему устройству практически не отличаются от тех, которые мы уже рассмотрели. Принципиальная разница заключается только в том, что такие устройства оснащены добавочным сопротивлением.
4. Многоуровневые — еще один вид. Некоторые эксперты считают, что такие регуляторы лучше других, поскольку они оснащаются тремя и даже пятью добавочными сопротивлениями. Кроме того, есть модели, которые могут работать в следящем режиме.

Стоимость регуляторов может варьироваться в зависимости от типа и модели. Какой лучше приобрести — дело сугубо каждого. В среднем стоимость таких элементов варьируется в районе 5 долларов. Если вам позволяет бюджет, лучше приобрести сразу два регулятора. Почему лучше? Потому что эта деталь является незаменимой в дороге.

Проведение диагностики регулятора напряжения своими руками

Как проверить регулятор напряжения автомобиля для выявления неисправностей своими руками? Что лучше замерить своими руками — амперы или вольты, чем лучше воспользоваться. Для выявления неисправностей своими руками необходимо использовать мультиметр или вольтметр. Необходимо, чтобы на устройстве была шкала для измерений на 15-30 вольт. Диагностику неисправностей автомобильного реле на 40 ампер или ниже своими руками с помощью мультиметра необходимо осуществлять только при заряженном аккумуляторе.

1. Сначала необходимо включить зажигание.
2. Запустите своими руками двигатель, дайте ему поработать, при этом фары необходимо включить. Пусть мотор работает, пока количество оборотов не составит около 2.5-3 тыс. Как правило, для этого необходимо подождать около 10 минут.
3. При помощи вольтметра произведите замер напряжения на клеммах АКБ. Параметр должен составлять около 14.1-14.3 вольт.

В том случае, если во время диагностики показатели получились ниже или выше, лучше приобрести новое реле на 40 ампер. В ходе диагностики штекеры ни в коем случае нельзя перемыкать, поскольку это может привести к деформации и неработоспособности выпрямительного блока. Для получения более точных показателей необходимо убедиться в том, что ремень генератора натянут хорошо.

Видео «Диагностика состояния реле регулятора»

Как своими руками осуществить проверку неисправностей этого элемента — узнайте из видео ниже (автор видео — Вячеслав Чистов).

Извините, в настоящее время нет доступных опросов.

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.

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:

1. 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;
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

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:

1. как механический вибратор ВРН ненадежен;
2. контакт К в ЭМ-реле подгорает, что делает регулятор недолговечным;
3. параметры ВРН зависят от температуры (среднее значение U ср рабочего напряжения U г генератора плавает);
4. 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;
5. 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).

Реле-регулятор напряжения генератора — это неотъемлемая часть системы электрооборудования любого автомобиля. С его помощью производится поддержка напряжения в определенном диапазоне значений. В данной статье вы узнаете о том, какие конструкции регуляторов существуют на данный момент, в том числе будут рассмотрены механизмы, давно не используемые.

Основные процессы автоматического регулирования

Совершенно неважно, какой тип генераторной установки используется в автомобиле. В любом случае он имеет в своей конструкции регулятор. Система автоматического регулирования напряжения позволяет поддерживать определенное значение параметра, независимо от того, с какой частотой вращается ротор генератора. На рисунке представлен реле-регулятор напряжения генератора, схема его и внешний вид.

Анализируя физические основы, с использованием которых работает генераторная установка, можно прийти к выводу, что напряжение на выходе увеличивается, если скорость вращения ротора становится выше. Также можно сделать вывод о том, что регулирование напряжения осуществляется путем уменьшения силы тока, подаваемого на обмотку ротора, при повышении скорости вращения.

Что такое генератор

Любой автомобильный генератор состоит из нескольких частей:

1. Ротор с обмоткой возбуждения, вокруг которой при работе создается электромагнитное поле.

2. Статор с тремя обмотками, соединенными по схеме "звезда" (с них снимается переменное напряжение в интервале от 12 до 30 Вольт).

3. Кроме того, в конструкции присутствует трехфазный выпрямитель, состоящий из шести полупроводниковых диодов. Стоит заметить, что реле-регулятор напряжения генератора ВАЗ 2107 в системе впрыска) одинаков.

Но работать генератор без устройства регулирования напряжения не сможет. Причина тому — изменение напряжения в очень большом диапазоне. Поэтому необходимо использовать систему автоматического регулирования. Она состоит из устройства сравнения, управления, исполнительного, задающего и специального датчика. Основной элемент — это орган регулирования. Он может быть как электрическим, так и механическим.

Работа генератора

Когда начинается вращение ротора, на выходе генератора появляется некоторое напряжение. А подается оно на обмотку возбуждения посредством органа регулировки. Стоит также отметить, что выход генераторной установки соединен напрямую с аккумуляторной батареей. Поэтому на обмотке возбуждения напряжение присутствует постоянно. Когда увеличивается скорость ротора, начинает изменяться напряжение на выходе генераторной установки. Подключается реле-регулятор напряжения генератора Valeo или любого другого производителя к выходу генератора.

При этом датчик улавливает изменение, подает сигнал на сравнивающее устройство, которое анализирует его, сопоставляя с заданным параметром. Далее сигнал идет к устройству управления, от которого производится подача на Регулирующий орган способен уменьшить значение силы тока, который поступает к обмотке ротора. Вследствие этого на выходе генераторной установки производится уменьшение напряжения. Аналогичным образом производится повышение упомянутого параметра в случае снижения скорости ротора.

Двухуровневые регуляторы

Двухуровневая система автоматического регулирования состоит из генератора, выпрямительного элемента, аккумуляторной батареи. В основе лежит электрический магнит, его обмотка соединена с датчиком. Задающие устройства в таких типах механизмов очень простые. Это обычные пружины. В качестве сравнивающего устройства применяется небольшой рычаг. Он подвижен и производит коммутацию. Исполнительным устройством является контактная группа. Орган регулировки — это постоянное сопротивление. Такой реле-регулятор напряжения генератора, схема которого приведена в статье, очень часто используется в технике, хоть и является морально устаревшим.

Работа двухуровневого регулятора

При работе генератора на выходе появляется напряжение, которое поступает на обмотку электромагнитного реле. При этом возникает магнитное поле, с его помощью притягивается плечо рычага. На последний действует пружина, она используется как сравнивающее устройство. Если напряжение становится выше, чем положено, контакты электромагнитного реле размыкаются. При этом в цепь включается постоянное сопротивление. На обмотку возбуждения подается меньший ток. По подобному принципу работает реле-регулятор напряжения генератора ВАЗ 21099 и других автомобилей отечественного и импортного производства. Если же на выходе уменьшается напряжение, то производится замыкание контактов, при этом изменяется сила тока в большую сторону.

Электронный регулятор

У двухуровневых механических регуляторов напряжения имеется большой недостаток — чрезмерный износ элементов. По этой причине вместо электромагнитного реле стали использовать полупроводниковые элементы, работающие в ключевом режиме. Принцип работы аналогичен, только механические элементы заменены электронными. Чувствительный элемент выполнен на который состоит из постоянных резисторов. В качестве задающего устройства используется стабилитрон.

Современный реле-регулятор напряжения генератора ВАЗ 21099 является более совершенным устройством, надежным и долговечным. На транзисторах функционирует исполнительная часть устройства управления. По мере того как изменяется напряжение на выходе генератора, электронный ключ замыкает или размыкает цепь, при необходимости подключают добавочное сопротивление. Стоит отметить, что двухуровневые регуляторы являются несовершенными устройствами. Вместо них лучше использовать более современные разработки.

Трехуровневая система регулирования

Качество регулирования у таких конструкций намного выше, нежели у рассмотренных ранее. Ранее использовались механические конструкции, но сегодня чаще встречаются бесконтактные устройства. Все элементы, используемые в данной системе, такие же, как и у рассмотренных выше. Но отличается немного принцип работы. Сначала подается напряжение посредством делителя на специальную схему, в которой происходит обработка информации. Установить такой реле-регулятор напряжения генератора ("Форд Сиерра" также может оснащаться подобным оборудованием) допустимо на любой автомобиль, если знать устройство и схему подключения.

Здесь происходит сравнение действительного значения с минимальным и максимальным. Если напряжение отклоняется от того значения, которое задано, то появляется определенный сигнал. Называется он сигналом рассогласования. С его помощью производится регулирование силы тока, поступающего на обмотку возбуждения. Отличие от двухуровневой системы в том, что имеется несколько добавочных сопротивлений.

Современные системы регулирования напряжения

Если реле-регулятор напряжения генератора китайского скутера двухуровневый, то на дорогих автомобилях используются более совершенные устройства. Многоуровневые системы управления могут содержать 3, 4, 5 и более добавочных сопротивлений. Существуют также следящие системы автоматического регулирования. В некоторых конструкциях можно отказаться от использования добавочных сопротивлений.

Вместо них увеличивается частота срабатывания электронного ключа. Использовать схемы с электромагнитным реле попросту невозможно в следящих системах управления. Одна из последних разработок — это многоуровневая система управления, которая использует частотную модуляцию. В таких конструкциях необходимы добавочные сопротивления, которые служат для управления логическими элементами.

Как снимать реле-регулятор

Снять реле-регулятор напряжения генератора ("Ланос" или отечественная "девятка" у вас - не суть важно) довольно просто. Стоит заметить, что при замене регулятора напряжения потребуется всего один инструмент — плоская или крестовая отвертка. Снимать генератор или ремень и его привод не нужно. Большинство устройств находится на задней крышке генератора, причем объединены в единый узел с щеточным механизмом. Наиболее частые поломки происходят в нескольких случаях.

Во-первых, при полном стирании графитовых щёток. Во-вторых, при пробое полупроводникового элемента. О том, как провести проверку регулятора, будет рассказано ниже. При снятии вам потребуется отключить аккумуляторную батарею. Отсоедините провод, который соединяет регулятор напряжения с выходом генератора. Выкрутив оба крепежных болта, можно вытянуть корпус устройства. А вот реле-регулятор напряжения имеет устаревшую конструкцию - он монтируется в подкапотном пространстве, отдельно от щеточного узла.

Проверка устройства

Проверяется реле-регулятор напряжения генератора ВАЗ 2106, "копеек", иномарок одинаково. Как только произведете снятие, посмотрите на щетки - у них должна быть длина более 5 миллиметров. В том случае, если этот параметр отличается, нужно проводить замену устройства. Чтобы осуществить диагностику, потребуется источник постоянного напряжения. Желательно, чтобы можно было изменить выходную характеристику. В качестве источника питания можно использовать аккумулятор и пару пальчиковых батареек. Еще вам необходима лампа, она должна работать от 12 Вольт. Вместо нее можно использовать вольтметр. Подключаете плюс от питания к разъему регулятора напряжения.

Соответственно, минусовой контакт соединяете с общей пластиной устройства. Лампочку или вольтметр соединяете со щетками. В таком состоянии между щетками должно присутствовать напряжение, если на вход подается 12-13 Вольт. Но если вы будете подавать на вход больше, чем 15 Вольт, между щетками напряжения не должно быть. Это признак исправности устройства. И совершенно не имеет значения, диагностируется реле-регулятор напряжения генератора ВАЗ 2107 или другого автомобиля. Если же контрольная лампа горит при любом значении напряжения или вовсе не загорается, значит, присутствует неисправность узла.

Выводы

В системе электрооборудования автомобиля реле-регулятор напряжения генератора "Бош" (как, впрочем, и любой иной фирмы) играет очень большую роль. Как можно чаще следите за его состоянием, проверяйте на наличие повреждений и дефектов. Случаи выхода из строя такого устройства нередки. При этом в лучшем случае разрядится аккумуляторная батарея. А в худшем может повыситься напряжение питания в бортовой сети. Это приведет к выходу из строя большей части потребителей электроэнергии. Кроме того, может выйти из строя и сам генератор. А его ремонт обойдется в кругленькую сумму, а если учесть, что АКБ очень быстро выйдет из строя, расходы и вовсе космические. Стоит также отметить, что реле-регулятор напряжения генератора Bosch является одним из лидеров по продажам. У него высокая надежность и долговечность, а характеристики максимально стабильны.