Регуляторы напряжения
В основу принципа автоматического регулирования напряжения генераторов положен процесс функционального изменения магнитного потока возбуждения со следящим действием по уровню требуемого напряжения.
Такие факторы, как частота вращения ротора, ток нагрузки, могут быть переменными и в свою очередь вызывать изменения магнитного потока возбуждения, однако этот поток в любом случае должен быть таким, чтобы обеспечивать величину напряжения генератора в пределах заданного уровня, с колебаниями, как правило, не более ±0,5 В.
Для выполнения указанной задачи в схемы систем электроснабжения вводится специальное устройство — регулятор напряжения, осуществляющий функцию стабилизатора напряжения бортовой сети транспортной или технологической машины.
При разных частотах вращения ротора и переменных нагрузках постоянство напряжения можно получить изменением магнитного потока возбуждения, определяемого функционально изменяемой величиной тока возбуждения. При этом ток возбуждения должен быть тем меньше, чем выше частота вращения ротора генератора.
Кроме того, при возрастании тока нагрузки генератора ток его возбуждения должен увеличиваться.
В современной практике получили распространение регуляторы, осуществляющие прерывание (уменьшение) тока возбуждения с определенной частотой, когда переменной величиной является время включения в цепь возбуждения генератора добавочного резистора.
В качестве простейшего устройства такого типа может быть рассмотрен вибрационный регулятор напряжения.
Вибрационные регуляторы напряжения
Вибрационные регуляторы напряжения применялись в конструкции транспортных машин на протяжении нескольких десятилетий от появления генераторных установок до широкого распространения полупроводниковых регуляторов.
Рабочий процесс вибрационного регулятора напряжения осуществляется следующим образом. При напряжении генератора Г ниже номинального UH для данной бортовой сети регулятор напряжения не работает.
Ток возбуждения проходит от клеммы «+» аккумуляторной батареи Б через включатель замка зажигания ВКЗ, далее через нормально замкнутые контакты К регулятора к положительному полюсу обмотки возбуждения ОВ.
Ток возбуждения в этом случае наибольший, чему соответствует максимальная величина магнитного потока возбуждения.
При повышении частоты вращения ротора генератора его напряжение возрастает и может превысить номинальное UH.
В этом случае магнитодвижущая сила Fu электромагнитной обмотки ОР регулятора превышает силу пружины Fnp якорька, в результате чего контакты К размыкаются и ток возбуждения генератора проходит через добавочный резистор Яд, отчего этот ток уменьшается.
Следствием этого является снижение магнитного потока возбуждения и уменьшение напряжения генератора ниже номинального.
Уменьшение напряжения, в свою очередь, вызывает снижение магнитодвижущей силы FM обмотки регулятора ниже значения силы Fnp, отчего контакты К замыкаются, ток возбуждения увеличивается и процесс повторяется с частотой порядка 50 — 200 раз в секунду.
Обмотка регулятора ОР, магнитодвижущая сила FH которой имеет в данном случае следящее действие по напряжению генератора, является чувствительным элементом, пружина якорька является задающим элементом.
Роль регулирующего органа выполняет добавочный резистор.
Ток возбуждения генератора определяется как отношение напряжения бортовой сети Uк сопротивлению цепи возбуждения /?в.
При неработающем регуляторе сопротивление цепи возбуждения определяется в основном сопротивлением обмотки возбуждения генератора и ток возбуждения генератора определяется по формуле I
При работающем регуляторе напряжения, когда контакты К разомкнуты, сопротивление цепи возбуждения генератора определяется как сумма сопротивлений обмотки возбуждения RB и добавочного резистора Ra и ток возбуждения генератора определяется по формуле
Исходя из рассмотренного процесса напряжение генератора при работе с регулятором будет иметь колебательный характер.
Частота вибрации контактов это отношение
где Т — период замыкания контактов.
При замкнутых контактах напряжение генератора U возрастает до максимальной величины £/тах, далее контакты размыкаются и напряжение снижается до минимального значения £/min.
Период замыкания контактов определяется как сумма времени замкнутого А, и разомкнутого /р состояния контактов: T = t3 +/р.
Если рассматривать работу регулятора для различных частот вращения ротора, то можно обнаружить, что при увеличении частоты вращения ротора время замкнутого состояния контактов t уменьшается, а время /р их разомкнутого состояния соответственно увеличивается.
Сопротивление цепи возбуждения при этом изменяется скачкообразно от RB до Лв + 7?д.
Среднее эффективное значение сопротивления цепи возбуждения Лэф определяется как среднее арифметическое значение пульсирующего сопротивления: „ + Л,(*,+/ )+j^/ „ h + *р "ЭФ 7Т7 =лв + «л'ср, *3 *р tp где тр относительное время разомкнутого состояния контактов.
Текущее значение тока возбуждения К + ТрЯд
Относительное время разомкнутого состояния контактов тр изменяется от нуля, когда регулятор не работает (/?min), до единицы, когда ток возбуждения уменьшается до величины, соответствующей постоянно включенному добавочному резистору (/imax).
При увеличении частоты вращения ротора свыше птах ток возбуждения и напряжение генератора начнут возрастать, так как сопротивление цепи возбуждения будет не в состоянии уменьшиться до требуемого уровня при таком режиме.
Из этого следует вывод, что величина добавочного резистора определяет максимальную частоту Гл,и , и / др и- — 1 1 А- Скоростная характеристика генератора, работающего с регулятором П~ «та* п напряжения срабатывания регулятора напряжения и, следовательно, максимальную частоту вращения ротора, до которой возможно регулирование напряжения.
Увеличением величины добавочного резистора /?д можно увеличить частоту итах, однако следствием этого является увеличение величины AUпульсации регулируемого напряжения.
Соответственно для уменьшения величины AUжелательно подбирать величину резистора Яа наименее возможной исходя из обеспечения требуемого скоростного режима генератора.
Изменение напряжения Uгенератора, работающего с вибрационным регулятором напряжения, возможно осуществлять посредством изменения задающего элемента — регулировкой натяжения пружины якорька: при увеличении усилия пружины напряжение будет возрастать, при ослаблении — уменьшаться.
Системы генераторов с вибрационными регуляторами в настоящее время являются весьма несовершенными из-за присущих им недостатков:
• малой частоты срабатывания контактов;
• нестабильности выходных характеристик вследствие магнитного гистерезиса сердечника обмотки и влияния окружающей температуры;
• малого срока службы контактов из-за постоянного искрения;
• невозможности пропускания через контакты больших токов возбуждения из-за их ограниченной разрывной мощности.
В качестве достоинства вибрационного регулятора может рассматриваться сохранение его работоспособности при действии в зоне повышенной радиационной загрязненности среды, когда полупроводниковые системы выходят из строя.
Разрывная мощность контактов Д = ПЪ для вольфрамовых контактов обычно не превышает 150 В ■ А.
Увеличение мощности потребителей регуляторов напряжения в современных транспортных и транспортно-технологических машинах вызвало необходимость создания генераторов соответствующей мощности, причем создание генераторов повышенной мощности с сохранением малых токов возбуждения в настоящее время является пока что невыполнимой задачей.
Повышение мощности генераторов предъявляет дополнительные требования к конструкции регуляторов.
Для выполнения таких требований необходимо либо значительно усложнять конструкцию вибрационного регулятора, либо переходить к использованию полупроводниковых элементов.
