Меню

Как изменяется напряжение генератора при изменении частоты вращения ротора



Как изменяется напряжение генератора при изменении частоты вращения ротора

Напряжение генератора сильно зависит от оборотов двигателя

Напряжение в сети автомобиля должно быть постоянным по величине.

Генератор приводится ремнем от двигателя и, соответственно, обороты генератора все время меняются. Если не регулировать напряжение, то оно будет сильно меняться — увеличиваться при разгоне автомобиля и уменьшаться при сбросе газа и снижения скорости. Свет будет, то слишком яркий, то слишком тусклым, обороты электромоторов будут меняться, Аккумулятор быстро разрушится от избыточного напряжения, электроника станет работать непредсказуемо.

Регулирование напряжения – это поддержание напряжения на постоянном уровне 14,2 – 13,8 Вольта, при изменениях оборотов и нагрузки генератора. Генератор стремится поднять напряжение, а регулятор напряжения ограничивает его на заданном уровне.

Посмотрим графики, которые показывают как меняется скорость нарастания и убывания напряжения на разных оборотах при включении и выключении тока возбуждения

Для возбуждения генератора необходимо раскрутить ротор и включить ток возбуждения. Ток возбуждения создает магнитное поле ротора, которое генерирует в обмотке генератора Электродвижущую силу. На выходе генератора появляется напряжение. Напряжение не может появиться скачком, потому что в генераторе происходят переходные процессы, замедляющие нарастания и спады напряжения. Чем быстрее крутится ротор, тем быстрее нарастает напряжение и достигает большей величины. При размыкании цепи возбуждения, напряжение генератора снижается, чем больше обороты генератора, тем медленнее спадает напряжение.

Проводим три опыта: Генератор крутится со скоростью 800 об. в мин, 3000 об. в мин., 5000 об. в мин.

На графике показано нарастание напряжения при включении тока возбуждении и спада напряжения, при выключении тока возбуждения. Чем выше обороты, тем быстрее нарастает напряжение достигает большей величины.

Расчетные параметры генератора, должны быть такими, чтобы уже на малых оборотах холостого хода, напряжение оказалось выше регулируемого значения — 14,2 Вольта, только в этом случае, регулятор сможет ограничить напряжение на заданном уровне. Генератор должен гарантировано обеспечить работу электрооборудования на холостом ходу двигателя 800 об. в мин., напряжение должно быть 16- 17 Вольт. На высоких оборотах (3000, 5000) предельное напряжение на выходе генератора получается значительно выше, регулируемого уровня — в два – три раза.

Регулирование напряжение – это поддержание напряжения на постоянном уровне 14,2 – 13,8 Вольта, при сильных изменениях оборотов и нагрузки генератора. Для выполнения этой функции, в конструкции генератора предусмотрен регулятор напряжения. Генератор стремится поднять напряжение, а регулятор напряжения ограничивает его на заданном уровне.

Задержка нарастания и плавный спад напряжения используются для регулирования напряжения. Между разными уровнями нарастающего и спадающего напряжения, есть определенный временной промежуток, который позволяет разнести по времени включение и выключение тока возбуждения.

Как только нарастающее напряжение превысит регулируемый уровень, регулятор отключает обмотку возбуждения, и начинается спад напряжения. Как только на спаде, напряжение станет ниже регулируемого уровня, регулятор снова включает ток возбуждения, напряжение снова начинает расти. Так происходит пилообразный рост и спад напряжения. Моменты включения и выключения тока возбуждения выбираются так, чтобы среднее значения этого пилообразного напряжения, получилось 14,2 Вольта.

Дополнительные особенности регулирования напряжения.

Постоянство напряжение дополнительно поддерживается тем, что с увеличение оборотов напряжение генератора (в пределах регулирования) быстрее нарастает и медленнее убывает. (см графики) Это помогает скомпенсировать увеличение ЭДС генератора.

Тот факт, что при увеличении нагрузки ток возбуждения спадает быстрее, приводит к относительному росту среднего значения тока возбуждения и, значит, компенсирует снижение напряжения генератора при увеличении нагрузки.

Эти две туманные фразы можно попытаться понять, если разобраться, как меняется среднее значение тока возбуждения при нарастании и убывании оборотов

Зависимость среднего значения тока возбуждения от скорости нарастания и убывания напряжения генератора

На малых оборотах напряжение медленно нарастает и быстро спадает, на средних быстрее вырастает и медленнее спадает, на высоких оборотах быстро вырастает и заметно медленнее спадает. Это видно на верхних графиках.

Более длительное разомкнутое состояние означает, что среднее значение тока в цепи возбуждения снижается, это важно для поддержания постоянного уровня напряжения. При увеличении скорости вращения ротора увеличивается скорость изменения магнитного потока и, значит, повышается ЭДС генератора, но, так как, величина тока возбуждения снижается, происходит снижение ЭДС, то есть, происходят два встречных процесса – один повышает ЭДС, другой понижает, в среднем, значение ЭДС остается на прежнем уровне.

Читайте также:  Устройства генератора ваз 2106

Похожие процессы происходят при увеличении нагрузки, когда генератор вынужден отдавать большой ток. Как для любого источника, в этом случае увеличивается падение напряжения внутри источника, уменьшается скорость нарастания напряжение и его верхнее значение, и ускоряется спад напряжения. В этом случае увеличивается среднее значение тока возбуждения. То есть, регулятор, для того чтобы удержать выходное напряжение, при увеличении нагрузки, увеличивает ток возбуждения.

Частота, с которой происходит включение – выключение тока возбуждения определяется качеством и чувствительностью схемы регулятора. Увеличение частоты приводит к повышению энергозатрат и дополнительному нагреву схемы, а значит потребует увеличения размеров.

В современных ШИМ регуляторах напряжения, частота переключения выбирается задающим генератором.

Источник

РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ

Напряжение генераторов постоянного и переменного тока зависит от частоты вращения ротора, значения отдаваемого тока, магнит­ного потока возбуждения, сопротивления обмотки якоря (у гене­ратора постоянного тока) и полного сопротивления обмотки ста­тора (у генераторов переменного тока).

•Если учитывать (при грубом приближении) только основные фак­торы, то можно считать, что

Таким образом, для обеспечения постоянства напряжения гене­ратора при изменении частоты вращения ротора необходимо обратно пропорционально частоте изменять магнитный поток. Так как магнитный поток определяется силой тока возбуждения, регулирование напряжения осуществляется периодическим включе­нием в цепь возбуждения генератора и отключением из этой цепи добавочного резистора с постоянным сопротивлением. В настоя­щее время применяются вибрационные и полупроводниковые регу­ляторы напряжения.

Вибрационный регулятор напряжения. Вибрационный регулятор (рис. 18,а) имеет добавочный резистор Rд, который включается по­следовательно с обмоткой возбуждения ОВ. При замыкании контак­тов 4, один из которых неподвижен, а другой расположен на якорьке 3, добавочный резистор замкнут накоротко. Основная обмот­ка ОО регулятора, намотанная на сердечнике 5, включена на пол­ное напряжение генератора. Пружина 2 оттягивает якорек вверх, удерживая контакты в замкнутом состоянии. При этом обмотка возбуждения ОВ через контакты, якорек и ярмо 1 подключена, минуя добавочный резистор.

При неработающем генераторе в основной обмотке 00 регуля­тора тока нет и контакты под действием пружины замкнуты. С увеличением частоты вращения сила тока возбуждения генерато­ра и его напряжение растут. При этом увеличивается сила тока основной обмотки 00 регулятора и намагничивание сердечника. Пока напряжение генератора меньше установленной величины, силы магнитного притяжения якорька к сердечнику недостаточно для преодоления силы натяжения пружины и контакты регуля­тора остаются замкнутыми, а ток в обмотку возбуждения про­ходит, минуя добавочный резистор.

При дальнейшем увеличении напряжения генератора наступает такой момент, когда сила магнитного притяжения якорька к сердечнику преодолевает силу натяжения пружины и контакты регулятора размыкаются. Вследствие этого в цепь обмотки возбуж­дения включается добавочный резистор, и напряжение генератора резко падает.

Уменьшение напряжения приводит к уменьшению тока в обмотке регулятора напряжения и, следовательно, силы притяжения якорька к сердечнику. В результате контакты регулятора вновь замыкаются, а затем при увеличении напряжения генератора размыкаются.

Описанный процесс периодически повторяется. В результате этого возникают пульсации напряжения (рис. 18, б). Среднее значение напряжения Uср, измеряемое вольтметром, определяет регули­руемое напряжение генератора. С увеличением частоты враще­ния увеличивается время разомкнутого состояния tр и уменьшается время замкнутого состояния t3. Это приводит к уменьшению тока возбуждения IB (рис. 19).

Напряжение генератора, поддерживаемое регулятором, зависит от силы натяжения пружины. Изменением силы натяжения пружины осуществляется регулировка напряжения генераторной установки.

Уменьшение пульсаций напряжения происходит следующим обра­зом. Пульсации напряжения генератора зависят от частоты колебаний якорька регулятора. Чтобы пульсации напряжения не оказывали влияния на работу потребителей, якорек регулятора должен колебаться с частотой не менее 30 Гц. Кроме того, с увеличением частоты колебаний якорька уменьшается износ контактов.

Частоту колебаний повышают применением специальных уско­ряющих обмоток, которые наматывают на сердечник регулятора, или ускоряющих резисторов. Наиболее часто применяют схему вибрационного регулятора напряжения с ускоряющим резистором (рис. 20). Здесь основная обмотка 00 регулятора подключается к генератору через ускоряющий резистор Rу, который включен последовательно с резистором Rд. Резистор Rу также является добавочным в цепи обмотки возбуждения генератора. Таким обра­зом, напряжение на обмотке регулятора равно разности между напряжением генератора и падением напряжения в ускоряющем резисторе.

Ускоряющее действие резистора Rу заключается в следующем.При замкнутых контактах регулятора через ускоряющий резистор походит ток только обмотки регулятора, величина которого составляет доли ампера. Напряжение, приложенное к обмотке регулятора, почти равно напряжению генератора, так как падение напряжения в ускоряющем резисторе очень незначительно.

Читайте также:  Какое явление положено в основу работы генератора

При размыкании контактов ток возбуждения генератора, который вследствие явления самоиндукции не может изменяться скачком, в первый момент сохраняет свою величину и направление. Ток возбуждения проходит по ускоряющему резистору, что приво­дит к резкому увеличению падения напряжения на нем и резкому уменьшению напряжения на обмотке регулятора. Скачкообразное уменьшение напряжения в ос­новной обмотке 00 регулятора в момент размыкания контактов резко уменьшает в ней ток, а следовательно, и силу притя­жения якоря регулятора к се­рдечнику. Благодаря этому кон­такты быстро замыкаются вновь. В результате частота колебаний якоря увеличива­ется до 150—250 Гц и, сле­довательно, уменьшается пуль­сация напряжения. При при­менении ускоряющих устройств возникает отрицательное явление, связанное с увеличением напряжения генератора при увеличении частоты вращения ротора. Возрастание напряжения с увеличением частоты вращения ротора предотвращается при помощи выравнивающих обмоток или выравнивающих резисторов.

Для стабилизации напряжения наибольшее распространение получили схемы с выравнивающими обмотками (рис. 21).

Выравнивающую обмотку ВО включают в цепь через контакты регулятора последовательно с обмоткой возбуждения ОВ генератора. Ее наматывают на сердечник таким образом, чтобы ее магнитный по­ток противодействовал магнитному потоку основной обмотки 00 ре­гулятора. Магнитный поток, создаваемый выравнивающей обмоткой, значительно меньше магнитного потока, создаваемого основной обмоткой регулятора.

При увеличении частоты вращения ротора в результате увеличе­ния времени разомкнутого состояния контактов уменьшается сила то­ка не только в основной, но и в выравнивающей обмотке. Поэ­тому уменьшение магнитного потока, создаваемого основной об­моткой, сопровождается таким же по величине уменьшением магнит­ного потока, создаваемого выравнивающей обмоткой, и результи­рующий магнитный поток почти не изменяется. В результате размыкание контактов регулятора происходит независимо от частоты вращения ротора при напряжении, установленном регулировкой.

Рабочая температура регулятора меняется в значительных преде­лах (от -50 до +125 °С). Сопротивление основной обмотки регулятора напряжения, выполняемой из меди, изменяется от тем­пературы (возрастает на 40% при нагреве обмотки на 100 °С). Поэ­тому при повышении температуры основной обмотки уменьшается ток в ней и, следовательно, магнитный поток. В результате регулятор начинает работать при напряжении, большем того, на которое он от­регулирован.

Температурная компенсация осуществляется следующим обра­зом.

Для уменьшения влияния температуры на работу вибрацион­ного регулятора последовательно основной обмотке регулятора, которую выполняют с меньшим сопротивлением, включают доба­вочный резистор из нихрома или константана. Сопротивление этих материалов практически не* меняется от температуры. В резуль­тате суммарное изменение сопротивления цепи основной обмотки регулятора от температуры в несколько раз уменьшится. Таким образом, возрастание регулируемого напряжения составит пример­но 10% при нагреве на 100 °С. В ряде регуляторов роль термокомпенсационного резистора выполняет ускоряющий резистор.

Для более полной термокомпенсации вместе с резистором применяют биметаллическую пластину, на которой подвешивают якорек регулятора. Биметаллическая пластина имеет два слоя. Материалы слоев обладают резко отличающимися коэффициентами теплового расширения.

Биметаллическую пластину приклепывают к якорьку и закреп­ляют на ярме регулятора. При этом слой материала с малым коэф­фициентом температурного расширения обращен к сердечнику. При повышении температуры пластина изгибается и создает усилие, направленное против усилия пружины, и таким образом способствует вступлению регулятора в работу при меньшем напря­жении. Таким образом и обеспечивается температурная компенсация.

Для термокомпенсации применяют также магнитные шунты. Маг­нитный шунт МШ (см. рис. 26) представляет собой пластину из железоникелевого или иного термомагнитного сплава с магнитным сопротивлением, увеличивающимся при повышении температуры. Пластина закреплена в верхней части регулятора между сердечником и ярмом параллельно якорьку.

При повышении температуры магнитное сопротивление шунта возрастает. При низких температурах магнитное сопротивление шунта мало, и часть магнитного потока сердечника, минуя якорек, замыкается через магнитный шунт. Таким образом компенсируется изменение магнитного потока, возникающее в резуль­тате изменения сопротивления основной обмотки регулятора от температуры. Применение магнитного шунта исключает необходи­мость в термокомпенсационном резисторе и биметаллической пла­стине.

Недостатки вибрационных регуляторов состоят в следующем. Вибрирующие контакты и пружины являются основным недо­статком вибрационных регуляторов, затрудняющим их настройку и повышающим чувствительность к вибрации. В результате изменения характеристик пружин вибрационные устройства подвер­жены разрегулировкам.

Обычный вибрационный регулятор напряжения может приме­няться с генераторами, у которых сила тока возбуждения не более 1,5—1,8 А. При больших значениях силы тока значительно сокра­щается срок службы контактов.

Особенно сказываются недостатки вибрационных регуляторов при работе с генераторными установками переменного тока, у которых сила тока возбуждения значительно больше, чем у гене­раторов постоянного тока. Чтобы получить возможность использо­вать вибрационный регулятор с мощными генераторами, применя­ют следующие способы. Часто используют не один, а два регуля­тора напряжения. Для этого обмотку возбуждения генератора раз­деляют на две одинаковые по своим параметрам и параллельно включенные ветви. Сила тока каждой ветви регулируется своим регулятором. При этом сила тока, разрываемого контактами, уменьшается вдвое.

Читайте также:  Дизель генератор тепловоза тэм18дм

Для уменьшения силы тока разрыва применяют также двухсту­пенчатое регулирование напряжения. Двухступенчатый регулятор напряжения имеет две пары контактов и добавочный резистор с меньшим сопротивлением. Подробно работа двухступенчатого регу­лятора рассмотрена на конкретном примере. Недостатки вибрационных регуляторов вызвали в последние годы применение с мощными генераторами полупроводниковых регуляторов напряже­ния.

Полупроводниковые регуляторы напряжения. В полупроводнико­вых регуляторах сила тока возбуждения регулируется при помощи транзисторов, эмиттерноколлекторная цепь которого включена по­следовательно с обмоткой возбуждения генератора.

Транзистор работает аналогично контактам вибрационного регу­лятора. При повышении напряжения генератора выше заданного уровня транзистор переключается в закрытое состояние (разомкну­тые контакты). При понижении уровня регулируемого напряжения транзистор переключается в открытое состояние (замкнутые кон­такты). В состоянии «открыт» сопротивление транзистора составляет доли ома, в состоянии «закрыт» — бесконечно большое значение. Полупроводниковые регуляторы напряжения могут выполняться контактно-транзисторными и бесконтактными.

Контактно-транзисторный регулятор (рис. 22) содержит в своей схеме вибрационное реле, управляющее транзистором Т.

Работает регулятор следующим образом. До момента достиже­ния генератором регулируемого значения напряжения Ur силы тока обмотки вибрационного реле недостаточно, чтобы контакты замкну­лись. При этом транзистор открыт, так как через него проте­кает ток базы по цепи: «плюс» генератора, переход эмиттер-база, резистор Rб, корпус генератора.

Через обмотку возбуждения ОВ в этом случае протекает полный ток возбуждения, и напряжение генератора возрастает с возрастанием частоты вращения ротора. Полное отпирание тран­зистора осуществляется подбором сопротивления резистора Rб.

При достижении напряжением генератора регулируемого значе­ния ток в основной обмотке OO реле достигает значения, при котором реле срабатывает. При замкнутых контактах потенциалы базы и эмиттера становятся равными, так как контакты шунтиру­ют переход эмиттер — база. Вследствие этого ток базы становится равным нулю, что приводит к запиранию транзистора.

В результате запирания транзистора ток возбуждения, под­держиваемый э.д.с. самоиндукции обмотки возбуждения, протекая через гасящий диод Дr, уменьшается. При этом уменьшается напряжение генератора Ur, контакты реле размыкаются, и тран­зистор открывается. Затем процесс повторяется.

Гасящий контур, выполняемый обычно в виде диода Дr, явля­ется обязательным элементом любого транзисторного регулятора. Если бы его не было, э.д.с. самоиндукции обмотки возбуждения, возникающая в момент закрытого состояния транзистора и достига­ющая несколько сотен вольт, могла бы вызвать пробой коллектор­ного перехода и отказ транзистора в работе.

В контактно-транзисторном регуляторе напряжения через контакты протекает незначительный ток, благодаря чему увеличива­ется срок их службы. Однако надежность работы регулятора по-прежнему определяется усталостной прочностью и возможной разрегулировкой пружины. Указанный недостаток исключен в бес­контактных схемах регулирования напряжения.

Бесконтактный регулятор напряжения (рис. 23) содержит тран­зистор T1, который выполняет функции контактов в контактно транзисторном регуляторе. Управление транзистором T1 осуществля­ется резисторами R1, R2 и стабилитроном Д1.

При напряжении генератора меньше регулируемого значения напряжение на резисторе R1, включенном параллельно стабилитро­ну Д1, меньше значения, соответствующего пробою стабилитрона. Стабилитрон при этом не проводит ток. следовательно, ток базы транзистора T1 равен нулю. Транзистор T1 при этом закрыт, что соответствует разомкнутому состоянию контактов, а транзистор Т2 открыт.

При достижении генератором уровня напряжения, соответ­ствующего регулируемому значению, напряжение на резисторе R1 повышается до значения, при котором стабилитрон пробивается, т. е. его сопротивление в обратном направлении резко уменьша­ется. В результате возникает ток базы транзистора T1, проте­кающий по цепи: «плюс» генератора, переход эмиттер — база тран­зистора T1, стабилитрон Д1, резистор R2, «минус» генератора. Транзистор T1 при этом открывается, что соответствует замкнутому состоянию контактов, транзистор Т2 запирается, а ток возбуждения и напряжение генератора уменьшаются. Вследствие этого напряже­ние на стабилитроне снижается ниже напряжения стабилизации, и он запирается, прерывая ток базы транзистора T1. Транзистор T1 запи­рается, а транзистор Т2 переключается в открытое состояние и т. д. Соотношение сопротивлений резисторов R1 и R2 определяет уровень регулируемого напряжения.

Схемы бесконтактных регуляторов, применяемых на практике, имеют ряд дополнительных элементов, улучшающих рабочие ха­рактеристики. Назначение дополнительных элементов рассмотрено на примерах схем конкретных регуляторов.

Источник