Лекция 4. Регуляторы напряжения

1. Основы процесса автоматического

РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Зависимость напряжения синхронного генератора от частоты вращения характерна при их использовании на подвижных объектах, в частности, на подъемно – транспортных машинах и механизмах с двигателями внутреннего сгорания, имеющими широкий диапазон изменения частоты вращения. Особенность использования синхронных генераторов на таких объектах заключается в том, что их непосредственной нагрузкой является преобразователь напряжения, а регулировка осуществляется по постоянному току.

Процесс регулирования напряжения генератора сводится к воздействию на значение магнитного потока. Магнитный поток наиболее просто изменять регулированием силы тока возбуждения одним из трех способов: коротким замыканием обмотки возбуждения, прерыванием цепи возбуждения, включением последовательно с обмоткой возбуждения добавочного резистора.

Последний из перечисленных способов реализуется регуляторами напряжения электромагнитного, электронного и смешанного типов. Электронные регуляторы не содержат подвижных частей, подгорающих контактов, не требуют регулировок и потому более надежны. Однако благодаря невысокой стоимости электромагнитные регуляторы еще имеют достаточно широкое применение.

2. Схемы регуляторов напряжения

Рассмотрим принцип работы регулятора напряжения по схеме рис. 4.1. В приведенной схеме добавочный резистор R_доб включен последовательно с обмоткой возбуждения. Величина R_доб рассчитывается так, чтобы регулировка напряжения обеспечивалась во всем диапазоне частоты вращения ДВС.

Параллельно R_доб включены выходные нормально замкнутые контакты электромагнитного реле. Когда двигатель не работает, R_доб выключен из цепи возбуждения. Сопротивление цепи возбуждения в этом состоянии обозначим R_в.

Обмотка электромагнитного реле подключена к выходу преобразователя напряжения, т. е. питается напряжением постоянного тока U. Из курса электротехники известно, что сила притяжения якоря реле может быть определена выражением

. (4.1)

Очевидна зависимость силы притяжения якоря от силы тока обмотки реле I_об, а значит и от напряжения U, так как I_об = U/R_об. Здесь R_об – сопротивление обмотки реле.

Допустим, что с увеличением частоты вращения напряжение на выходе генератора превысило регулируемое значение U_р. При этом сила притяжения якоря (4.1) превысит силу удерживающей пружины реле, и клапан реле разомкнет контакты. В цепь возбуждения включается сопротивление добавочного резистора, что приводит к уменьшению тока возбуждения I_в = U_р / (R_в + R_доб) и, как следствие, к уменьшению напряжения U. Снижение напряжения U уменьшает I_об и F. Контакты реле замыкаются и выключают R_доб из цепи возбуждения. Далее процесс повторяется.

Большая частота включения и выключения R_доб приводит к тому, что эквивалентное сопротивление цепи R_э определяется выражением

R_э = R_в +τ_в∙R_доб,

а ток возбуждения

I_в = U_р / (R_в + τ_в∙R_доб),

где τ_в = t_в/(t_о +t_в) – относительная продолжительность включения резистора, t_о , t_в – время отключения и включения R_доб.

В диапазоне малых частот вращения двигателя, от нуля до некоторого значения n₁, напряжение на выходе генератора практически пропорционально n, но меньше регулируемого – U_р (рис. 4.2). Регулятор не работает, τ_в = 0, а ток возбуждения возрастает от 0 до I_{в макс}.

При дальнейшем увеличении частоты вращения двигателя регулятор включается в работу. Напряжение на выходе генератора стабилизируется, а относительное время включения добавочного резистора – τ_в увеличивается от 0 до 1. Ток возбуждения уменьшается от I_{в макс} до I_{в мин} = U / (R_в +R_доб).

Основным недостатком рассмотренного регулятора является искрение, разрушающее контакты реле. Разрывная мощность на контактах

определяется произведением

. (4.2)

Уменьшение разрывной мощности за счет R_доб приведет к уменьшению максимальной частоты вращения ДВС, что не приемлемо. Уменьшение I_в приведет к увеличению габаритов и массы генератора при прочих равных параметрах. Поэтому рассмотренный регулятор напряжения применим для маломощных генераторов.

С увеличением мощности генератора применяют двухступенчатый регулятор или разделяют обмотки возбуждения на две параллельные ветви. В качестве примера рассмотрим двухступенчатый реле – регулятор РР380, который устанавливается совместно с генератором Г221. Схема реле – регулятора приведена на рис. 4.3.

Контактная группа реле содержит нормально замкнутые 1-2 и нормально разомкнутые 3-4 контакты. При неработающем двигателе якорь реле и контактная группа находятся в исходном состоянии (как показано на рис. 4.3). Первая пара контактов 1-2 шунтирует R_доб и дроссель L. Дроссель предназначен для сглаживания бросков тока через контакты второй группы. Обмотка реле подключена к выходу преобразователя напряжения через резистор температурной компенсации R_Т.

В диапазоне малой частоты вращения двигателя, от 0 до n₁, прерыватель не работает, напряжение на выходе генератора и ток возбуждения I_в практически пропорциональны n (рис.4.4).

С увеличением оборотов двигателя до n₁ напряжение на выходе генератора достигает порога регулирования U_р. Сила притяжения якоря (4.1) увеличивается и перебрасывает его в положение 1. Контакты 1-2 размыкаются, контакты 2-3 остаются разомкнутыми. Добавочный резистор R_доб и дроссель L включаются в цепь возбуждения. Первая ступень регулирования начинает работать как в одноступенчатом реле.

Отличительной особенностью схемы двухступенчатых реле является то, что величина добавочного резистора R_доб значительно меньше, чем у одноступенчатых регуляторов. Это позволяет существенно уменьшить разрывную мощность на контактах (4.2) и продлить срок службы контактов. Однако диапазон регулирования при этом уменьшается. Значение R_доб и L рассчитывают так, чтобы при частоте вращения 0,5∙n_макс контакты первой ступени перестали замыкаться. Это означает, что регулирование первой ступенью реле прекратилось. Дальнейшее увеличение n приведет к росту напряжения на выходе генератора, причем, U > U_р (рис. 4.4).

С увеличением напряжения U растет сила притяжения якоря к ярму (4.1). Когда выполнится равенство U = U_р1, нажимной клапан реле переходит в положение 2 (рис. 4.4) и замыкает контакты 3-4, шунтируя обмотку возбуждения. Ток возбуждения и напряжение генератора резко падают, при этом контакты 3-4 размыкаются. Начинает работать вторая ступень регулирования.

Основным недостатком реле – регуляторов является низкий срок их службы. Для устранения этого недостатка разработаны и внедрены регуляторы электронного и смешанного типов.

Схема регулятора смешанного типа приведена на рис. 4.5. Схема включает трехфазный синхронный генератор, трехфазный мостовой выпрямитель, транзистор Т₁, резисторы R_д, R₁ и электромагнитное реле. Управляющим органом являются контакты реле, включенные в цепь базы транзистора, а чувствительным элементом – обмотка реле, включенная на напряжение генератора. Транзистор Т₁ работает в ключевом режиме.

Если напряжение генератора меньше регулируемого, контакты реле разомкнуты, а в цепи базы протекает ток, поддерживающий транзистор в открытом и насыщенном состоянии. Ток транзистора является и током обмотки возбуждения. Напряжение на зажимах 1 – 1′ является выходным напряжением генератора и определяется частотой вращения ротора.

При увеличении частоты вращения ротора напряжение генератора увеличивается. Когда напряжение становится выше регулируемого, контакты реле замыкаются. Участок цепи база – эмиттер шунтируется, и транзистор закрывается. Теперь ток обмотки возбуждения протекает по добавочному резистору R_д и уменьшается. Уменьшение тока возбуждения приводит к уменьшению напряжения генератора и, как следствие, к размыканию контактов реле. Далее процесс повторяется, а напряжение генератора колеблется около регулируемого значения.

Достоинство схемы – контакты реле нагружены малым током, а поэтому не подгорают и не изнашиваются. Недостаток – нестабильность регулируемого напряжения. Недостаток обусловлен изменением характеристики возвратной пружины при ее старении.

Свободны от этого недостатка электронные регуляторы напряжения. Одна из возможных схем такого регулятора приведена на рис. 4.6. В этой схеме электромагнитное реле заменено транзистором Т₂, стабилитроном D₁ и делителем напряжения R₂, R₃. Транзисторы Т₁ и Т₂ работают в ключевом режиме. Напряжение стабилизации равно напряжению регулирования.

При напряжении генератора ниже регулируемого стабилитрон закрыт. Цепь делителя R₂, R₃ разорвана большим сопротивлением закрытого стабилитрона. К базе транзистора Т₂ через резистор R₂ приложен положительный потенциал выпрямителя, которым транзистор надежно закрыт. Такое состояние эквивалентно разомкнутым контактам реле в схеме рис. 4.5. К базе транзистора Т₁ через резистор R₁ приложен отрицательный потенциал выпрямителя. Под действием этого потенциала транзистор Т₁ открыт и насыщен, его сопротивление пренебрежимо мало. В этом состоянии цепь обмотки возбуждения замыкается через транзистор Т₁ и имеет минимальное сопротивление.

С увеличением частоты вращения ротора напряжение генератора увеличивается. Когда напряжение становится выше регулируемого, стабилитрон пробивается. Через делитель R₂, R₃ начинает протекать ток, создавая падение напряжения на резисторах. Отрицательный потенциал падения напряжения на R₂ приложен к базе транзистора Т₂ и открывает его, при этом база транзистора Т₁ подключается к положительному потенциалу источника. Транзистор Т₁ закрывается, в цепь обмотки возбуждения включается добавочный резистор R_д, и напряжение генератора падает.

Падение напряжения на зажимах 1 – 1′ вызывает запирание стабилитрона. При этом транзистор Т₂ закрывается, а транзистор Т₁ открывается и шунтирует R_д. Напряжение генератора начинает увеличиваться. Далее процесс периодически повторяется, а напряжение генератора колеблется около регулируемого значения.