Лекция 4 Регулирование напряжения автотракторных генераторов

В системах электропитания автомобилей и тракторов источники электрической энергии являются генераторы переменного тока и аккумуляторные батареи. Параллель­ная работа генератора с аккумуляторными батареями протекает при изменении частоты вращения якоря (ротора) генератора, нагрузки и температуры в широких пределах. Для нормальной работы приемников электрической энергии необходимо, чтобы напряжение сети было постоянным. Изменение напряжения сети приводит к изменению светового потока ламп и сокращению их срока службы (при повышенном напряжении) к недозаряду или перезаряду аккумуляторных батарей, к ухудшению работы электронных устройств. Генератор развивает ЭДС только при работающем двигателе. Следовательно, при параллельной работе генератора с аккумуляторными батареями необходимо иметь автоматическое устройство, которое должно обеспечивать подключение генератора к сети при U_г > U_а и отключение генератора от сети когда U_г < U_а.

Напряжение генератора переменного тока с полным выпрямлением мощности (вентильного генератора) можно выразить формулой

U_г = С_еnФ – 2U₀ – r_эквI_ген

где С_е - конструктивная постоянная генератора для вентиль­ных генераторов С_е = 4k_вkk₀pw_ф/60;

n - частота вращения якоря генератора;

2U₀ - падение напряжения на выпрямителе вентильного генератора;

r_экв - эквивалентное сопротивление генератора, учиты­вающее падение напряжения внутри генератора и выпрямителя, для вентильных генераторов экви­валентное сопротивление является переменной вели­чиной и зависит от частоты вращения ротора;

I_r - ток генератора (для вентильного генератора - среднее значение выпрямленного тока I_d);

k_вып - коэффициент выпрямления, определяющий отноше­ние между выпрямленным средним значением на­пряжения и действующим фазным напряжением.

Магнитный поток генератора с электромагнитным возбужде­нием можно выразить через ток возбуждения

Ф = Ф₀ + I_в/(a + bI_в),

где Ф₀ – остаточный магнитный поток; I_в – ток возбуждения; a, b - коэффициенты аппроксимации кривой намагничи­вания, которые зависят от конструции генератора и применяемых магнитных материал.

Аппроксимация - приближенное выражение некоторых величин или объектов через другие более простые величины или объекты.

Пренебре­гая влиянием остаточного магнитного потока Ф₀ и падением напряжения на выпрямителе 2U₀ для выбранных точек, можно записать

U_г = С_еnI_в/(a + bI_в) – r_эквI_ген.

Таким образом, чтобы напряжение генератора оставалось постоянным при изменении в широких пределах частоты вращения и нагрузки, необходимо из­менять силу тока возбуждения. Закон изменения силы тока возбуждения можно определить из уравнения,

I_в = [(U_г + r_эквI_ген)a]/[( С_еn - (U_г + r_эквI_ген)b].

Следовательно, с повышением частоты вращения генератора ток возбуждения должен уменьшаться, а при увеличении нагрузки - возрастать. Диапазон изменения частоты вращения генератора, в котором напряжение генератора должно поддерживаться по­стоянным, определяется отношением

n_max/n_x = k_n

это отноше­ние называется кратностью регулирования напряжения по частоте вращения якоря генератора.

Кратность регулирования по частоте вращения автомобиль­ных генераторов составляет 6 - 8, а для тракторных генераторов 3 - 4. Кратность регулирования по току возбуждения

K_i = I_{в max}/ I_{в min}

можно определить из уравнения I_в = [(U_г + r_эквI_ген)a]/[( С_еn - (U_г + r_эквI_ген)b], учитывая, что при n_{х min} ток возбуждения имеет максимальное значение I_вmax, а при n_{х max} минимальное значение I_{в min}. Учитывая изложенное выше, получим

K_i = [(С_еn_max - (U_г + r_эквI_ген)b]/[(С_еn_xmin - (U_г + r_эквI_ген)b]

т. е. кратность регулирования по току возбуждения больше, чем кратность регулирования по частоте вращения. Это происходит потому, что кривая намагничивания имеет нелинейный характер. Наибольшая кратность имеет место в режиме холостого хода.

Обычно генераторы переменного тока имеют глубокое насыщение магнитной цепи. Кратность регулирования по току возбуждения у таких генераторов составляет 15 - 20. Решив уравнение U_г = С_еnI_в/(a + bI_в) – r_эквI_ген относительно частоты вращения, получим

n = [(U_г + r_эквI_ген)/ С_еI_в](a + bI_в).

Из этого уравнения следует, что с увеличением нагрузки (учитывая, что I_{в max} , U_г = const) частота вращения, при которой генератор развивает номинальное напряжение, также увеличи­вается.

По уравнениям, отображающим законы изменения напряже­ния и тока возбуждения при изменении частоты вращения якоря в нагрузки, можно построить рабочие характеристики генератора (рис. 88).

Рис. 88. Рабочие характеристики гене­раторов с электромагнитным возбужде­нием

В зависимости от способа изменения силы тока возбуждения регуляторы напряжения подразделяются на два класса.

1. Регуляторы непрерывного действия, в которых сигналы на входе и выходе всех элементов представляют собой непрерыв­ные функции времени. В таких регуляторах сила тока возбуждения и сопротивления изменяются во времени и зависят от частоты вращения якоря и нагрузки генератора. Ток возбуж­дения в такой системе равен

I_в = U_г/(R_в + R_д),

где R_в – сопротивление обмотки возбуждения; R_д = f (n, I_r) - добавочное сопротивление в цепи возбуж­дения.

Закон изменения добавочного сопротивления можно выразить формулой

(R_д + R_в) = U_г/I_в = U_г/[(U_г + r_эквI_ген)a]/[С_еn - (U_г + r_эквI_ген)b] =

= U_г[С_еn/(U_г + r_эквI_ген)a – b/а].

Следовательно, для поддержания постоянства напряжения генератора добавочное сопротивление R_д необходимо увеличи­вать при повышении частоты и уменьшать при возрастании на­грузки на генератор.

К регуляторам непрерывного действия относятся угольные регуляторы напряжения, в которых функции добавочного сопро­тивления выполняет угольный столб. Сопротивление угольного столба при изменении силы сжатия изменяется в широких преде­лах. Регуляторы этого класса не находят применения на автомо­билях и тракторах.

2. Регуляторы дискретного действия осуществляют широтно-импульсную модуляцию. Основу таких регуляторов составляют различного рода реле. Процесс регулирования напряжения протекает следующим обра­зом (рис. 89).

Рис. 89. Временные характеристики при дискретном регулировании нап­ряжения генератора

Когда напряжение генератора U_г < U_ср, то в цепи возбуждения протекает ток возбуждения. Как только напряжение генератора до­стигнет напряжения срабатывания U_ср, ток в цепи возбуждения начинает уменьшаться. Одновре­менно падает и напряжение генератора. При напряжении гене­ратора равным напряжению возврата U_в, реле сработает, и ток возбуждения увеличивается, возрастает и напряжение генератора, а при U_ср вновь срабаты­вает реле. Далее процесс периодически повторяется. При этом средние значения напряжения генератора U _{г ср} и тока возбужде­ния I_{в ср} остаются неизменными при данной частоте вращения якоря и нагрузке генератора. С изменением частоты вращения или нагрузки среднее значение тока возбуждения изменяется, а среднее значение напряжения остается неизменным. Для регуляторов напряжения автотракторных генераторов применяются регуляторы дискретного действия.