Блок регулятора напряжения генератора

В каждом современном транспортном средстве присутствует развитая электрическая сеть, стабилизация напряжения в которой осуществляется специальным блоком — реле-регулятором. Все о реле-регуляторах, их существующих типах, конструкции и работе, а также о выборе и замене этих деталей — читайте в статье.

Что такое реле-регулятор напряжения?

Реле-регулятор напряжения (регулятор напряжения) — компонент электрической системы транспортного средства; механическое, электромеханическое или электронное устройство, обеспечивающее поддержку действующего в бортовой электросети напряжения в определенных границах.

Электрическая система транспортных средств построена так, что при остановленном силовом агрегате источником питания выступает аккумуляторная батарея (АКБ), а при запущенном — генератор, преобразующий часть мощности мотора в электроэнергию. Однако генератор имеет существенный недостаток — напряжение вырабатываемого им тока зависит от частоты вращения коленчатого вала, а также от потребляемого нагрузкой тока и окружающей температуры. Для устранения этого недостатка применяется вспомогательное устройство — реле-регулятор или просто регулятор напряжения.

Регулятор напряжения решает несколько задач:

• Стабилизация напряжения — поддержка напряжения бортовой сети в заданных пределах (в пределах 12-14 или 24-28 вольт с допустимыми отклонениями);
• Защита АКБ от разряда через цепи генератора при остановленном двигателе;
• Отдельные типы регуляторов — автоматическое отключение стартера при успешном пуске двигателя;
• Отдельные типы регуляторов — автоматическое подключение и отключение генератора от АКБ для ее заряда;
• Отдельные типы регуляторов — изменение напряжения бортовой сети в зависимости от текущих климатических условий (перевод электросистемы на летнюю и зимнюю эксплуатацию).

Реле-регуляторами оснащаются все транспортные средства, тракторы и различные машины. Неисправность данного блока нарушает работу всей электросистемы, в отдельных случаях это может привести к поломке электрооборудования и пожарам. Поэтому неисправный регулятор необходимо как можно скорее заменить, а для верного выбора новой детали следует разобраться в существующих типах, конструкции и принципе действия регуляторов.

Типы, конструкция и принцип работы реле-регулятора

Сегодня существует несколько типов реле-регуляторов, однако в основе их работы лежат одинаковые принципы. Любой регулятор содержит три взаимосвязанных элемента:

• Измерительный (чувствительный) элемент;
• Элемент сравнения (управления);
• Регулирующий элемент.

Регулятор подключается к обмотке возбуждения генератора (ОВГ) осуществляя измерение и изменение силы тока в ней — этим и обеспечивается стабилизация напряжения. В общем случае эта система работает следующим образом. Измерительный элемент, построенный на основе делителя напряжения, постоянно отслеживает силу тока в ОВГ и преобразует ее в сигнал, поступающий на элемент сравнения (управления). Здесь сигнал сравнивается с эталоном — тем значением напряжения, которое в норме должно действовать в электросистеме автомобиля. Элемент сравнения может строиться на основе вибрационных реле и стабилитронах. Если поступающий от измерительного элемента сигнал соответствует эталонному (с допустимым отклонением), то регулятор бездействует. Если же поступающий сигнал отличается от эталонного в ту или иную сторону, то элементом сравнения формируется управляющий сигнал, поступающий на регулирующий элемент, построенный на реле, транзисторах или иных элементах. Регулирующий элемент изменяет ток в ОВГ, чем и достигается возврат напряжения на выходе генератора в необходимые границы.

Как уже указывалось, блоки регулятора строятся на различной элементной базе, по этому признаку устройства делятся на несколько типов:

• Вибрационные;
• Контактно-транзисторные;
• Электронные транзисторные (бесконтактные);
• Интегральные (транзисторные, выполненные по интегральной технологии).

Исторически первыми появились вибрационные устройства, которые, собственно, и называются реле-регуляторами. В таком устройстве все три блока могут объединяться в одной конструкции — электромагнитном реле с нормально замкнутыми контактами, хотя измерительный элемент может выполняться в виде делителя на резисторах. В качестве эталонной величины в реле выступает сила натяжения возвратной пружины. В общем случае реле-регулятор работает просто. При малом токе на ОВГ или низком напряжении на выходе генератора (в зависимости от способа подключения регулятора) реле не работает и через его замкнутые контакты свободно проходит ток — это приводит к росту напряжения. При повышении напряжения реле срабатывает, напряжение в цепи падает и реле отпускается, напряжение вновь возрастает и реле опять срабатывает — так реле переходит в колебательный режим. При изменении напряжения на генераторе в ту или иную сторону изменяется частота колебаний реле, что и обеспечивает стабилизацию напряжения.

В настоящее время вибрационные реле, имеющие малую эффективность и недостаточную надежность, уже не используются на транспортных средствах. В свое время их вытеснили контактно-транзисторные регуляторы, в которых в качестве сравнивающего/управляющего элемента используется вибрационное реле, а в качестве регулирующего — транзистор, работающий в режиме ключа. Здесь транзистор играет роль контактов реле, поэтому в целом работа такого регулятора аналогично описанной выше. Сегодня регуляторы такого типа практически вытеснены бесконтактными транзисторными различных конструкций.

В бесконтактных транзисторных регуляторах реле заменено на более простой полупроводниковый прибор — стабилитрон. В качестве эталонного значения используется напряжение стабилизации стабилитрона, а регулирующий элемент построен на основе транзисторов. При низком напряжении стабилитрон и транзисторы находятся в таком состоянии, что на ОВГ подается максимальный ток, что приводит к росту напряжения. При достижении необходимого уровня напряжения стабилитрон и транзисторы переходят в другое состояние и начинают работать в колебательном режиме, что, как и в случае обычного реле, обеспечивает стабилизацию напряжения.

Современные электронные регуляторы строятся на транзисторах и могут иметь широтно-импульсный модулятор (ШИМ), посредством которого задается частота переключения схемы и возможность внедрения устройства в общую автомобильную систему управления.

Бесконтактные транзисторные регуляторы могут выполняться на дискретных элементах и по интегральной технологии. В первом случае используются обычные электронные компоненты (стабилитроны, транзисторы, резисторы и т.д.), во втором случае весь блок собран на одной микросхеме или компактном блоке из залитых компаундом компактных радиодеталей.

Рассмотренную конструкцию имеют простейшие реле-регуляторы, в реальности же используются более сложные устройства с различными вспомогательными блоками — управления стартером, предотвращения разряда АКБ через обмотку возбуждения, коррекции режима работы в зависимости от температуры, защиты схемы, самодиагностики и другими. На многих реле-регуляторах тракторов и грузовых автомобилей также реализована возможность ручной регулировки напряжения стабилизации. Данная регулировка выполняется с помощью переменного резистора (в вибрационных устройствах — с помощью пружины) посредством вынесенной за пределы корпуса рычажка или рукоятки.

Регуляторы выполняются в виде небольших блоков, монтируемых непосредственно на генератор или в удобном месте транспортного средства. Подключение устройства может осуществляться к ОВГ и/или выходу генератора, либо к участку бортовой электросети, где требуется стабилизированное напряжение. При этом один вывод ОВГ обязательно подключается к «+» или к «-» бортовой электросети.

Вопросы выбора, диагностики и замены реле-регуляторов напряжения

В реле-регуляторах могут возникать различные неисправности, которые в большинстве случаев проявляются отсутствием тока заряда АКБ и, напротив, чрезмерным током заряда АКБ. Простейшая проверка регулятора может быть проведена с помощью вольтметра — достаточно запустить двигатель и в течение 10-15 минут дать ему поработать с частотой 2500-3000 об/мин и со включенными фарами. Затем, не снижая оборотов и не выключая фар, измерить напряжение на клеммах АКБ — оно должно составлять 14,1-14,3 вольта (для 24-вольтовых в два раза выше). Если напряжение значительно ниже или выше, то это повод проверить генератор, и, если он в порядке — заменить регулятор.

На замену следует брать реле-регулятор того же типа и модели, что был установлен ранее. Особенно нужно обращать внимание на порядок подключения регулятора к бортовой сети (к каким клеммам генератора и других элементов), а также на напряжение питания и токи. Замену детали необходимо выполнять по инструкции, работ можно выполнять только при остановленном двигателе и снятой с АКБ клеммы. Если соблюдены все рекомендации, а регулятор подобран верно, то он сразу начнет работать, обеспечивая нормальное функционирование электросистемы.

Рейтинг 2.5/5 (112 голосов)

Регулятор напряжения поддерживает напряжение бортовой сети в заданных пределах во всех режимах работы при изменении частоты вращения ротора генератора, электрической нагрузки, температуры окружающей среды. Кроме того, он может выполнять дополнительные функции – защищать элементы генераторной установки от аварийных режимов и перегрузки, автоматически включать в бортовую сеть цепь обмотки возбуждения или систему сигнализации аварийной работы генераторной установки.

Все регуляторы напряжения работают по единому принципу. Напряжение генератора определяется тремя факторами – частотой вращения ротора, силой тока, отдаваемой генератором в нагрузку, и величиной магнитного потока, создаваемой током обмотки возбуждения. Чем выше частота вращения ротора и меньше нагрузка на генератор, тем выше напряжение генератора. Увеличение силы тока в обмотке возбуждения увеличивает магнитный поток и с ним напряжение генератора, снижение тока возбуждения уменьшает напряжение.

Все регуляторы напряжения, отечественные и зарубежные, стабилизируют напряжение изменением тока возбуждения. Если напряжение возрастает или уменьшается, регулятор соответственно уменьшает или увеличивает ток возбуждения и вводит напряжение в нужные пределы.

Блок-схема регулятора напряжения представлена на рис. 1.

Регулятор 1 содержит измерительный элемент 5, элемент сравнения 3 и регулирующий

элемент 4. Измерительный элемент воспринимает напряжение генератора 2 U_d и преобразует его в сигнал U_изм., который в элементе сравнения сравнивается с эталонным значением U_эт.

Если величина U_изм. отличается от эталонной величины U_эт, на выходе измерительного элемента появляется сигнал U_o, который активизирует регулирующий элемент, изменяющий ток в обмотке возбуждения так, чтобы напряжение генератора вернулось в заданные пределы.

Таким образом, к регулятору напряжения обязательно должно быть подведено напряжение генератора или напряжение из другого места бортовой сети, где необходима его стабилизация, например, от аккумуляторной батареи, а также подсоединена обмотка возбуждения генератора. Если функции регулятора расширены, то и число подсоединений его в схему растет.

Чувствительным элементом электронных регуляторов напряжения является входной делитель напряжения. С входного делителя напряжение поступает на элемент сравнения, где роль эталонной величины играет обычно напряжение стабилизации стабилитрона. Стабилитрон не пропускает через себя ток при напряжении ниже напряжения стабилизации и пробивается, т.е. начинает пропускать через себя ток, если напряжение на нем превысит напряжение стабилизации. Напряжение же на стабилитроне остается при этом практически неизменным.

Ток через стабилитрон включает электронное реле, которое коммутирует цепь возбуждения таким образом, что ток в обмотке возбуждения изменяется в нужную сторону. В вибрационных и контактно-транзисторных регуляторах чувствительный элемент представлен в виде обмотки электромагнитного реле, напряжение к которой, впрочем, тоже может подводиться через входной делитель, а эталонная величина – это сила натяжения пружины, противодействующей силе притяжения электромагнита.

Коммутацию в цепи обмотки возбуждения осуществляют контакты реле или, в контактно-транзисторном регуляторе, полупроводниковая схема, управляемая этими контактами.

Особенностью автомобильных регуляторов напряжения является то, что они осуществляют дискретное регулирование напряжения путем включения и выключения в цепь питания обмотки возбуждения (в транзисторных регуляторах) или последовательно с обмоткой дополнительного резистора (в вибрационных и контактно- транзисторных регуляторах), при этом меняется относительная продолжительность включения обмотки или дополнительного резистора.

Поскольку вибрационные и контактно-транзисторные регуляторы представляют лишь исторический интерес, а в отечественных и зарубежных генераторных установках в настоящее время применяются электронные транзисторные регуляторы, удобно рассмотреть принцип работы регулятора напряжения на примере простейшей схемы, близкой к отечественному регулятору напряжения Я112А1 и регулятору EE14V3 фирмы BOSCH (рис. 2).

Регулятор 2 на схеме работает в комплекте с генератором 1, имеющим дополнительный

выпрямитель обмотки возбуждения. Чтобы понять работу схемы, следует вспомнить, что, как было показано выше, стабилитрон не пропускает через себя ток при напряжениях ниже величины напряжения стабилизации. При достижении напряжением этой величины стабилитрон пробивается, и по нему начинает протекать ток.

Транзисторы же пропускают ток между коллектором и эмиттером, Т.е. открыты, если в цепи база-эмиттер ток протекает, и не пропускают этого тока, т.е. закрыты, если базовый ток прерывается.

Напряжение к стабилитрону VD1 подводится от выхода генератора Д через делитель напряжения на резисторах R1, R2. Пока напряжение генератора невелико, и на стабилитроне оно ниже напряжения стабилизации, стабилитрон закрыт, ток через него, а, следовательно, и в базовой цепи транзистора VT1 не протекает, транзистор VT1 закрыт. В этом случае ток через резистор R6 от вывода Д поступает в базовую цепь транзистора VT2, он открывается, через его переход эмиттер-коллектор начинает протекать ток в базе транзистора VT3, который открывается тоже. При этом обмотка возбуждения генератора оказывается через переход эмиттер-коллектор VT3 подключена к цепи питания.

Соединение транзисторов VT2, VT3, при котором их коллекторные выводы объединены, а питание базовой цепи одного транзистора производится от эмиттера другого, называется схемой Дарлингтона. При таком соединении оба транзистора могут рассматриваться как один составной транзистор с большим коэффициентом усиления. Обычно такой транзистор и выполняется на одном кристалле кремния.

Если напряжение генератора возросло, например, из-за увеличения частоты вращения его ротора, то возрастает и напряжение на стабилитроне VD1. При достижении этим напряжением величины напряжения стабилизации стабилитрон VD1 пробивается, ток через него начинает поступать в базовую цепь транзистора VT1, который открывается и своим переходом эмиттер-коллектор закорачивает вывод базы составного транзистора VT2, VТЗ на «массу». Составной транзистор закрывается, разрывая цепь питания обмотки возбуждения. Ток возбуждения спадает, уменьшается напряжение генератора, закрываются стабилитрон VD2, транзистор VT1, открывается составной транзистор VT2, VТЗ, обмотка возбуждения вновь включается в цепь питания, напряжение генератора возрастает и т.д., процесс повторяется.

Таким образом регулировка напряжения генератора регулятором осуществляется дискретно через изменение относительного времени включения обмотки возбуждения цепи питания. При этом ток в обмотке возбуждения изменяется так, как показано на рис. 3.

Если частота вращения генератора возросла или нагрузка его уменьшилась, время включения обмотки уменьшается, если частота вращения уменьшилась или нагрузка возросла – увеличивается.

В схеме регулятора по рис. 2имеются элементы, характерные для схем всех применяющихся на автомобилях регуляторов напряжения. Диод VD2 при закрытии составного транзистора VT2, VT3 предотвращает опасные всплески напряжения, возникающие из-за обрыва цепи обмотки возбуждения со значительной индуктивностью. В этом случае ток обмотки возбуждения может замыкаться через этот диод, и опасных всплесков напряжения не происходит. Поэтому диод VD2 называется гасящим.

Сопротивление R3 является сопротивлением жесткой обратной связи. При открытии составного транзистора VT2, VT3 оно оказывается подключенным параллельно сопротивлению R2 делителя напряжения. При этом напряжение на стабилитроне VD2 резко уменьшается, что ускоряет переключение схемы регулятора и повышает частоту этого переключения. Это благотворно сказывается на качестве напряжения генераторной установки.

Конденсатор С1 является своеобразным фильтром, защищающим регулятор от влияния импульсов напряжения на его входе. Вообще конденсаторы в схеме регулятора либо предотвращают переход этой схемы в колебательный режим и возможность влияния посторонних высокочастотных помех на работу регулятора, либо ускоряют переключения транзисторов. В последнем случае конденсатор, заряжаясь в один момент времени, разряжается на базовую цепь транзистора в другой момент, ускоряя броском разрядного тока переключение транзистора и, следовательно, снижая потери мощности в нем и его нагрев.

Из рис. 2 хорошо видна роль лампы контроля работоспособного состояния генераторной установки НL. При неработающем двигателе внутреннего сгорания замыкание контактов выключателя зажигания SA позволяет току от аккумуляторной батареи GA через эту лампу поступать в обмотку возбуждения генератора. Этим обеспечивается первоначальное возбуждение генератора. Лампа при этом горит, сигнализируя, что в цепи обмотки возбуждения нет обрыва.

После запуска двигателя, на выводах генератора Д и «+» появляется практически одинаковое напряжение и лампа гаснет. Если генераторная установка при работающем двигателе автомобиля не развивает напряжения, то лампа HL продолжает гореть и в этом режиме, что является сигналом об отказе генераторной установки или обрыве приводного ремня.

Введение резистора R в генераторную установку способствует расширению диагностических способностей лампы HL. При наличии этого резистора, если при работающем двигателе автомобиля произойдет обрыв цепи обмотки возбуждения, то лампа HL загорится.

Аккумуляторная батарея для своей надежной работы требует, чтобы с понижением температуры электролита напряжение, подводимое к батарее от генераторной установки, несколько повышалось, а с повышением температуры – понижалось.

Для автоматизации процессов изменения уровня поддерживаемого напряжения применяется датчик, помещенный в электролит аккумуляторной батареи и включаемый в схему регулятора напряжения. В простейшем случае термокомпенсация в регуляторе подобрана таким образом, что в зависимости от температуры поступающего в генератор охлаждающего воздуха напряжение генераторной установки изменяется в заданных пределах.

В рассмотренной схеме регулятора напряжения, как и во всех регуляторах аналогичного типа, частота переключений в цепи обмотки возбуждения изменяется по мере изменения режима работы генератора. Нижний предел этой частоты составляет 25-50 Гц. Однако имеется и другая разновидность схем электронных регуляторов, в которых частота переключения строго задана. Регуляторы такого типа оборудованы широтно-импульсным модулятором (ШИМ), который и обеспечивает заданную частоту переключения.

Применение ШИМ снижает влияние на работу регулятора внешних воздействий, например, уровня пульсаций выпрямленного напряжения и т.п.

В настоящее время все больше зарубежных фирм переходит на выпуск генераторных установок без дополнительного выпрямителя. Для автоматического предотвращения разряда аккумуляторной батареи при неработающем двигателе автомобиля в регулятор такого типа заводится фаза генератора.

Регуляторы, как правило, оборудованы ШИМ, который, например, при неработающем двигателе переводит выходной транзистор в колебательный режим, при котором ток в обмотке возбуждения невелик и составляет доли ампера.

После запуска двигателя сигнал с вывода фазы генератора переводит схему регулятора в нормальный режим работы. Схема регулятора осуществляет в этом случае и управление лампой контроля работоспособного состояния генераторной установки.

телефон по России
8 (800) 505-10-92

Головной офис
+7(4852) 59-91-31
+7(4852) 91-05-32

ООО «Энергетика»
Москва
+7(495) 902-65-32 8 (800) 505-10-92 –>

ООО «Энергетика» > Новости > Автоматические регуляторы напряжения AVR

Внимание! Акция!

Автоматические регуляторы напряжения AVR

Автоматические регуляторы напряжения AVR
В настоящее время во многих дизель-генераторных установках большой мощности используются синхронные генераторы бесщеточного типа. Технической и конструктивной особенностью таких генераторов является отсутствие коллекторно-щеточного узла, а обмотка возбуждения располагается во вращающемся роторе. Для обеспечения работы генератора нужно, чтобы индуцированный и протекающий по обмотке возбуждения ток имел необходимую амплитуду и полярность.

Чтобы выпрямить наведенное напряжение, обмотка возбуждения выполняется из двух частей, которые соединены через диод, а амплитуда индуцированного ЭДС зависит от взаимодействия магнитных полей основной и дополнительной обмоток статора. Регулируя наведенную ЭДС в обмотке возбуждения, можно гибко управлять работой генератора. Этот принцип лег в основу создания специальных управляющих электронных устройств, которые стали неотъемлемой частью современных синхронных генераторов (СГ).

Чтобы запитать обмотку возбуждения и стабилизировать вырабатываемое генератором напряжение, используются различные способы и устройства, но наибольшее распространение получили микропроцессорные автоматические регуляторы напряжения AVR. Устройство AVR – своеобразное «сердце» системы возбуждения синхронного генератора. Адаптивно регулируя ток, наведенный в обмотку возбуждения, регулятор напряжения осуществляет стабилизацию параметров на выходе СГ.

Таким же способом удается обеспечить защиту от перегрузок, которые очень опасны для всех типов генераторов, а также защиту от критичного снижения частоты. Электронный корректор напряжения запитан от одной из трехфазных обмоток статора, являющего выходом синхронного генератора, параметры которого устройство контролирует. При помощи автоматического регулятора AVR удается управлять работой генераторной станции в переходном и аварийном режиме.

Кроме того, электронный регулятор напряжения AVR способен поддерживать совместную работу нескольких СГ сходной мощности, подключенных параллельно. От настройки и точности регулировки этого устройства зависят параметры работы всей дизель-генераторной станции.

Принцип работы регуляторов AVR

Стабилизация выходного напряжения до заданного номинального значения производится посредством соответствующего увеличения или уменьшения тока в обмотке возбуждения. Таким же образом удается минимизировать колебания напряжения генератора в процессе работы, а также обеспечить быстрое достижение заданных параметров после запуска станции, необходимых для подключения и энергоснабжения потребителей.

Чтобы вовремя распознать опасность и предупредить аварию генератора, устройство контролирует изменения частоты выходного напряжения, и в случае ее критичного снижения может оперативно уменьшить, либо вообще отключить подачу напряжения на обмотку возбуждения. Эти же действия производятся при плановой или аварийной остановке двигателя. Порог частоты, при котором происходит отключение обмотки возбуждения, обычно установлен в заводских настойках на уровне 45 Гц.

Техническая реализация

Внешний вид и схемное решение устройств AVR, выпущенных различными компаниями для совместной работы с определенными моделями генераторов, могут значительно отличаться, но основные принципы их построения одинаковы. На начальном этапе создания подобных приборов типичный регулятор напряжения AVR выполнялся в виде отдельного устройства, помещенного в специальный металлический «шкаф». Сегодня в основном используются автоматические регуляторы напряжения AVR, представляющие собой небольшую плату, которая монтируется в блок возбуждения синхронного генератора.