Управление электроснабжением потребителей электроэнергии на автомобилях и тракторах

23

датчик Д, чувствительным элементом которого является резистивный делитель Rl, R2. С него снимается информация о значении напряжения генератора. Простота датчика объясняется тем, что на его входе и выходе информация передается однородными электрическими величинами - напряжениями. В этом случае функции датчика может выполнять простой электрический контакт;

устройство сравнения УСр, включающее в себя стабилитрон VD1 и резистор R3. Стабилитрон выполняет функции задающего устройства. Напряжение стабилизации стабилитрона и значения резисторов R1... R3 определяют величину заданного напряжения Uz;

устройство управления УУ, реализованное на транзисторе VT1 с нагрузкой R4. Оно по сигналу с УСр формирует закон управления исполнительным устройством. На базу транзистора VT1 поступает сигнал Ј/i) 2 = (kUx-Uz), где к - коэффициент деления делителя; исполнительное устройство ИУ, представляющее собой усилительный каскад на транзисторе VT2, работающем в ключевом режиме. Диод VD2 играет вспомогательную роль. Он защищает транзистор от больших обратных напряжений при отключении обмотки возбуждения;

регулирующий орган РО - сопротивление добавочного резистора или сопротивление коммутирующего элемента, обеспечивающее изменение тока в обмотке возбуждения ОВ. В РО формируется управляющая величина - ток возбуждения;

объект регулирования ОР - электрогенератор, переменное напряжение которого преобразуется диодным выпрямителем VD3... VD8 в постоянное.

Работает система автоматического регулирования напряжения следующим образом. Если напряжение генератора UT меньше заданного Uz, определяемого напряжением стабилизации стабилитрона VD1, то стабилитрон закрыт, его сопротивление велико и базовый ток управления транзистора VT1 недостаточен для его открытия. Транзистор VT1 закрыт. На базу транзистора VT2 через резистор R4 подается положительное напряжение и он открывается. Через открытый транзисторный ключ VT2 в обмотку возбуждения поступает ток от источника питания.

Когда напряжение генератора и напряжение стабилизации стабилитрона становятся равны, стабилитрон открывается ("пробивается"), транзистор VT1 переходит в состояние насыщения (напряжение на переходе эмиттер-коллектор мало) и шунтирует переход база-эмиттер транзистора VT2. Транзистор VT2 закрывается, ток через обмотку возбуждения не протекает. Напряжение генератора начинает уменьшаться, и при определенном его значении стабилитрон закрывается. Весь процесс регулирования периодически повторяется. Пульсации выходного напряжения генератора сглаживаются на выходном емкостном фильтре, функции которого выполняет аккумуляторная батарея.

В применяемых в настоящее время САР напряжения АиТ регуляторы напряжения выполняются исключительно на электронных элементах. В генераторных установках электронные элементы, узлы и устройства изготавливаются из полупроводниковых материалов (чаще всего из кремния) с использованием различных технологических процессов. Для элементов базовыми являются гибридная и полупроводниковая (интегральная) технологии.

Узлы и устройства, имеющие определенное схемное решение, могут быть воплощены в различных конструкциях, при изготовлении которых используются соответствующие технологии. Современный уровень развития микроэлектроники позволяет производить узлы и устройства в виде интегральных микросхем и отказаться от традиционных конструкций со сборкой, монтажом и пайкой дискретных элементов на платах.

На рис.1.5. представлена принципиальная схема САР напряжения автомобильного генератора типа EE14V3 фирмы Bosch, работа которой полностью соответствует ранее рассмотренной САР. Практические схемы усложняются за счет введения дополнительных элементов, улучшающих качество работы системы и ее динамические характеристики. Так, с помощью диода VD1 осуществляют температурную компенсацию параметров стабилитрона, конденсатор С является фильтром на входе регулятора, сопротивление R7 выполняет функции жесткой обратной связи, обеспечивающей ускоренное переключение транзисторов, диод VD3 гасит обратное напряжение на транзисторах. Соединение транзисторов VT2 и 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. Использование дополнительного выпрямителя VD4... VD6 до питания обмотки возбуждения устраняет разряд батареи GA при выключенном двигателе.

Все системы автомобилей, как правило, снабжаются устройствами контроля и диагностики. В генераторной установке для контроля работоспособности используются лампа HL и резистор R8. При неработающем двигателе автомобиля замыкание контактов выключателя зажигания SA позволяет току от аккумуляторной батареи GA через лампу HL поступать в обмотку возбуждения генератора. Этим обеспечивается первоначальное возбуждение генератора. Если лампа HL горит, значит в цепи обмотки генератора нет обрыва. После запуска двигателя напряжения на выводах генератора D+ и В+ выравниваются и лампа гаснет. Если генератор при работающем двигателе не вырабатывает напряжение, то лампа HL продолжает гореть и в этом режиме, что является сигналом об отказе генератора или обрыве его привода. Введение резистора R8 в цепь лампы позволяет контролировать целость обмотки возбуждения. В случае обрыва обмотки возбуждения при работающем двигателе лампа загорается.

Рассмотрим процесс регулирования в непрерывной двухпозиционной системе автоматического регулирования.

Характер процесса регулирования при использовании непрерывных квантованных сигналов в регуляторе позиционного действия определяется статической характеристикой релейного элемента и свойствами элементов системы автоматического регулирования, описываемыми линейными дифференциальными уравнениями. В линейной части системы первостепенное значение имеют параметры объекта регулирования, которые определяют характер дифференциального уравнения, описывающего его функционирование. В теории автоматического регулирования дифференциальные уравнения представляются в виде передаточных функций.

В замкнутой САР при статической характеристике релейного элемента с зоной нечувствительности в установившемся режиме возникают устойчивые автоколебания с определенной частотой (периодом) и амплитудой. Зона нечувствительности определяется порогами срабатывания Ucp6p и возврата С4озр релейного элемента. Параметры колебательного процесса в установившемся режиме определяются передаточной функцией объекта регулирования.

Если предположить, что объект регулирования является апериодическим звеном без запаздывания, время нарастания напряжения генератора соответствует импульсу включения тока возбуждения, а время спада напряжения - паузе (ток возбуждения отключается), то процесс регулирования напряжения генератора описывается на участках нарастания и спада напряжения следующими дифференциальными уравнениями:

где UH и Un - напряжения, приложенные к цепи возбуждения соответственно во время импульса и паузы тока возбуждения; RB„ и RBn - сопротивления цепи возбуждения соответственно во время импульса и паузы; LB. „ и LB п - индуктивности цепи возбуждения соответственно во время импульса и паузы.

Предположим, что UK и Un - обобщенные параметры, учитывающие встречные ЭДС, падения напряжения на полупроводниковых элементах и т.д. Такими же обобщенными параметрами являются RBAt, RBn, LBM, LBM. Если ию Ua, RBM, RBn, LBM, LBM являются постоянными и ток в цепи возбуждения непрерывный, то решением линейных дифференциальных уравнений является переходная функция (см. рис.1.2. а), которая может быть представлена аналитическими выражениями

где к - коэффициент, учитывающий изменение структуры регулятора, равный UnRBj(UKRBn); с - коэффициент, учитывающий изменение параметров цепи возбуждения, равный Твп/Тви = = А,. ПЛВИ/(ХВИЛВП); Твм, Тва - электромагнитные постоянные цепи возбуждения, равные соответственно LBJRBK, LBJRBn.

Начальные силы тока /, и /2 можно определить из граничных условий (см. рис.1.2, а): ^(0) = h(x2); 'i(ti) = 'г(О). Для граничных условий:

Решая систему уравнений (1.3), можно найти выражения для токов 1Х = / [(с, ух, к, тв); /2 = /2(с, ут, к, тв) и пульсацию силы тока возбуждения А/в = /j - h, где ут = хх/Т - относительная длительность импульса; тв = Т/Твм - относительная длительность периода переключений реле; Т=тх + т2 - период переключений реле. Среднюю силу тока возбуждения определяют путем интегрирования:

В общем случае средняя сила тока возбуждения при двухпозиционном регулировании зависит от следующих факторов:

относительной длительности импульса ух;

относительной длительности периода переключений тв (следовательно, и от частоты переключений реле);

параметров цепи возбуждения (коэффициента с);

структуры регулирования (коэффициента к).

Изменения перечисленных величин могут быть положены в основу способа регулирования напряжения. В регуляторах напряжения автотракторных генераторов применяют регулирование: широтно-импульсное (изменением ут), частотное (изменением тв), комбинированное (изменением ути хв).

Через параметры реле можно выразить среднее напряжение, поддерживаемое регулятором:

а также пульсацию регулирования напряжения

Полученные соотношения позволяют определить ут и т„, а следовательно, и частоту переключений, \/Т= 1/(твГви) в зависимости от частоты вращения якоря генератора. При необходимости можно определить зависимости ух и тв от нагрузки на генератор. Как видно, Yt и тв зависят от параметров реле (САгср, Д{/г), параметров генератора (a, b, Ce, RBM, LBK), схемы регулирования (к, с). Для определения зависимостей ут и тв от частоты вращения якоря генератора и нагрузки необходимо знать значения перечисленных параметров.