Лаб.4. Лабораторная работа 4 регуляторы напряжения

• Название: Лабораторная работа 4 регуляторы напряжения
• Дата: 12.03.2023
• Размер: 228.16 Kb.
• Имя файла: Лаб.4.docx
• Тип: Документы; #982171

Лабораторная работа № 4 РЕГУЛЯТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы: изучение назначения, классификации и работы регуляторов напряжения.

Приборы и оборудование: плакаты по устройству и работе регу- ляторов напряжения, натурные регуляторы напряжения.

Общие сведения

Регулятор напряжения поддерживает напряжение бортовой сети в заданных пределах во всех режимах работы при изменении часто- ты вращения ротора генератора, электрической нагрузки, темпера- туры окружающей среды. Кроме того, он может выполнять допол- нительные функции – защищать элементы генераторной установки от аварийных режимов и перегрузки, автоматически включать в бортовую сеть цепь обмотки возбуждения или систему сигнализа- ции аварийной работы генератора.

Отклонение от расчетной величины напряжения не должно пре- вышать 3 %. Установлено, что при повышении напряжения генера- тора на 10–12 % выше расчетного срок службы аккумуляторной батареи и автомобильных ламп сокращается в 2–2,5 раза.

Все регуляторы напряжения работают по единому принципу (рис. 4.1). Напряжение генератора определяется тремя факторами: частотой вращения ротора, силой тока, отдаваемой генератором в нагрузку, и величиной магнитного потока, создаваемой током об- мотки возбуждения. Чем выше частота вращения ротора и меньше нагрузка на генератор, тем выше напряжение генератора. Увеличе- ние силы тока в обмотке возбуждения увеличивает магнитный по- ток и с ним напряжение генератора, снижение тока возбуждения, уменьшает напряжение. Все регуляторы напряжения, отечествен- ные и зарубежные, стабилизируют напряжение изменением тока возбуждения. Если напряжение возрастает или уменьшается, регу- лятор соответственно уменьшает или увеличивает ток возбуждения и вводит напряжение в нужные пределы.

Регулятор 1 содержит измерительный элемент 5, элемент срав- нения 3и регулирующий элемент 4. Измерительный элемент вос-

принимает напряжение генератора 2 U_dи преобразует его в сигнал U_изм, который в элементе сравнения сравнивается с эталонным зна- чением U_эт.




Рис. 4.1. Блок-схема регулятора напряжения:

1– регулятор; 2– генератор; 3– элемент сравнения;

4– регулирующий элемент; 5– измерительный элемент
Если величина U_изм отличается от эталонной величины U_эт, на выходе измерительного элемента появляется сигнал U₀, который активирует регулирующий элемент, изменяющий ток в обмотке возбуждения так, чтобы напряжение генератора вернулось в задан- ные пределы.

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

Обычно применяют регуляторы напряжения дискретного дей- ствия. Как только напряжение генератора превышает заданное зна- чение, регулятор напряжения «разрывает» цепь электроснабжения обмотки возбуждения и создает в ней дополнительное сопротивле- ние. В результате сила тока возбуждения и напряжение генератора

начинают уменьшаться. При заданном нижнем уровне напряжения регулятор вновь замыкает цепь питания обмотки возбуждения, и напряжение генератора повышается. Далее процессы переключения периодически повторяются.

Частота регулируемого напряжения должна быть выше 25– 30 Гц, чтобы пульсации напряжения не вызывали заметных для глаз колебаний стрелок контрольно-измерительных приборов, приборов освещения и световой сигнализации. При заметном пульсировании силы тока возбуждения и напряжения генератора их средние значе- ния I_в и U_н для заданных частоты вращения ротора и силы тока нагрузки остаются неизменными.

С увеличением частоты вращения ротора генератора (n₂ > n₁) от- носительное время включения цепи обмотки возбуждения t₁ в тече- ние периода t_п уменьшается, а время t₂ отключения обмотки возбуж- дения от источника электроэнергии увеличивается, поэтому среднее значение силы тока I_в возбуждения, при котором стабилизируется напряжение, будет меньше (I_в2 < I_в1). С увеличением силы тока нагрузки генератора относительное время разомкнутого состояния цепи электроснабжения обмотки возбуждения уменьшается. Вклю- чение и отключение обмоток возбуждения в электронных регулято- рах обычно осуществляется с помощью выходного транзистора, со- единенного последовательно с обмоткой возбуждения.

На механических транспортных средствах обычно применяются регуляторы напряжения следующих типов:

• 
  вибрационные регуляторы напряжения;
  
• 
  контактно-транзисторные регуляторы напряжения;
  
• 
  бесконтактные транзисторные регуляторы напряжения;
  
• 
  интегральные регуляторы напряжения;
  
• 
  тиристорные регуляторы напряжения.
  

Рассмотрим схему (рис. 4.2) и работу вибрационного регулятора напряжения РР380. В вибрационном регуляторе 1 напряжения эта- лонной величиной является сила натяжения пружины 5, отжимаю- щей якорь 4 реле от его сердечника 6. Измерительный элемент ре- гулятора – обмотка на сердечнике магнитопровода. Она восприни- мает напряжение генератора. У регулятора РР380 имеются две пары контактов (размыкающие 2 и замыкающие 3), с помощью которых осуществляется двухступенчатое регулирование.

1


2
3

Рис. 4.2. Схема вибрационного регулятора напряжения РР380:

1. 
   – регулятор напряжения; 2– размыкающие контакты; 3– замыкающие контакты;
   

4– якорь; 5– пружина; 6– сердечник электромагнита
При напряжении генератора ниже регулируемой величины пру- жина 5 удерживает якорь 4 регулятора в исходном положении. Кон- такты 2 при этом замкнуты и шунтируют добавочный резистор R_д. Сила тока в обмотке возбуждения растет, напряжение генератора – повышается. Контакты 2размыкаются, когда сила притяжения якоря 4 к сердечнику 6 превысит препятствующую этому силу натяжения пружины 5. При размыкании контактов 2 в цепь обмотки возбужде- ния включается добавочный резистор R_д, сила тока возбуждения и напряжение генератора уменьшаются. Далее процесс повторяется.

Сопротивление резистора R_д для двухступенчатых регуляторов выбирают небольшим (в регуляторе РР380 R_д = 5,5 Ом), что способ-

ствует облегчению условий работы и продлению срока службы кон- тактов. Но при этом предел регулирования напряжения по частоте вращения генератора на первой ступени становится недостаточным. Начиная с определенной частоты вращения ротора, напряжение на выводах генератора возрастает настолько, что под действием силы притяжения якоря 4к сердечнику 6замыкаются контакты 3. Обмотка возбуждения замыкается на массу. Сила тока возбуждения и напря- жение генератора уменьшаются, пружина 5размыкает контакты 3, и обмотка возбуждения вновь оказывается включенной в цепь питания, что приводит к повышению напряжения генератора.

Резистор R_тк, включенный последовательно в цепь обмотки элек- тромагнитного регулятора, осуществляет его температурную ком- пенсацию, т. е. снижает зависимость регулируемого напряжения от температуры. Резистор R_тк изготовлен из провода, сопротивление которого мало изменяется с изменением температуры. Работу кон- тактов облегчает катушка индуктивности L.

Для контактов вибрационного регулятора характерно искрение, которое оказывает на них разрушающее воздействие. Настройку регулятора на нужное напряжение осуществляют изменением силы натяжения пружины 5 при ее растяжении или сжатии, для чего от- гибают или загибают выступ, поддерживающий пружину.

Рассмотрим схему (рис. 4.3) и работу контактно-транзисторного реле-регулятора РР-363. Этот регулятор автоматически поддержи- вает напряжение генератора в пределах 26,5–28 В и осуществляет автоматическую защиту основного регулирующего аппарата – тран- зистора – при коротком замыкании зажима Ш на корпус.

Реле-регулятор имеет два блока – релейный и транзисторный. Релейный блок состоит из двух электромагнитных реле – реле- регулятора напряжения РН и реле защиты РЗ. Транзисторный блок состоит из транзистора Т, диода обратной связи Д2 и гасящего дио- да Д1. Катушка регулятора напряжения РН включена параллельно генератору через добавочные резисторы R2 и R3 (между зажимами В3 и «–»). Размыкающий контакт регулятора напряжения РН вклю- чен в цепь реле защиты, а замыкающий контакт – в цепь базы тран- зистора Т. Катушка реле защиты РЗ включена в цепь коллектора транзистора между размыкающими контактами РН и зажимом реле- регулятора Ш. Реле защиты имеет один замыкающий контакт РЗ в цепи базы транзистора.


Рис. 4.3. Схема включения генератора Г-263А и реле-регулятора РР-363
При напряжении меньше 28 В к базе транзистора Т приложен от- рицательный потенциал по отношению к эмиттеру (отрицательный зажим М, резистор R1, база транзистора), транзистор Т открыт, и че- рез него идет ток в обмотку возбуждения генератора по цепи: зажим В3, резистор подпитки R_п, зажим 0, диод Д2, переход Э-К транзисто- ра, зажим Ш, обмотка возбуждения генератора ОВГ, зажим М.

При достижении напряжения в 28 В магнитный поток катушки РН увеличивается и, преодолев натяжение пружины, притягивает якорь. Контакты РН в цепи транзистора замыкаются, а в цепи ка- тушки реле защиты – размыкаются. На базе транзистора появляется положительный потенциал по отношению к эмиттеру. Транзистор Т закрывается и отключает обмотку возбуждения генератора ОВГ. При этом возбуждение генератора уменьшается и под действием

пружины якорь отходит от сердечника, вновь замыкая контакты РН в цепи катушки реле защиты РЗ и размыкая контакты РН в цепи ба- зы транзистора. Процесс повторяется.

Ускоряющая цепочка Д3–R4 увеличивает частоту замыканий и размыканий контактов РН. Частота должна быть не ниже 20–30 пе- риодов в секунду, и тогда на зажимах генератора устанавливается среднее регулируемое напряжение.

Диод Д2 служит для создания положительного смещения на базе транзистора в момент его запирания. Через диод Д1 замыкается ЭДС самоиндукции обмотки возбуждения генератора в момент за- пирания транзистора. Катушка реле защиты РЗ в нормальных усло- виях шунтируется цепью диод Д2 – транзистор Т. При коротком замыкании зажима Ш на корпус ток в обмотке возбуждения генера- тора резко падает и напряжение на выходе генератора уменьшается, поэтому контакты РН в цепи катушки реле защиты РЗ будут закры- ты. В этом случае к катушке РЗ прикладывается напряжение от ге- нератора и аккумуляторной батареи через делитель R_п. Реле защиты срабатывает: замыкается контакт РЗ и запирает транзистор Т, что предохраняет его от выхода из строя.

Чувствительным элементом электронных регуляторов напряже- ния является входной делитель напряжения. С входного делителя напряжение поступает на элемент сравнения, где роль эталонной величины обычно играет напряжение стабилизации стабилитрона. Стабилитрон не пропускает через себя ток при напряжении ниже напряжения стабилизации и «пробивается», т. е. начинает пропус- кать через себя ток, если напряжение на нем превысит напряжение стабилизации. Напряжение же на стабилитроне при этом остается практически неизменным. Ток через стабилитрон включает элек- тронное реле, которое коммутирует цепь возбуждения таким обра- зом, что ток в обмотке возбуждения изменяется в нужную сторону. В вибрационных и контактно-транзисторных регуляторах чувстви- тельный элемент представлен в виде обмотки электромагнитного реле, напряжение к которой тоже может подводиться через входной делитель, а эталонная величина – это сила натяжения пружины, противодействующей силе притяжения электромагнита. Коммута- цию в цепи обмотки возбуждения осуществляют контакты реле или, в контактно-транзисторном регуляторе, полупроводниковая схема, управляемая этими контактами. Такие регуляторы напряжения

осуществляют дискретное регулирование напряжения путем вклю- чения и выключения в цепь питания обмотки возбуждения (в тран- зисторных регуляторах) или последовательно с обмоткой дополни- тельного резистора (в вибрационных и контактно-транзисторных регуляторах), при этом меняется относительная продолжительность включения обмотки или дополнительного резистора.

Таблица 4.1 Технические характеристики регулятора напряжения РР-363

Наименование параметра	Значение
Регулируемое напряжение при температуре окружа- ющей среды 25±10 °С, частоте вращения ротора 3500±150 мин–1 и токе нагрузки 60 А	26,5–28,0 В
Данные обмотки регулятора напряжения: число витков марка провода сопротивление при температуре 20 °С	1760 ПЭТВ-023 36 Ом
Данные обмотки реле защиты: число витков марка провода сопротивление при температуре 20 °С	1224 ПЭТВ-0,27 17,1 Ом
Сопротивление резистора R1	41 Ом
Сопротивление резистора R4	1 Ом
Сопротивление резистора термокомпенсации (R2, R3)	35 Ом

Рассмотрим принцип работы электронного транзисторного регу- лятора напряжения на примере простейшей схемы (рис. 4.4), близ- кой к регулятору ЕЕ14V3 фирмы BOSCH.

Регулятор 2 работает в комплекте с генератором 1, имеющим до- полнительный выпрямитель обмотки возбуждения. Напряжение к стабилитрону VD1 подводится от выхода генератора Д через дели- тель напряжения на резисторах R1, R2. Пока напряжение генерато- ра невелико, и на стабилитроне оно ниже напряжения стабилиза- ции, стабилитрон закрыт, ток через него, а следовательно, и в базо- вой 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 тоже открывается. При этом обмотка возбуждения генератора через переход эмиттер–коллектор VT3 оказывается подключенной к цепи

питания. Соединение транзисторов VT2, VT3, при котором их кол- лекторные выводы объединены, а питание базовой цепи одного транзистора производится от эмиттера другого, называется схемой Дарлингтона. При таком соединении оба транзистора могут рас- сматриваться как один составной транзистор с большим коэффици- ентом усиления. Обычно такой транзистор выполняется в одном кристалле кремния. Если напряжение генератора возросло, то воз- растает и напряжение на стабилитроне VD1.




Рис. 4.4. Схема электронного транзисторного регулятора напряжения:

1– генератор; 2– регулятор
При достижении этим напряжением величины напряжения ста- билизации 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, VT3 на «массу». Составной транзи- стор закрывается, разрывая цепь питания обмотки возбуждения. Ток возбуждения спадает, уменьшается напряжение генератора, закрываются стабилитрон VD1, транзистор VT1, открывается со-

ставной транзистор VT2, VT3, обмотка возбуждения вновь вклю- чается в цепь питания, напряжение генератора возрастает и т. д., процесс повторяется.

Таким образом регулировка напряжения генератора регулятором осуществляется дискретно через изменение относительного време- ни включения обмотки возбуждения. При этом ток в обмотке воз- буждения изменяется так, как показано на рис. 4.5. Если частота вращения генератора возросла или нагрузка его уменьшилась, вре- мя включения обмотки уменьшается, если частота вращения уменьшилась или нагрузка возросла – увеличивается.



Рис. 4.5. Изменение силы тока в обмотке возбуждения I_в по времени t:

t_вкл и t_выкл – соответственно время включения и выключения обмотки возбуждения генератора; n₁ и n₂ – частоты вращения ротора генератора, причем n₂ больше n₁; I_в1 и I_в2 – среднее значение тока в обмотке возбуждения
Диод VD2 при закрытии составного транзистора VT2, VT3 предотвращает опасные всплески напряжения, возникающие из-за обрыва цепи обмотки возбуждения со значительной индуктивно- стью. В этом случае ток обмотки возбуждения может замыкаться через этот диод и опасных всплесков напряжения не происходит. Диод VD2 называется гасящим.

Сопротивление R3 является сопротивлением жесткой обратной связи. При открытии составного транзистора VT2, VT3 оно оказы- вается подключенным параллельно сопротивлению R2 делителя напряжения. При этом напряжение на стабилитроне VD1 резко уменьшается, что ускоряет переключение схемы регулятора и по- вышает частоту данного переключения. Это повышает качество напряжения генераторной установки.

Конденсатор С1 является своеобразным фильтром, защищаю- щим регулятор от влияния импульсов напряжения на его входе.

Лампа контроля работоспособности генератора HL при нерабо- тающем двигателе привода генератора и замкнутом ключе SA го- рит, пропуская ток от аккумулятора и создавая тем самым первона- чальное возбуждение генератора. После пуска двигателя привода генератора на выходах генератора Д и «+» появляется практически одинаковое напряжение и лампа гаснет. Если генератор не развива- ет напряжения, то лампа HL продолжает гореть.

Интегральные регуляторы напряжения рассчитаны на силу тока 3,3 и 5 А. Схемы регуляторов достаточно просты, поэтому они имеют небольшие размеры. Кроме того, они максимально унифицированы для напряжения 14 и 28 В. Малогабаритные интегральные регулято- ры напряжения встраиваются в генератор, поэтому в их схемах от- сутствуют элементы защиты полупроводниковых элементов.

Тиристорные регуляторы напряжения применяются достаточ- но редко ввиду сложных условий для возбуждения генератора. Управляют тиристором в таких регуляторах напряжения путем регулирования угла включения (с естественной коммутацией) или относительной длительности включения (с искусственной коммутацией).

Порядок выполнения работы

1. 
   По плакатам и натурным генераторам изучить устройство и работу регуляторов напряжения.
   
2. 
   Вычертить схемы контактно-транзисторного и электронного регуляторов напряжения.
   
3. 
   Ознакомиться с техническими характеристиками регулятора напряжения РР-363.
   

Содержание отчета

1. 
   Схемы контактно-транзисторного и электронного регуляторов напряжения.
   
2. 
   Выводы по работе.
   

Контрольные вопросы

1. 
   Назначение и классификация регуляторов напряжения.
   
2. 
   Устройство и принцип работы вибрационного регулятора напряжения.
   
3. 
   Устройство и принцип работы контактно-транзисторного регулятора напряжения.
   
4. 
   Устройство и принцип работы электронного регулятора напряжения.
   
5. 
   Основные характеристики регуляторов напряжения.
   
6. 
   Возможные неисправности и обслуживание регуляторов напряжения.