147788 (Управление электроснабжением потребителей электроэнергии на автомобилях и тракторах)

УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕМ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА АВТОМОБИЛЯХ И ТРАКТОРАХ ГЕНЕРАТОРНЫЕ УСТАНОВКИ АВТОМОБИЛЕЙ И ТРАКТОРОВ

1.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Генераторные установки являются источником электрической энергии в системах электроснабжения автомобилей и тракторов (АиТ). Они состоят из электрогенератора, выпрямителя, регулятора напряжения и аккумуляторной батареи. Электрогенератор является энергетическим преобразователем механической энергии ДВС в электрическую. В основу работы электрогенератора положено двухпараметрическое физическое явление, определяемое законами электромагнитной индукции. В нем происходит преобразование механической энергии вращательного движения ротора в магнитном поле, создаваемом током возбуждения, в электрическую энергию электрического тока.

Напряжение на выходе электрогенератора определяется по формуле:

где Еr - ЭДС генератора; Uo - падение напряжения на выпрямительном элементе; Z - полное сопротивление обмотки статора; Ir - ток генератора (среднее значение выпрямленного тока); Се - конструктивный коэффициент электрической машины переменного тока; п - частота вращения ротора; Ф - магнитный поток.

Без учета остаточного магнитного потока полюсов ротора магнитный поток генератора можно представить в виде линеаризованной зависимости

г де Iв - ток возбуждения; а, b - постоянные коэффициенты аппроксимации кривой намагничивания, зависящие от конструкции генератора и применяемых магнитных материалов.

С учетом зависимости

На основании полученного выражения можно сделать вывод, что постоянства напряжения генератора при изменении частоты вращения ротора и тока нагрузки можно добиться изменением тока возбуждения. Повышение частоты вращения должно сопровождаться уменьшением тока возбуждения, а увеличение нагрузки - увеличением тока возбуждения.

Пренебрегая падением напряжения на выпрямительном элементе, можно с помощью уравнения (1.1) определить изменение силы тока возбуждения:

На основании выражения (1.2) можно создать программный регулятор напряжения.

Генераторная установка является системой автоматического регулирования (САР) напряжения и стабилизирует его на заданном уровне Uz = const и в заданной точке при всех режимах работы. Объектом управления является электрогенератор, управляющей подсистемой - регулятор. Возмущающими воздействиями на САР являются: частота вращения ротора генератора, сила тока нагрузки и температура окружающей среды Т. Все современные САР напряжения АиТ в качестве регулирующего воздействия используют ток возбуждения генератора, который определяет магнитный поток генератора, а следовательно, и выходное напряжение.

На рис.1.1. представлена структурная схема генератора как объекта управления, где Uo, Z, Ir, n, T - возмущающие воздействия; Iв - управляющее воздействие; Ur - регулируемая величина. Входной величиной генератора можно считать угловое перемещение Ga, а выходной - ток нагрузки Ir.

Регулятор стабилизирует напряжение при изменении возмущающих воздействий путем воздействия на ток в обмотке возбуждения, которая выполняет функции элемента устройства воздействия на электрогенератор. Ток возбуждения можно менять путем введения в цепь обмотки переменного сопротивления (дросселирующего регулирующего органа). Для электрических САР такими переменными сопротивлениями являются переменные резисторы (потенциометры) и угольные столбики, сопротивление которых изменяется в широких пределах под действием силы, сжимающей угольный порошок в столбике. Эти устройства относятся к аналоговым элементам и имеют низкую надежность из-за подвижных контактов и механического привода. Электрические непрерывные регулирующие органы не нашли применение в САР напряжения АиТ.

В настоящее время в генераторных установках используются исключительно двухпозиционные системы автоматического регулирования напряжения. Первоначально применялись системы автоматического регулирования с использованием квантованных двухпозиционных сигналов непрерывного действия. В настоящее время начинают распространяться системы регулирования напряжениях использованием широтно-импульсных сигналов дискретного действия/

1.2. ДВУХПОЗИЦИОННЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Формирование управляющего воздействия

Низкие требования к качеству напряжения потребителей, интегрирующие свойства индукционного энергетического преобразователя и большая электрическая емкость аккумуляторной батареи позволили использовать двухпозиционное регулирование в САР напряжения в электрической сети АиТ. В таких САР ток возбуждения имеет два значения, которые определяются значениями коммутируемых сопротивлений R{ и R2 в цепи обмотки возбуждения:

где RB - сопротивление обмотки возбуждения; Rk(o) - сопротивление ключа, подключающего обмотку к источнику питания в открытом состоянии; Rk(з) - сопротивление ключа, подключающего обмотку к источнику питания в закрытом состоянии.

При использовании электромеханических коммутирующих элементов (контактов реле) сопротивление ключа можно не учитывать, так как при разомкнутом контакте оно стремится к бесконечности, а при замкнутом - близко к нулю. Но полупроводниковые (транзисторные) ключи из-за конечных значений сопротивлений в открытом и закрытом состояниях оказывают существенное влияние на работу регуляторов напряжения.

Такие регуляторы не обеспечивают высокого качества напряжения, поэтому при использовании в АиТ современных микроэлектронных устройств приходится применять вторую, дополнительную, ступень регулирования напряжения с использованием электронных САР напряжения.

Широкое распространение в свое время получили двухпозиционные регуляторы с амплитудной модуляцией, выполненные с использованием электромеханических элементов. В них частота переключения сопротивлений в цепи обмотки возбуждения зависит от отклонения тока возбуждения от требуемого значения. Для релейно-контактных систем частота переключений и число срабатываний контактов имеют первостепенное значение. Чтобы уменьшить число переключений, необходимо ток возбуждения поддерживать в определенном интервале значений, близких к требуемому значению тока для данного режима работы генератора. Процесс автоматического регулирования напряжения в таких САР осуществляется включением последовательно с обмоткой возбуждения добавочного резистора /? доб. В обмотке возбуждения при этом устанавливаются автоколебания тока с амплитудой 1т, периодом следования переключений Tn = t0+tBn скважностью импульса включения i = Tn/tB, где t0 - время отключения /? доб, tB - время включения Rao6. Амплитуда тока, время включения и время отключения добавочного сопротивления зависят от режима работы генератора, статической характеристики регулятора (зоны нечувствительности), которая на практике несимметрична, и электротехнических характеристик используемых материалов.

Чем больше мощность подводимой или отводимой энергии (производительность генератора) при увеличении или уменьшении напряжения, тем быстрее изменяется ток возбуждения. В таком регуляторе в дополнение к амплитудной модуляции появляется побочная широтно-импульсная модуляция. Действительный ток возбуждения в этом случае определяется средним значением за период регулирования с учетом изменения амплитуды и скважности процесса регулирования. При этом сила тока возбуждения увеличивается, если время отключения добавочного резистора увеличивается по сравнению со временем его включения.

Скорость нарастания напряжения при отсутствии в цепи возбуждения добавочного резистора, а также скорость убывания напряжения при подключении добавочного резистора зависят от частоты вращения ротора генератора.

При подключении добавочного резистора с увеличением частоты вращения ротора понижается скорость убывания напряжения.

При отключенном резисторе сопротивление цепи возбуждения равно сопротивлению обмотки возбуждения RB, а при включенном резисторе оно равно Rs+Ruoq. В процессе регулирования сопротивление цепи возбуждения изменяется скачкообразно от Яв до Дв+Ддоб.

Чем больше частота вращения и сила тока возбуждения, тем больше напряжение генератора; чем больше сила тока его нагрузки - тем меньше это напряжение.

Скоростная характеристика генератора при работе с регулятором напряжения представлена на рис.1.2, а. При увеличении частоты вращения от 0 до п„ т.е. пока регулятор напряжения не работает, ток возбуждения /в = и/Я* возрастает до максимального значения.

При дальнейшем возрастании частоты вращения регулятор напряжения начинает поддерживать заданное напряжение. При этом коэффициент заполнения ут= 1Д возрастает от 0 до 1, а ток возбуждения уменьшается до значения, соответствующего постоянному включению резистора: /в = U/(RB+ Ruo6).

Дальнейшее увеличение частоты вращения приводит к возрастанию напряжения и тока возбуждения. Таким образом, сопротивление добавочного резистора определяет максимальную частоту вращения ротора генератора, при которой возможно регулирование напряжения. В регуляторах без дополнительного резистора диапазон регулирования увеличивается и ограничивается лишь значением тока возбуждения, при котором обеспечивается устойчивая работа электрогенератора.

Зависимости силы тока возбуждения и напряжения генератора от времени показаны на рис.1.2, б. Время t0, в течение которого резистор отключен, с ростом частоты вращения уменьшается, а время /в, в течение которого он включен, увеличивается.

В обмотке возбуждения происходит усреднение тока возбуждения до величины /в ср, которая определяется исходя из фактического сопротивления цепи возбуждения, эквивалентного некоторому постоянному значению R^, равному среднему значению изменяющегося сопротивления за период регулирования:

г де уф - относительное время включения добавочного резистора (коэффициент заполнения импульса включения).

Сила тока возбуждения

При этом среднее значение выходного напряжения генератора равно {7г. српри изменении текущего значения напряжения от /7срб до Um.

Для уменьшения частоты переключений необходимо, чтобы текущее значение тока возбуждения мало отличалось от значения, при котором обеспечивается стабилизация напряжения на данном режиме работы. Поэтому для ограничения значения тока возбуждения в цепи обмотки и обеспечения требуемого качества напряжения стали использовать трехпозиционные ("двуступенчатые") и даже четырехпозиционные регуляторы. В таких регуляторах сопротивление цепи возбуждения имеет три или четыре значения. На практике используют в различных сочетаниях отключение обмотки возбуждения (R{ = °°), включение Л2 = Д>+ RRo6i, включение i? 3 = ^в+ ^доб2> а в Ряде случаев - замыкание обмотки возбуждения.

Благодаря прогрессу в микроэлектронике была решена проблема числа переключений коммутирующего ключа, так как современные полупроводниковые элементы способны переключать цепи с большими частотами с неограниченным сроком работы.

В современных регуляторах силу тока возбуждения изменяют путем включения и отключения обмотки возбуждения от питающей сети без дополнительного резистора, при этом меняется скважность (относительная продолжительность времени включения обмотки). Если для стабилизации напряжения требуется снизить силу тока возбуждения, то время включения обмотки возбуждения уменьшается; если нужно повысить - время увеличивается.

Возникновение побочной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) в процессе двухпозиционного регулирования обусловило разработку регуляторов, в которых на выходе используется только ШИМ. В зарубежных генераторах широко применяются регуляторы напряжения с ШИМ при управлении током обмотки возбуждения. В таких устройствах процесс регулирования становится дискретным, а частота переключений остается постоянной и определяется параметрами внутреннего генератора пилообразного напряжения. В генераторах с амплитудной модуляцией частота переключений меняется при изменении режима работы генератора. При этом нижний предел частоты переключений составляет 25...50 Гц.

Генераторные установки выпускаются с номинальными напряжениями 14 и 28 В. На автомобилях с дизельными двигателями могут применяться генераторные установки на два уровня напряжения: 14 и 28 В. Для получения второго уровня напряжения применяются электронные удвоители напряжения, трансформаторно-выпрямительные блоки и накопительные конденсаторы.