Управление электроснабжением потребителей электроэнергии на автомобилях и тракторах (стр. 1 из 4)

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

где 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.