Расчёт элементов регулятор напряжения Я-120

Ток возбуждения генератора замыкается по пути: зажим «+» батареи, зажим «+» генератора и регулятора напряжения, обмотка ВО, замкнутые контакты регулятора напряжения, зажимы Ш регулятора напряжения и генератора, обмотка возбуждения ОВ, зажим «-» батареи. При работе генератора, когда его напряжение становится выше э.д.с. аккумуляторной батареи, источником тока становится генератор. В этом случае пути тока шунтовой обмотки регулятора напряжения и тока возбуждения генератора будут прежние, но ток исходит из зажима «+» генератора и возвращается на «массу» к зажиму «-» генератора. Одновременно генератор питает потребителей и заряжает аккумуляторную батарею.

По мере увеличения частоты вращения ротора генератора его напряжение растет. Когда напряжение генератора достигнет величины настройки регулятора (27,4-30,2 В), контакты регулятора напряжения размыкаются и ток возбуждения замыкается по пути: зажимы «+» генератора и регулятора напряжения, ускоряющий резистор Rу, добавочные резисторы Rд, зажимы Ш регулятора и генератора, обмотка возбуждения ОВ, зажим «-» (корпус) генератора. Вследствие резкого повышения сопротивления цепи возбуждение ее ток и напряжение генератора уменьшаются. При уменьшении напряжения ниже нормального магнитная сила, притягивающая якорь, уменьшается, и пружина замыкает контакты регулятора напряжения. Ток возбуждения и напряжение генератора вновь начинают увеличиваться до размыкания контактов регулятора напряжения. Указанный процесс повторяется периодически. При частоте замыкания и размыкания контактов выше 30 Гц колебания напряжения практически незаметны.

Скорость нарастания напряжения при замыкании контактов, а также скорость убывания напряжения при размыкании контактов зависит от частоты вращения ротора генератора. Чем выше частота вращения ротора генератора, тем выше скорость нарастания напряжения при замкнутых контактах и, наоборот, тем медленнее происходит спад напряжения генератора при разомкнутых контактах. Это означает, что с увеличением частоты вращения ротора генератора время замкнутого состояния контактов уменьшается, а время разомкнутого состояния контактов увеличивается. Следовательно, с увеличением частоты вращения в цепь обмотки возбуждения генератора добавочный резистор R2 включается на большее время, что вызывает уменьшение тока возбуждения, и напряжение генератора поддерживается постоянным, несмотря на увеличение частоты вращения ротора.

Резисторы Rд и Ry также выполняют роль искрогасительных сопротивлений, включенных между контактами регулятора напряжения, уменьшая искрение при их размыкании.

Повышение частоты вибрации контактов обеспечивается включением шунтовой обмотки регулятора напряжения по схеме «ускоряющего сопротивления». Шунтовая обмотка регулятора напряжения одним концом включена на «массу», другим — к точке соединения резисторов Rу и Rд. При замкнутых контактах регулятора через ускоряющий резистор Rу проходит только ток шунтовой обмотки регулятора напряжения (~0,17 А). Следовательно, напряжение на шунтовой обмотке регулятора будет меньше напряжения генератора на величину падения напряжения на резисторе Ry. Эта величина составляет примерно 5 В.

При разомкнутых контактах регулятора напряжения через резистор Ry пройдет не только ток шунтовой обмотки регулятора, но и ток возбуждения генератора. При этом падение напряжения на резисторе Ry резко возрастет и, следовательно, уменьшится напряжение на обмотке регулятора напряжения, пружина обеспечит более быстрое замыкание контактов, а частота вибрации контактов увеличится до 150-250 Гц.

Выравнивающая обмотка ВО регулятора напряжения служит для компенсации увеличения напряжения генератора при увеличении частоты вращения ротора генератора, которое вызывается включением шунтовой обмотки по схеме ускоряющего сопротивления. Выравнивающая обмотка ВО включена встречно по отношению к шунтовой обмотке ШО регулятора напряжения.

При малой частоте вращения ток  возбуждения генератора, проходящий по выравнивающей обмотке, имеет  наибольшую величину. Следовательно, размагничивающее действие выравнивающей обмотки  и повышение напряжения генератора будет наибольшим. С увеличением  частоты вращения ток возбуждения, а следовательно, и размагничивающее действие выравнивающей обмотки уменьшается, вследствие чего она повышает напряжение генератора на меньшую величину и тем самым способствует выравниванию напряжения генератора, которое при отсутствии выравнивающей обмотки повышалось бы с увеличением частоты вращения.

Регулируемое напряжение должно поддерживаться в заданных пределах независимо от температуры окружающей среды и нагрева обмоток регулятора напряжения. Однако при нагреве шунтовой обмотки, состоящей из медного провода, сопротивление ее увеличивается.

При повышении температуры ШО до +95°С ее сопротивление увеличивается на 30%. В результате напряжение, при котором будут размыкаться контакты регулятора, повысится также на 30%. Подобное увеличение напряжения является недопустимым, так как вызывает перезаряд аккумуляторных батарей, снижение срока службы ламп накаливания и искажение показаний приборов.

Для компенсации описанного вредного явления в реле-регуляторе РР-127 применяют  резистор температурной компенсации  Rт, выполненный из нихрома, и подвеску якоря регулятора на термобиметаллической серьге ТБ.

С увеличением температуры шунтовой обмотки, например на 75°С (с +20 до +95°С), сопротивление нихромового резистора Rт (40 Ом) практически не изменяет своей величины. Ускоряющий резистор Rу (30 Ом), выполненный также из нихрома и включенный последовательно с шунтовой обмоткой, помимо ускорения колебаний якоря также играет роль термокомпенсирующего резистора.

Для ограничения возрастания регулируемого напряжения с увеличением температуры наряду с включением в цепь шунтовой обмотки термокомпенсирующих резисторов применяют подвеску якоря реле на термобиметаллической серьге ТБ, состоящей из двух сваренных между собой пластин — инвара марки ЭН-36 и латуни или хромоникелевой или молибденоникелевой стали. Инвар обладает малым температурным коэффициентом линейного теплового расширения, равным 1•10^-10°С, и поэтому образует пассивную сторону термобиметаллической пластины. Латунь или хромоникелевая или молибденоникелевая стали обладают большим температурным коэффициентом линейного расширения, равным 17~20•10^-6•1/°С, и образуют активную часть термобиметаллической пластины. Термобиметаллическую пластину одним концом прикрепляют к якорю, другим — посредством заклепок и уголка — к ярму магнитопровода, активной стороной к якорю, а пассивной — к сердечнику реле.

При увеличении температуры термобиметаллическая серьга      деформируется, изгибаясь в сторону сердечника. Но так как конец ее прикреплен к якорю реле, то изогнуться она не может, вследствие чего на якорь будет действовать сила, направленная к сердечнику реле и противодействующая силе пружины.

Суммарное усилие пружины и серьги при увеличении окружающей температуры  уменьшается и тем самым компенсируется уменьшение магнитной силы притяжения якоря к сердечнику вследствие нагрева  обмотки, так что величина регулируемого  напряжения остается прежней.

В регуляторе напряжения РР-127 резисторы Rу, Rд, Rт выполнены из нихромового провода марки Х15Н60, намотанного на шнур из стекловолокнита, пропитанный кремнийорганическим лаком; размещены резисторы в основании регулятора.

С повышением мощности генератора растет его ток возбуждения, и контакты вибрационного регулятора напряжения не обеспечивают необходимого срока службы регулятора. Поэтому для мощных генераторов в качестве регулятора напряжения применяют транзисторные регуляторы напряжения.

2.2 Бесконтактный транзисторный регулятор напряжения РР-356

Регулятор напряжения РР-356 на кремниевых транзисторах предназначен для работы с генератором Г-272 мощностью 800 Вт (автомобили КамАЗ, МАЗ). На корпусе регулятора имеется штекерный разъем с двумя выводами «+» и «Ш», а также винт для соединения его корпуса с «массой» генератора.

На рис.7 изображена принципиальная схема регулятора РР-356. Применение кремниевых транзисторов, имеющих структуру n — p — n, потребовало подключение эмиттера к минусовому полюсу («макс.»), поэтому обмотка возбуждения генератора включена между коллектором транзистора и зажимом «+» генератора, что потребовало изолировать обмотку возбуждения генератора Г-272 от «массы» и сделать на генераторе два вывода концов обмотки возбуждения Ш1 и Ш2.

Рисунок 7 - Принципиальная схема регулятора напряжения РР-356 и прохождение токов в ней при открытом (а) и закрытом (б) силовом транзисторе: «+», Ш, М — выводные контакты штекерных разъемов;            Т1 — силовой транзистор; Т2 — управляющий транзистор; Дг — гасящий диод; Д1, Д2 — диоды; СТ1, СТ2 — стабилитроны; Др — дроссель;               R1, R2 - резисторы делителя напряжения; Rос — резистор обратной связи; Rб — резисторы базы транзистора Т1; R3, R4 — резисторы.

Регулятор напряжения работает следующим образом (рис. 7, а). При включении выключателя ВК ток батареи замыкается через делитель напряжения по цепи: «+» батареи, контакты ВЗ, «+» регулятора, обмотка дросселя Др, резисторы R1 и К2, зажим М («масса») регулятора, минус батареи. При этом на резисторе R2 в результате прохождения по нему тока создастся падение напряжения Uст. Однако пока это напряжение меньше напряжения пробоя стабилитронов CT1 и CT2, стабилитроны заперты, сила тока, проходящего через них, близка к нулю, и цепь базы транзистора Т2 (от «+», через обмотку дросселя Др, резистор R1 и стабилитроны СT1 и СT2) практически прервана, потенциал базы при отсутствии тока в резисторе R3 равен потенциалу эмиттера, и, следовательно, транзистор Т2 заперт. Здесь применены два последовательно включенных стабилитрона СT1 и CT2, так как номинальное напряжение генератора Г-272 равно 28 В.

Поскольку транзистор T2 закрыт и соединение между точкой подключения его  коллектора к диодам Д1 и Д2 и зажимом М прервано, то ток, проходящий через резистор R5, диоды Д1 и Д2 и резистор R4, создает на последнем падение напряжения, вследствие чего потенциал базы транзистора Т1 становится выше потенциала его эмиттера.

Возникший ток базы Iб1, проходящий по цепи: «+» регулятора, резистор Rб, диоды Д1 и Д2, эмиттерио-базовый переход транзистора Т1, зажим М открывает транзистор Т1. Тогда ток возбуждения Iв, проходящий по цепи: «+» генератора, зажим Ш генератора, обмотка возбуждения генератора, второй зажим Ш генератора, зажим Ш регулятора, открытый транзистор Т1, зажим М регулятора, «-» генератора, приобретает максимальную величину.

Когда напряжение генератора превысит установленный уровень, возросшее  напряжение Uст на стабилитронах СТ1 и СТ2 пробивает их и тем самым открывает путь току Iб2 базы транзистора Т2 (рис. 7, б). Последний, открываясь, замыкает накоротко эмиттерно-базовый переход транзистора Т1, вследствие чего последний запирается, прерывая цепь тока возбуждения. Ток возбуждения и напряжение генератора резко снижаются, напряжение Uст уменьшается, стабилитроны СТ1 и СТ2 снова запираются, вызывая запирание транзистора Т2 и открывание транзистора Т1 и процесс периодически повторяется с большой частотой. Ток Iс, созданный э.д.с. самоиндукции в обмотке возбуждения, замыкается по пути, показанном пунктирными стрелками через гасящий диод Дг, минуя транзистор Т1. Дроссель Др сглаживает пики пульсирующего напряжения. Резистор обратной связи Roc ускоряет переключение транзистора Т1 из состояния «открыт» в состояние «закрыт» и обратно. Диоды Д1 и Д2 служат для повышения надежности запирания транзистора Т1. Регулируют величину напряжения регулятора РР-356 подбором величины сопротивления резистора R2 при изготовлении регулятора. Регулировка регулятора РР-356 в эксплуатации не разрешается. Для генератора Г-288 мощностью 1100 Вт применяется регулятор РР-133, электрическая схема которого и данные элементов схемы одинаковы с регулятором РР-356. Отличие состоит в обратном расположении платы с деталями. В регуляторе РР-356 силовой транзистор находится сверху, а детали схемы снизу платы, а в регуляторе РР-133 наоборот, что облегчает осмотр и проверку исправности регулятора при снятии крышки.

Бесконтактные транзисторные регуляторы напряжения типа РР-356 и   РР-133 обладают длительным сроком службы и не требуют регулировки в эксплуатации, но они отличаются большой трудоемкостью изготовления и размерами, не позволяющими встроить их в конструкцию генератора, что значительно повысило бы надежность генераторной установки и сократило расход проводов. В настоящее время наша промышленность выпускает для автомобилей с дизельными двигателями генератор с встроенным интегральным регулятором напряжения (генераторные установки).

2.3 Генераторная установка Г-273 с встроенным интегральным регулятором напряжения Я-120  применяется на  дизельных двигателях ЯМЗ-236, ЯМЗ-238, КамАЗ-740 (автомобили МАЗ, КАМАЗ)

 Генераторная  установка Г-273 заменяет собой  генераторы Г-271 и           Г-272 с соответствующими регуляторами напряжения. Размеры интегрального регулятора Я-120: 38×58×12 мм, а масса 50 г, поэтому такой регулятор легко встраивается в заднюю крышку генератора. Общий вид генераторной установки Г-273 показан на рисунке 8. Принципиальное отличие схемы генератора Г-273 от рассмотренных выше заключается в том, что обмотка возбуждения ОВ (рис. 9) включена между нулевой точкой обмотки статора и через транзистор Т1 с «массой». Напряжение между нулевой точкой и «массой» равно половине напряжения на выходе генератора, т.е. 14 В. Такая схема обмотки возбуждения позволяет защитить аккумуляторную батарею от разряда на обмотку возбуждения при неработающем двигателе и включенном выключателе «массы» ВМ, унифицировать роторы генераторов на 14 и 28 В (роторы Г-273 и Г-250  взаимозаменяемы) и снизить перенапряжение на выходе генератора и транзистора Т1 при сбросе нагрузки. Генераторная установка Г-273 имеет посезонную регулировку «зима — лето» с целью лучшего заряда аккумуляторной батареи зимой (регулируемое напряжение 28,1-30,2 В) и предупреждения перезаряда батареи летом (регулируемое напряжение         27,1-28,1 В). Если винт 5 (см. рис.8) посезонной регулировки вывернут, резистор R_пр (см. рис. 9) отключен, регулятор поддерживает напряжение, соответствующее летней регулировке, если винт 5 завернут до упора, то регулятор поддерживает регулируемое напряжение «зима». Для улучшения условий возбуждения генератора в момент пуска двигателя между обмоткой возбуждения и «+» аккумуляторной батареи включен подпиточный резистор Rпод. В генератор Г-273 устанавливаются выпрямительные блоки БПВ-4-45 или ВБГ-1Б.

Рисунок 8 - Генераторная установка Г-273 со встроенным интегральным регулятором напряжения Я-120: а — общий вид; б — блок щеткодержателя с регулятором напряжения в разобранном виде; 1, 2, 3, 4 — выводные зажимы С, В, «+», «-» — соответственно; 5 — винт посезонной регулировки;                    6 — регулятор напряжения; 7 — блок посезонной регулировки;                         В, Д, Ш, С — шины, к которым подсоединен регулятор напряжения.

Встроенный в щеткодержатель генератора регулятор напряжения             Я-120 выполнен по электронной схеме (см. рис. 9, а) в интегральном исполнении, в котором пассивные элементы (резисторы), соединительные проводники и контактные площадки под активные элементы (транзисторы, диоды) неразъемно связаны и выполнены по толстопленочной технологии на керамической подложке. На плате пассивных элементов монтируются и подвесные дискретные элементы (конденсаторы, стабилитроны, входной транзистор Т3). На другой малогабаритной керамической плате расположены структуры (кристаллы) транзистора предоконечного каскада Т2, выходного транзистора Т3 и гасящего диода Д1. После сборки схема закрывается крышкой и заливается специальным герметиком. Регулятор напряжения Я-120 прибор неразборный и ремонту не подлежит. Максимальная сила тока возбуждения, на которую рассчитаны элементы конструкции регулятора              Я-120, равны 3,3 А. Схемные решения и конструкция регулятора обеспечивают высокую стабильность выходного напряжения генераторной установки при изменении тока нагрузки, частоты вращения и температуры не более чем -0,4, +0,2 и +0,1 В соответственно.