Предлагаемый регулятор обеспечивает высокую стабильность выходного напряжения генератора при изменении режима работы двигателя и тока нагрузки генератора. Кроме того, он обеспечивает повышенную отдачу генератора при низких оборотах двигателя и предотвращает пробуксовку приводного ремня генератора при большом токе его нагрузки.
Современные автомобили имеют сложное и многофункциональное электрооборудование, от надёжной работы которого зависит и работоспособность транспортного средства, и безопасность его эксплуатации. Надёжность работы электрооборудования во многом зависит от стабильности напряжения в бортсети. Многие системы современных автомобилей довольно чувствительны даже к кратковременным перенапряжениям.
Обеспечение стабильности выходного напряжения генератора при изменении частоты вращения и тока нагрузки - сложная задача, особенно на переходных режимах, когда резко изменяется частота вращения вала генератора или ток его нагрузки. Сегодня в автомобилях применяют в основном электронные регуляторы напряжения. Наибольшее распространение получили автоколебательные регуляторы с переменной частотой переключения ключевого транзистора.
Используют и регуляторы с постоянной частотой его переключения. В них его переключают принудительно с повышенной частотой, а регулируют напряжение за счёт изменения скважности импульсов тока. Сначала на них возлагали определённые надежды. Ожидали, что за счёт повышенной частоты переключения такие регуляторы обеспечат повышенную стабильность напряжения генератора на переходных режимах, но этого не произошло. Эти регуляторы сложны по схеме и не получили большого распространения.
Определённые надежды возлагают на недавно появившиеся регуляторы напряжения на основе микроконтроллеров. К сожалению, у автора нет достаточной информации по динамическим характеристикам таких регуляторов. Но можно предположить, что сам по себе микроконтроллер не сможет устранить все проблемы.
Автомобилистам, эксплуатирующим некомпьютеризированные автомобили, приходится самостоятельно совершенствовать регуляторы напряжения. Периодически публикуются статьи о таких регуляторах [1-5]. Например, в [6] был представлен доработанный регулятор напряжения 59.3702-01 с улучшенными динамическими характеристиками. Но и он имеет некоторые недостатки - не очень хорошо работает при плохом качестве выходного напряжения генератора, в частности, если уровень его пульсаций повышен.
Генераторы старых моделей имели коллектор, служивший выпрямителем переменного напряжения. При большом числе его пластин пульсации выходного напряжения генератора были небольшими. В современных генераторах трёхфазное переменное напряжение преобразуют в постоянное с помощью мостового выпрямителя. Но размах пульсаций выпрямленного напряжения - 0,14 его постоянной составляющей, а их частота в шесть раз выше частоты вращения вала генератора.
Регулятор напряжения и генератор - это составные части замкнутой системы автоматического регулирования с отрицательной обратной связью. Причём инерционность генератора намного больше инерционности регулятора напряжения. Генератор отдаёт максимально возможную мощность, если его обмотка возбуждения подключена к бортсети постоянно. Но значительные пульсации генерируемого напряжения регулятор рассматривает как кратковременные отклонения напряжения от номинального значения и пытается их устранить. Из-за большой инерционности генератор не успевает реагировать на управляющие сигналы, поступающие от регулятора. В результате и в режиме максимальной мощности силовой ключ регулятора напряжения в некоторые моменты времени разомкнут, что не позволяет генератору отдать полную мощность. Чтобы устранить эту проблему, приходится уменьшать пульсации выходного напряжения генератора, например, включая ФНЧ между бортсетью автомобиля и регулятором напряжения в ней.
У регулятора, описанного в [6], недостаточна глубина отрицательной обратной связи по скорости изменения выходного напряжения генератора. Увеличив её, можно не только уменьшить колебания напряжения в бортсети, но и обеспечить плавное нарастание и убывание тока нагрузки генератора при подключении и отключении мощной нагрузки. Тормозящий момент ротора генератора станет увеличиваться и уменьшаться плавно, что позволит значительно уменьшить вероятность пробуксовки приводного ремня генератора, а она приводит к быстрому износу ремня.
Дело в том, что мощность автомобильных генераторов в последние годы значительно увеличилась и клиновые или поликлиновые приводные ремни работают с большими нагрузками. Попадание на ремень воды, снега, масла или тосола приводит к пробуксовке. А толчком для начала пробуксовки становится резкое изменение тормозящего момента ротора генератора. Если сильно натянуть ремень, вероятность пробуксовки понизится, но ускорится износ приводного ремня и подшипников генератора.
Схема усовершенствованного регулятора приведена на рис. 1. Он отличается от описанного в [6] наличием параллельно включённых ФНЧ R1C1 и R6C2, через которые напряжение бортовой сети подано на вход регулятора. С выхода фильтра R1C1 напряжение поступает на дифференцирующую цепь R7C3, а с выхода фильтра R6C2 - на стабилитрон VD1.
Рис. 1. Схема усовершенствованного регулятора
В регуляторе, описанном в [6], глубину отрицательной обратной связи по скорости изменения выходного напряжения генератора можно увеличить за счёт увеличения ёмкости конденсатора С2. Но тогда нужно обязательно уменьшать сопротивление резистора R8, в противном случае постоянная времени дифференцирующей цепи C2R8 изменится. При уменьшении сопротивления этого резистора увеличится ток базы транзистора VT1. Он может сгореть при включении питания. В схеме регулятора [6] в качестве транзистора VT1 можно применить мощный транзистор, например КТ837А, для которого допустим ток базы 1 А. Этот транзистор станет работать в микротоковом режиме, но при этом проблем не возникнет, потому что начальный ток коллектора у транзистора КТ837А мал. Тогда сопротивление резистора R8 в регуляторе [6] можно уменьшить до 15 Ом и обратно пропорционально ему увеличить ёмкость конденсатора С2.
Но вернёмся к регулятору по схеме, изображённой на рис. 1. В нём ФНЧ R1C1 и R6C2 позволяют получить нужный результат при маломощном транзисторе VT1. В момент включения питания через резистор R1 протекает ток, который распределяется между конденсаторами C1 и C3 пропорционально их ёмкости. Они выбраны такими, чтобы ток базы транзистора VT1 не превысил допустимого. При необходимости получения отрицательной обратной связи по скорости изменения выходного напряжения генератора очень большой глубины можно в качестве VT1 применить мощный транзистор. Кроме того, фильтры нижних частот R1C1 и R6C2 подавляют пульсации напряжения на входе регулятора напряжения и за счёт этого позволяют получить полную мощность генератора.
Съёмными перемычками S1-S3, замыкающими резисторы R2-R4, регулируют выходное напряжение генератора в пределах 13,8...14,6 В. При удалении перемычек выходное напряжение генератора уменьшается. Известно, что для увеличения срока службы аккумуляторной батареи напряжение в бортовой сети должно возрастать при понижении температуры. Поэтому на практике при эксплуатации автомобиля нужна периодическая (сезонная) подстройка напряжения. В рассматриваемом случае её можно делать, устанавливая и удаляя перемычки. Кроме того, резисторы R2- R4 можно заменить подстроечным резистором, что позволит плавно устанавливать выходное напряжение генератора.
Светодиоды HL1 АЛ307ВМ (зелёного свечения) и HL2 АЛ307БМ (красного свечения) можно заменить любыми, свечение которых хорошо заметно при токе 10...15 мА. При включённом зажигании и не работающем двигателе должен светиться светодиод HL2. Это покажет, что на обмотку возбуждения генератора подано напряжение. При работающем двигателе включены оба светодиода. При уменьшении частоты вращения вала двигателя и увеличении нагрузки на генератор яркость свечения светодиода HL2 увеличивается, а светодиода HL1 уменьшается. В противоположном случае - наоборот. Если при не работающем двигателе горит светодиод HL1, регулятор неисправен.
Импортный диод S1M можно заменить отечественным из серии КД202 или КД209.
В регулятор внесено несколько изменений, позволяющих повысить его надёжность за счёт уменьшения частоты и повышения скорости переключения ключевого транзистора. Это уменьшает нагрев транзистора и вероятность его отказа. Между базой и коллектором транзистора VT1 вместо конденсатора включён резистор R8, а параллельно конденсатору C4 подключён резистор R10. В регуляторе 59.3702-01 функционально аналогичный транзистор при наличии конденсатора между базой и коллектором работает как интегратор (ФНЧ первого порядка с частотой среза около 350 Гц). Пульсации напряжения бортсети он подавляет плохо и при этом увеличивает время переключения ключевого транзистора VT3.
В описываемом регуляторе транзисторы VT1-VT3 образуют неинвертирующий усилитель, охваченный положительной обратной связью через конденсатор C4 для ускорения переключения транзисторов. Подключение резистора R10 параллельно конденсатору C4 преобразует этот усилитель в триггер Шмитта с двумя состояниями. Изменяя сопротивление резистора R10, можно регулировать ширину петли гистерезиса. При уменьшении его сопротивления ширина петли гистерезиса увеличивается, а частота переключений ключевого транзистора уменьшается.
Резистор R8 между базой и коллектором транзистора VT1 - цепь параллельной отрицательной обратной связью, уменьшающей входное сопротивление транзистора, что повышает стабильность напряжения на выходе генератора и улучшает работу отрицательной обратной связи по скорости изменения выходного напряжения генератора.
Как следует из сказанного, при совершенствовании регулятора напряжения предполагалось, что устойчивость работы генераторной установки не зависит от частоты переключения ключевого транзистора. Это подтверждено результатами испытаний этого регулятора. Он работает устойчиво несмотря на то, что были приняты меры по уменьшению частоты переключения транзисторов.
Распространено мнение, что для устойчивой работы регулятора необходимо, чтобы он переключался с частотой не менее 25...30 Гц [7]. Но этому нет доказательств. Регулятор напряжения представляет собой обычную систему автоматического регулирования. Хоть он работает не в аналоговом, а в ключевом режиме, для обеспечения его устойчивости можно применять те же способы, что и в других системах автоматического регулирования с обратной связью.
Устойчивость таких систем рассчитывают известными методами. Например, используя критерий Найквиста. Этот критерий говорит о том, что замкнутая система устойчива, если годограф (изображение ФЧХ на комплексной плоскости) разомкнутой системы не охватывает точку -1+j0.
Чтобы обеспечить устойчивость регулятора и правильно выбрать параметры ФНЧ, можно сделать ориентировочные расчёты, составив для этого полную функциональную схему генераторной установки (рис. 2). Затем на её основе составить структурную схему генераторной установки как системы автоматического регулирования (рис. 3). При этом можно использовать сведения, приведённые в [8]. Там в упрощённой популярной форме рассмотрена устойчивость систем автоматического слежения за частотой. Но все рекомендации вполне применимы и к генераторной установке, нужно лишь заменить частоту напряжением в бортсети.
Рис. 2. Функциональная схема генераторной установки
Показанные на рис. 2 ФНЧ в рассматриваемом регуляторе образованы элементами R1, C1 и R6, C2. Компаратором служит стабилитрон VD1. Дифференцирующая цепь образована элементами C3 и R7. Сумматор - транзистор VT1.
Рис. 3. Упрощенная функциональная схема генераторной установки
Схема на рис. 3 для наглядности упрощена, там нет второго ФНЧ, дифференцирующей цепи и сумматора. Согласно ей, генераторная установка содержит два звена первого порядка и одно звено второго порядка, соединённых последовательно. Такой комбинации может быть вполне достаточно для самовозбуждения замкнутой системы, поскольку эти три звена могут сдвинуть фазу сигнала ошибки на 540о (с учётом сдвига фазы на 180о в цепи отрицательной обратной связи).
Одно из звеньев первого порядка - обмотка возбуждения генератора, которая представляет собой последовательное соединение индуктивного и активного сопротивлений. Это самое инерционное звено. Его частота среза - 2,2 Гц. Она рассчитана по измеренным значениям индуктивности обмотки возбуждения (0,32 Гн) и её сопротивления постоянному току (4,5 Ом).
Второе по инерционности - звено второго порядка, образованное индуктивностью статорных обмоток генератора, внутренним сопротивлением аккумуляторной батареи и её ёмкостью. Параметры этого звена рассчитать сложно, так как по своим динамическим характеристикам аккумулятор не эквивалентен конденсатору, а ёмкость автомобильной аккумуляторной батареи, выраженная в фарадах, достигает 1 Ф. Она быстро изменяется в зависимости от протекающего тока, температуры и степени заряженности батареи [7, 9].
В статье [9] рассмотрена работа генератора с коллектором, но все полученные там выводы можно применить и к современным генераторам с трёхфазным выпрямителем генерируемого напряжения. Кроме того, в этой статье в эквивалентную схему генераторной установки не включена ёмкость аккумуляторной батареи. В своих экспериментах авторы упомянутой статьи получили её значение 0,3 Ф, но оно может быть значительно больше.
Вероятно, авторы посчитали, что эта ёмкость зашунтирована низким внутренним сопротивлением батареи и ею можно пренебречь. Однако она настолько велика, что даже при низком внутреннем сопротивлении батареи оказывает влияние на работу генераторной установки (особенно при старой батарее с повышенным внутренним сопротивлением). Именно непостоянство параметров этого звена второго порядка вызывает нестабильность и непредсказуемость самовозбуждения генераторной установки. Оно возникает, когда частота среза звена второго порядка уменьшается и приближается к частоте среза ротора генератора.
Самое малоинерционное звено - ФНЧ R6C2. Его параметры можно регулировать.
Известно, что для устойчивости системы автоматического регулирования без применения корректирующих цепей требуется, чтобы частоты среза входящих в неё звеньев первого порядка должны различаться не менее чем в 5...10 раз. Поэтому частота среза ФНЧ R6C2 должна быть в пять и более раз выше частоты среза обмотки возбуждения генератора (2,2 Гц). На рис. 4 представлена структурная схема генераторной установки как системы автоматического регулирования с учётом корректирующих цепей.
Рис. 4. Структурная схема генераторной установки
Рис. 5. Зависимость от частоты коэффициента передачи замкнутой системы при разной её добротности
На рис. 5 представлена зависимость от частоты коэффициента передачи замкнутой системы при разной её добротности. Эту зависимость можно снять экспериментально, но обязательно с учётом влияния аккумуляторной батареи. Для этого нужно при работающем генераторе с определённой частотой включать и выключать мощный потребитель электроэнергии, контролируя изменения напряжения в бортсети или выходного тока генератора. При низкой частоте коммутации нагрузки система будет успевать отслеживать изменения тока нагрузки. С увеличением частоты переключений ошибка будет расти.
С увеличением добротности системы на её резонансной частоте (в рассматриваемом случае 4 Гц) в АЧХ появляется пик. Эта частота может быть определена экспериментально. Именно на ней может начаться самовозбуждение. Нужно учитывать, чёткой границы между режимами стабилизации и самовозбуждения нет. Возможны промежуточные режимы с различной амплитудой колебаний.
Рис. 6. Схема регулятора напряжения
Если нужно получить очень плавное изменение тока нагрузки генератора (и тормозящего момента ротора генератора), можно собрать регулятор напряжения по схеме, изображённой на рис. 6. Здесь при подаче на регулятор напряжения питания открывается транзистор VT1. Конденсаторы C1 и C3 заряжаются коллекторным током транзистора, который зависит от напряжения в бортсети согласно формуле
Iк = (Uбс/R1) · h21э,
где Uбс - напряжение в бортсети автомобиля; h21э - коэффициент передачи тока базы транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером. Этот ток распределяется между конденсаторами C1 и C3 пропорционально их ёмкости. После зарядки конденсаторов транзистор VT1 переходит в режим насыщения.
При работе регулятора сопротивление участка коллектор-эмиттер транзистора VT1 служит эквивалентом резистора R1 на рис. 1. Сопротивление одноимённого резистора (см. рис. 6) нужно подобрать таким, чтобы ток коллектора транзистора VT1 не превышал допустимого значения. Добавление в регулятор этого транзистора позволило в несколько раз увеличить ёмкость конденсаторов C1 и C3 без риска повредить транзистор VT2.
Рис. 7. Схема регулятора напряжения
Если эта схема покажется слишком сложной, можно построить регулятор напряжения по более простой схеме, показанной на рис. 7. Он отличается тем, что в качестве ФНЧ применён (как и в регуляторе 59.3702-01) интегратор на транзисторе VT2. Чтобы уменьшить вредное влияние конденсатора С2 на время переключения транзисторов, здесь можно увеличить ёмкость ускоряющего конденсатора С3 и уменьшить сопротивление резистора R11.
Литература
1. Тышкевич Е. ШИ-регулятор напряжения. - Радио, 1984, № 6, с. 27, 28.
2. Ломанович В. Термокомпенсированный регулятор напряжения. - Радио,1985, № 5, с. 24-27.
3. КоробковА. Автомобильный регулятор напряжения. - Радио, 1986, № 4, с. 44, 45.
4. Бирюков С. Простой термокомпенсированный регулятор напряжения. - Радио, 1994, № 1,с. 34, 35; № 10, с. 43.
5. Добролюбов В. Усовершенствование электронного стабилизатора напряжения. - Радио, 2000, № 2, с. 44.
6. Сергеев А. Доработка автомобильного регулятора напряжения 59.3702-01. - Радио, 2014, № 3, с. 42-44.
7. Малюгин П. Н., Ковригин В. А. Регуляторы напряжения. Методические указания к лабораторной работе № 4 по дисциплине "Электрооборудование автомобилей”. - Омск: Издательство СибАДИ, 2003.
8. Кривицкий Б. Х. Автоматическое слежение за частотой. - М.: Энергия, 1974.
9. Семко И. А., Таукчи В., Закалюж-ный А. А. Взаимодействие и воздействие аккумуляторной батареи на динамические характеристики генераторов постоянного тока на холостом ходу. - Электроника и электротехника, 2017, № 2. с.13-18.
Автор: А. Сергеев, г. Сасово Рязанской обл.