Отклонение от расчетной величины напряжения не должно превышать 3%. Установлено, что при повышении напряжения генератора выше расчетного на 10 — 12% срок службы аккумуляторной батареи и автомобильных ламп сокращается в 2 — 2,5 раза.

Устройство регулятора напряжения

Магнитная система регулятора напряжения включает в себя П-образное ярмо, сердечник с обмоткой и якорек. Сердечник, якорек и ярмо изготовлены из малоуглеродистой стали и являются хорошим магнитопроводом. Обмотка включена на полное напряжение генератора.

Якорек оттягивается вверх пружиной, удерживая контакты в замкнутом состоянии. Вольфрамовые контакты регулятора (через якорек и ярмо) включены последовательно в цепь обмотки возбуждения О В генератора; один из контактов закреплен на якорьке, другой—не неподвижной пластине. Параллельно контактам включен резистор Ra. Якорек подвешен на термобиметаллической пластине ТБП.

Принцип действия регулятора напряжения

При включенном выключателе зажигания ВЗ ток в обмотку возбуждения ОВ генератора поступает от аккумуляторной батареи через замкнутые контакты, якорек, ярмо, создавая вокруг обмотки возбуждения магнитный поток. Одновременно ток поступает в обмотку регулятора напряжения, в результате чего происходит намагничивание сердечника.

При напряжении генератора ниже регулируемой величины контакты регулятора удерживаются пружиной в замкнутом положении, так как сила магнитного притяжения якорька будет меньше силы пружины.

По мере увеличения частоты вращения ротора генератора сила тока возбуждения и напряжение генератора возрастают.

При увеличении напряжения генератора увеличивается сила тока в обмотке регулятора, что усиливает намагничивание сердечника, и в момент, когда сила магнитного притяжения якорька к сердечнику станет больше силы пружины, произойдет размыкание контактов регулятора. При разомкнутых контактах в цепь обмотки возбуждения генератора включается последовательно резистор, что вызывает резкое уменьшение силы тока в обмотке возбуждения генератора. Это, в свою очередь вызовет уменьшение магнитного потока возбуждения и, следовательно, уменьшит величину индуктируемой э. д. с. в обмотке статора, а напряжение генератора снизится на 0,1 —0,4 В.

При снижении напряжения генератора уменьшится сила тока в обмотке регулятора напряжения, намагничивание сердечника уменьшится и усилием пружины якорька контакты регулятора напряжения вновь замкнутся.

Резистор Ra при этом будет закорочен контактами, что вызовет увеличение силы тока в обмотке возбуждения генератора, а следовательно, увеличение магнитного потока возбуждения; поэтому напряжение генератора снова возрастет. При увеличении напряжения генератора возрастает сила тока в обмотке регулятора напряжения и происходит усиление намагничивания сердечника, который, притягивая якорек, размыкает контакты.

Из уравнения следует, что для изменения напряжения, поддерживаемого регулятором, нужно изменить либо натяжение пружины Fnp (основной способ регулировки), либо воздушный зазор.

Регулируемое напряжение генератора будет больше при увеличении воздушного зазора и силы пружины якорька.

При более подробном рассмотрении процесса регулирования напряжения можно заметить, что скорость, с которой напряжение генератора возрастает при замыкании контактов и уменьшается при их размыкании, зависит от частоты вращения ротора генератора.

Рассмотрим явления, способствующие и препятствующие изменению напряжения генератора при замыкании и размыкании контактов.

При замыкании контактов регулятора уменьшается сопротивление цепи возбуждения генератора, что является причиной увеличения силы тока в обмотке возбуждения. При этом увеличивается магнитный поток возбуждения, который индуктирует в витках катушек обмотки возбуждения э. д. с. самоиндукции, действующую против тока (правило Ленца) и замедляющую его нарастание. Следовательно, магнитный поток возбуждения генератора после замыкания контактов регулятора нарастает с замедлением; этому способствует также явление гистерезиса стали. Таким образом при замыкании контактов регулятора э. д. с. и напряжение генератора не могут возрастать мгновенно до максимального значения, соответствующего величинам магнитного потока возбуждения и частоты вращения ротора генератора.

При малой частоте вращения ротора nmin максимальная величина напряжения генератора будет меньше, чем при большой частоте nmax. Кроме того, при малой частоте вращения ротора нарастание напряжения генератора будет более медленным, чем при большой.

В момент размыкания контактов регулятора из-за уменьшения силы тока возбуждения уменьшается величина магнитного потока возбуждения, который, пересекая витки катушек ОВ, индуктирует в них э. д. с. самоиндукции, совпадающую с направлением убывающего тока. При этом э. д. с. самоиндукции препятствует резкому уменьшению силы тока в цепи возбуждения, и, следовательно, убывание магнитного потока, а вместе с ним убывание напряжения генератора замедляется.

Кривые изменения пульсирующего напряжения для малой, средней и большой частот вращения ротора генератора показаны на рис. 3, а. Они составлены из соответственных отрезков кривых нарастания и спада напряжения, изображенных на рис. 2.

Таким образом, при работе регулятора напряжения сила тока возбуждения изменяется обратно пропорционально частоте вращения ротора генератора, чем и достигается поддержание постоянства напряжения в заданных пределах.

Величину сопротивления резистора Rd подбирают из расчета поддержания регулятором заданной величины напряжения при максимальной частоте вращения ротора генератора. При установке резистора Rg, сопротивление которого меньше расчетной величины, сила тока в цепи возбуждения при разомкнутых контактах регулятора будет больше, чем при нормальной величине сопротивления. Поэтому напряжение генератора будет большим, а следовательно, будет большей и сила тока в обмотке регулятора напряжения. В результате при относительно небольшой частоте вращения ротора может наступить такое положение, когда при разомкнутых контактах регулятора напряжение генератора будет высоким, контакты регулятора все время будут разомкнуты, а при дальнейшем увеличении частоты вращения ротора напряжение генератора будет возрастать (см. на рис. 20 точки кривых /в, Uf при ятах соответствующие концу работы регулятора), что вызывает чрезмерное увеличение силы тока в обмотках и цепях потребителей.

При чрезмерном увеличении сопротивления резистора например при его перегорании, между контактами регулятора будет наблюдаться сильное искрение, увеличивающее износ и окисление контактов.

Повышение частоты вибрации контактов регулятора напряжения. Вследствие магнитной инерции сердечник, ярмо и якорек регулятора не могут быстро перемагничиваться, что снижает частоту вибрации контактов, и поэтому возрастает разность между напряжением размыкания и замыкания контактов регулятора. Для снижения разности напряжения искусственно ускоряют размагничивание сердечника в момент размыкания контактов путем резкого уменьшения силы тока в основной обмотке, что, в свою очередь, увеличивает частоту вибрации контактов.

Для того чтобы колебания напряжения генератора при работе регулятора не были заметны, число размыканий и замыканий контактов должно быть в пределах 150 — 250 периодов в секунду. При этом работа потребителей электрической энергии будет нормальной (например, лампочки не будут мигать). В большинстве регуляторов напряжения повышение частоты вибрации контактов до указанной величины обеспечивается включением основной обмотки по схеме ускоряющего резистора Ry (рис. 4).

В результате резкого снижения напряжения на зажимах обмотки ОРН после размыкания контактов, сила тока в обмотке резко уменьшается, а поэтому уменьшается и величина магнитного потока сердечника, что обеспечивает более быстрое замыкание контактов. При этом увеличивается частота вибрации контактов до 150 — 250 периодов в секунду, что уменьшает амплитуду колебаний напряжения генератора. Однако при наличии резистора Ry напряжение генератора с увеличением частоты вращения ротора генератора возрастает примерно на 15%; при этом рост напряжения особенно интенсивен в начальный период работы регулятора напряжения.

Выравнивание напряжения генератора. Для предотвращения возрастания напряжения генератора при повышении частоты вращения ротора в некоторых контактных регуляторах напряжения применяется выравнивающая обмотка ВО (рис. 5). Выравнивающая обмотка включается последовательно с обмоткой возбуждения генератора и наматывается на сердечник так, что ее магнитный поток противодействует магнитному потоку основной обмотки ОРН.

При увеличении частоты вращения ротора генератора магнитный поток выравнивающей обмотки уменьшается пропорционально уменьшению силы тока в обмотке возбуждения. Размагничивающее действие выравнивающей обмотки уменьшается и магнитный поток основной обмотки возрастает, в результате чего напряжение генератора снижается. Таким образом, снижение напряжения от действия выравнивающей обмотки компенсирует рост напряжения от действия ускоряющего резистора, в результате чего напряжение генератора остается постоянным.

Температурная компенсация регулятора напряжения. Напряжение генератора не должно изменяться при изменении температуры окружающей среды и нагрева обмотки регулятора напряжения. Обмотку регулятора выполняют из меди, температурный коэффициент сопротивления которой равен 0,004 на 1 °С. При работе генератора температура обмотки регулятора может повышаться до +80 °С, вследствие чего сопротивление ее увеличивается до 25%.

Следовательно, сила тока в обмотке и намагничивание сердечника будут уменьшаться, а поэтому контакты останутся замкнутыми при напряжении генератора, на которое отрегулировано натяжение пружины якорька. В этом случае контакты будут размыкаться при напряжении генератора выше нормальной величины до 25%. Таким образом, напряжение 12-вольтного генератора может увеличиться на 3,4 — 3,8 В и 24-вольтного — на 6,8—7,6 В выше установленного при +20 °С, что вызовет перезаряд батареи, ускорит перегорание спиралей ламп, сильную эрозию контактов прерывателей приборов и другие нежелательные явления. Для поддержания постоянства регулируемого напряжения генератора при изменении температуры регулятора в цепь основной обмотки включают резистор (резистор температурной компенсации), а якорек подвешивают на биметаллической пластинке.

В некоторых регуляторах напряжения роль резистора выполняет ускоряющий резистор Ry.

Резистор RTK, выполненный из нихрома (Х15Н60), включают последовательно основной обмотке регулятора. При +20 °С сопротивление провода резистора RJK примерно равно сопротивлению медного провода обмотки. При повышении температуры сопротивление нихрома не будет повышаться. С увеличением температуры медного и нихромового проводников сопротивление цепи обмотки будет повышаться примерно на 12,5% только за счет нагрева медного проводника. Вместе с этим и напряжение генератора будет возрастать примерно на 12,5%.

Таким образом, при помощи резистора RTK можно лишь несколько ограничить увеличение напряжения генератора, но не предотвратить его рост при нагреве обмотки регулятора. Чтобы регулируемое напряжение оставалось более постоянным при изменении температуры обмотки регулятора, наряду с включением резистора применяют подвеску якорька на биметаллической пластине.

Термобиметаллическая пластина (ТБП) состоит из двух сваренных между собой пластин инвара ЭН-36 (сплава железа (63%), никеля (36%) и других металлов), обладающего малым коэффициентом теплового расширения, и хромоникелевой или молибденоникелевой стали, обладающей большим коэффициентом теплового расширения. Активная часть пластин ТБП (сталь) обращена к якорьку, а пассивная часть (инвар)—в сторону сердечника.

При увеличении температуры повышается сопротивление обмотки регулятора, а поэтому сила тока в обмотке и вместе g тем магнитный поток сердечника уменьшается. Так как нагрев биметаллической пластины ТБП вызывает ее деформацию, в результате чего возникает сила, оттягивающая якорек в сторону сердечника, то, несмотря на уменьшение величины магнитного потока, создаваемого основной обмоткой, размыкание контактов будет происходить при постоянной величине регулируемого напряжения.

Уменьшение искрообразования между контактами регулятора. В момент размыкания контактов регулятора уменьшается ток возбуждения и поэтому в обмотке возбуждения генератора индуктируется э. д. с. самоиндукции величиной до 200 В. Под действием этой э. д. с. создается ток самоиндукции, который будет проходить по обмотке возбуждения в том же направлении и замыкаться через цепь резисторов Rd и Ry и частично в зазоре между контактами регулятора, что приводит к возникновению искры.

Напряжение на контактах, а следовательно, и ценообразование между ними возрастают при увеличении силы тока в цепи возбуждения и величины сопротивления цепи резисторов Rn и Ry.

Искрение между контактами вызывает значительное окисление и эрозию их. При сильном искрении происходит сваривание контактов и тогда напряжение генератора чрезмерно повышается, что вызывает сгорание изоляции обмоток потребителей и генератора и другие неисправности. Окисление и эрозия контактов повышают сопротивление в цепи возбуждения генератора, что уменьшает силу тока возбуждения, а следовательно, снижается магнитный поток возбуждения Фв, что вызовет при той же частоте вращения ротора ир уменьшение напряжения генератора ([/г = СФв«р). 1 Для повышения надежности работы и срока службы контактов приходится ограничивать силу тока в цепи возбуждения генератора до 1,7 — 1,8 А.

С увеличением количества потребителей на автомобилях необходимо увеличивать мощность автомобильных генераторов. Для увеличения мощности генераторов неизбежно приходится увеличивать силу тока в цепи возбуждения выше 1,7 — 1,8 А, что приводит к более сильному ценообразованию между контактами регулятора напряжения, а следовательно, к повышенному износу контактов.

В современных регуляторах напряжения уменьшение новообразования между контактами (и их износа), достигается следующими путями:

1. Уменьшением разрывной мощности на контактах Рк (Рк = URd). Из уравнения видно, что снизить разрывную мощность можно:
— во-первых, за счет уменьшения силы тока возбуждения. Этого добиваются разделением обмотки возбуждения на две параллельные ветви и установкой в каждую ветвь регулятора напряжения;
— во-вторых, за счет уменьшения сопротивления дополнительного резистора R&. Однако при этом сужается диапазон работы регулятора напряжения, расширения которого добиваются применением дополнительной пары контактов. Такой регулятор напряжения называется двухступенчатым, так как регулируемое напряжение поддерживается на двух уровнях (ступенях) в зависимости от того, какая пара контактов находится в работе.

Двухступенчатые регуляторы напряжения (РР380) устанавливаются на автомобилях ВАЗ.

2. Коммутацией (замыканием и размыканием) цепи обмотки возбуждения генератора транзистором. Этот путь используется в контактно-транзисторных и бесконтактно-транзисторных регуляторах напряжения РР362, РР350, РР356 и др.

Принципиальная схема контактно-транзисторного регулятора напряжения показана на рис. 25. При замкнутых контактах выключателя зажигания ВЗ и разомкнутых контактах регулятора ток управления транзистором проходит от аккумуляторной батареи через переход эмиттер-база транзистора Т и резистор R6, При этом транзистор Т открывается и через него проходит ток в обмотку возбуждения ОВ генератора. Одновременно ток проходит и через обмотку ОРН регулятора напряжения.

При увеличении частоты вращения ротора напряжение генератора увеличивается и при напряжении, равном регулируемому, контакты регулятора замыкаются. При этом база транзистора соединяется с эмиттером, напряжение на эмиттерном переходе становится близким к нулю, а поэтому транзистор закроется. При закрытом транзисторе ток в цепи обмотки возбуждения будет проходить через резистор, что вызывает снижение силы тока в обмотке возбуждения, а следовательно, и снижение напряжения генератора. Контакты регулятора размыкаются и процесс повторяется.