СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ БОРТОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЯ

Полезная модель относится в автомобильной промышленности, в частности, к автоматическому регулированию напряжения в бортовой сети автомобиля.
Известно устройство для регулирования напряжения электрических машин описанное в Л.1. Система регулирования напряжения, содержащая потенциометр, установленный вертикально в корпусе системы, соленоид и катаракт, установленные вертикально и соосно в корпусе системы, нижний конец сердечника соленоида механически соединен с подвижным выводом потенциометра и через пружину - со штоком катаракта, первый вывод обмотки возбуждения генератора, второй вывод обмотки управления соленоида соединен со вторым выводом якоря генератора и с подвижным выводом потенциометра, неподвижный вывод которого соединен со вторым выводом обмотки возбуждения генератора, причем выводы якоря генератора являются выходом системы. Целью изобретения является повышение точности системы, для чего поршень катаракта выполнен в виде геометрической полости, а вес штока и поршня катаракта равен весу вытесняемой ими жидкости катаракта. Это устройство имеет существенный недостаток - низкую точность поддержания выходного напряжения из-за ограниченного и малого значения коэффициента усилия разомкнутой системы. Для статической системы регулирования ошибка замкнутой системы определяется ошибкой разомкнутой системы деленной на единицу плюс коэффициент усиления разомкнутой системы.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство опубликовано в (Л.2.), которое принято авторами за прототип. Измерительным элементом регулятора является делитель напряжения на резисторах, причем один из резисторов подбирается при настройке входной цепи. Элементом сравнения является стабилитрон, который включен в эммиттерную цепь входного транзистора, что увеличивает величину тока через стабилитрон и, следовательно, точность поддержания стабильности напряжения. Транзисторы входной и выходной являются регулирующим органом - при отклонении бортового напряжения от установленного значения изменяется напряжение коллектор-эмиттер и выходное напряжение изменяется с точностью до статизма. Выходной регулирующий транзистор - включен по схеме составного транзистора, что увеличивает как коэффициент усиления по току, так и мощность управления. При открытом входном транзисторе (выходное бортовое напряжение выше напряжения открывания стабилитрона) закрыт выходной составной транзистор, ток в обмотке возбуждения генератора понижается, и выходное напряжение генераторной установки понижается и устанавливается с точностью, определяемой коэффициентом усиления разомкнутой системы. Аналогично работает регулятор и при снижении бортового напряжения открывания стабилитрона. Устройство имеет ряд недостатков, одним из которых являются ограниченная и низкая точность поддержания, выходного напряжения бортовой генераторной установки автомобиля, что объясняется тем, что составной регулирующий транзистор имеет малый коэффициент усиления (порядка 10). Другим недостаткам устройства является ограниченная мощность составного транзистора, который регулирует ток в обмотке возбуждения бортового генератора.
Технический результат заключается в повышении точности поддержания бортового напряжения генераторной установки автомобиля, при одновременном уменьшении колебательности регулируемого выходного напряжения. Для достижения технического результата в систему регулирования бортового напряжения автомобиля содержащей аккумулятор, потенциометр, стабилитрон, релейный усилитель, усилитель мощности, вход которого соединен с выходом релейного усилителя, а в выходную цепь усилителя мощности включена обмотка возбуждения генератора, шунтированная диодом, причем стабилитрон через резистор подключен к выходному напряжению генераторной установки, дополнительно включен регулятор, выход которого связан с его входом последовательно соединенными резистором и емкостью и подключен к входу релейного усилителя, а вход регулятора подсоединен через резистор к средней точке потенциометра.
Предлагаемое устройство представлено на Рис.1, обозначения на котором соответствуют: 1 - регулятор напряжения; 2 - генератор; 3 - редуктор автомобиля; 4, 5, 6 - резисторы; 7 - конденсатор.
вых.г
вх.
вых.г
вых.г
δ
вых.г
Регулятор напряжения поддерживает напряжение бортовой сети U в заданных пределах во всех режимах работы при изменении частоты вращения ротора генератора, изменении регулятора 1 электрической нагрузки, колебаниях температуры окружающей среды. На вход через резисторы 5 и 6 соответственно подаются входное напряжение U. и часть выходного напряжения U (отрицательная) обратная связь по напряжению генератора. Выход регулятора 1 соединен со входом генератора автомобиля 2, вращающегося от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) через редуктор 3, в качестве которого в частности в автомобиле применяется ременная передача. Выход регулятора напряжения 1 соединен со входом через последовательно соединенные резистор 4 и конденсатор 7 (пропорционально-интегральный ПИ регулятор). При отклонении U от установленного значения появляется сигнал ошибки U на входе 1, что приводит к форсированному росту его выходного напряжения и восстановлении U с большой точностью, поскольку коэффициент усиления системы весьма велик за счет ПИ-регулятора. Регулятор 1 компенсирует постоянную времени генераторной установки, введением в закон управления интегральной составляющей.
вых.г.
Напряжение генератора определяется тремя факторами - частотой вращения ротора, силой тока, отдаваемой генератором в нагрузку и величиной магнитного потока, создаваемой током обмотки возбуждения. Чем выше частота вращения ротора и меньше нагрузка на генератор, тем выше напряжение генератора. Увеличение силы тока в обмотке возбуждения увеличивает магнитный поток и с ним напряжение генератора. Снижение тока возбуждения генератора уменьшает его выходное напряжение. Регулятор напряжения стабилизируют напряжение бортовой сети изменением тока возбуждения генераторной установки. Если напряжение бортовой сети возрастает или уменьшается, регулятор соответственно уменьшает или увеличивает ток возбуждения генератора и U устанавливается в бортовой сети с точностью определяемой коэффициентом усиления разомкнутой системы.
вых.
dG
A
x
dG
max
d
На Рис.2 приведена принципиальная электрическая схема системы регулирования бортового напряжения автомобиля. Система выполнена по блочной схеме: регулятор напряжения - релейный усилитель - усилитель мощности. В качестве регулятора напряжения использован операционный усилитель 1040УД1, усилитель мощности выполнен на базе N - канального транзистора КП520 с выходным током I=9,2 A. Для создания пути протекания тока от действия ЭДС самоиндукции обмотки возбуждения LM эта обмотка шунтирована диодом VD2. Опорное напряжение, VD1, настраиваемый делителем напряжения R3-R4-R5 с лазерной подрегулировкой резистора. На регулятор выпрямленное напряжение генератора U подается посредством делителя напряжения R1-R2. Регулятор напряжения получает питание от аккумуляторной батареи (±U) подзаряжаемой от генератора. Отличительной особенностью регулятора напряжения является использование операционного усилителя, 1040УД1 с большим коэффициентом усиления, в одном корпусе которого выполнены регулятор и релейный усилитель. При начальной частоте вращения генератора при работе на холостом ходу со скоростью n=1000 об/мин выходное напряжение генератора после его выпрямления достигает U=14,5 В. При увеличении частоты вращения генератора до значения n=6000 об/мин бесконтактный регулятор напряжения поддерживает на уровне выпрямленное напряжение U за счет уменьшения тока возбуждения в обмотке возбуждения LM генератора релейным образом.
B
B
Проведем синтез регулятора напряжения, считая, что генератор является апериодическим звеном с постоянной времени обмотки возбуждения  (L, R - соответственно индуктивность и омическое сопротивление обмотки возбуждения LM генератора). Настраивая систему на оптимум по модулю ОМ имеем:
Г
per(p)
где К - коэффициент усиления генератора; W - передаточная функция регулятора напряжения.
m
B
Выполняя при настройке малую постоянную времени Т=T имеем для этого варианта использование в качестве регулятора напряжения интегрального (И) регулятора с передаточной функцией
dc экв
Реализация этого регулятора представляется регулятором 1 (Рис.1), причем значение резистора равно нулю. Если же учитывать в генераторе также и эквивалентную постоянную времени продольно-поперечной осей T, и выполнять настройку системы на оптимум по модулю, то в качестве регулятора будет применяться пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор, поскольку передаточные функции имеют вид
m
B
m
B
Выбирая малую постоянную времени Т равной постоянной времени Т обмотки возбуждения Т=Т имеет параметры регулятора
dc.экв
Реализация этого регулятора представлена на Рис.1, причем постоянная времени T определяется произведением резистора 4 на емкость 7.
Произведем оценку показателей точности поддержания выходного напряжения бортовой сети автомобиля в предлагаемой системе.
рс
зс
р
зс
р
p
r
oy1
oy1
oy1
r
Считая с известным приближением систему управления линейной и используя связь ошибок разомкнутой системы Δ% с ошибками замкнутой системы Δ% имеем , где К - коэффициент усиления разомкнутой системы. По этому соотношению можно определить относительную ошибку Δ% поддержания выпрямленного выходного напряжения генератора. Коэффициент усиления разомкнутой системы К равный произведению K=KK (K - коэффициент усиления операционного усилителя K≈50000÷100000; К - коэффициент усиления автомобильного генератора).
mах
pc
зс
Находясь в рамках линейной теории управления, будем иметь при работе генератора в области частот вращения до +n относительную ошибку работы разомкнутой системы Δ%≅600%. Используя соотношение ошибок разомкнутой и замкнутой систем, имеет относительную ошибку поддержания выпрямленного выходного напряжения генератора по данной схеме менее Δ%≅0,012%.
Система регулирования бортового напряжения автомобиля на базе вентильного генератора переменного тока с клювообразным ротором отличается высокими, надежностными и точностными показателями, причем последнее объясняется применением в качестве регуляторов напряжения интегральных и пропорционально-интегральных законов управления, реализованных на современных элементах полупроводниковой электронной техники. Эти результаты достигаются тем, что в устройстве компенсируется постоянная времени генераторной установки, введением в закон управления интегральной составляющей, существенным увеличением коэффициента усиления системы регулирования.
Литературные источники:
Л.1. Ф.М.Музычук. Авторское свидетельство «Система регулирования напряжения». SU 1809419 А1. МКИ G05В 11/01. Бюллетень изобретений №14 за 1993 г.
Л.2. Ю.П.Чижков, С.В.Акимов, «Электрооборудование автомобилей». Учебник для ВУЗов, 1999 г.