Регулятор напряжения как работает

Реле-регулятор напряжения генератора: строение, функции и проверка

Реле-регулятор напряжения генератора. Такое сложное, на первый взгляд, название имеет совсем небольшой компонент генератора автомобиля или мотоцикла и чей выход из строя может стать причиной целого ряда проблем. Вот например: недозаряд или же перезаряд аккумулятора. Подобное может возникнуть по множеству причин, но в большинстве случаев виновником проблемы является вышедшее из строя реле генератора (так его обычно называют). Давайте разберемся, что же представляет собой реле генератора, как данный компонент подключается к бортовой сети транспортного средства, как его проверить и в случае нужды заменить.

Базовые понятия

Реле-регулятор, являющийся важной частью бортовой электросети, ответственно за регулирование тока, вырабатываемого генератором транспортного средства. За счет работы реле предотвращается перезаряд аккумулятора, что является для него губительным. Сведущие в электротехнике авто и мотолюбители заметят: согласно описанию это обычный стабилизатор напряжения! По сути, это он и есть. Но давайте немного разберемся с генераторами.

По сути, генератор как постоянного, так и переменного тока являются электромашиной, преобразующей в электрический ток механическую энергию. Сегодня более распространены генераторы переменного тока, так как они не используют токосъемные щетки , имеющие тенденцию к пригоранию или сильной деформации по ходу эксплуатации устройства. Выходное напряжение генераторов обоих типов зависит от скорости, с которой внутри него вращается магнитное поле, и от магнитной силы. На обмотку возбуждения таких генераторов изначально подается т.н. ток возбуждения, за счет которого наводится магнитная индукция. Силу этого тока нужно регулировать. В определенный момент на обмотку возбуждения нужно перестать подавать питание – еще один момент, за которым необходимо проследить. Далее, так как в генераторах переменного тока положение полюсов «+» и «—» постоянно изменяется, ток нужно выпрямлять. За это ответственен диодный мостик, однако диапазон выходных напряжений может быть довольно широким. И вот теперь можно выделить основные задачи реле-регулятора генератора:

• Выдержка диапазона напряжений (13,5 – 14,5 Вольт) в сети автомобиля или мотоцикла, а также на клеммах их аккумулятора;
• Регулировка тока возбуждения;
• Прекращение подачи питания от аккумулятора к обмотке возбуждения.

По сути, реле генератора «следит» за выходным напряжением и силой тока, от которого питается обмотка напряжения. Как только выходное напряжение становится слишком большим, реле уменьшает силу тока возбуждения . Если ситуация обратная и напряжение генератора уменьшилось, следует повышение тока на возбуждающую обмотку. Так происходит множество раз, причем стабилизация длится долю секунды. Таким образом реле обеспечивает и нормальную работу генератора, который теперь дает оптимальное напряжение для электроприемников (магнитолы, например), и экономит ресурс аккумуляторной батареи, также предотвращая ее выход из строя вследствие подзарядки слишком большим током.

Типы реле-регуляторов

Современные реле-регуляторы не используют электромагнитные реле в качестве базы – они полностью полупроводниковые. Использование полупроводников сделало устройство и надежным, и очень компактными, однако свело практически на нет его ремонтопригодность. Типов реле-регулятора довольно много, но существенным является одно: принципиальных отличий между реле разных типов нет. Стоит выделить два типа:

• Встроенное. Иногда реле такого типа называют «шоколадкой». Находится внутри генератора и совмещено с щеточным узлом;
• Вынесенное. Крепится на автомобильном кузове.

Запчасти на Mazda 2

2 hatchback (DE) (06.07 — 06.15)

Принцип работы реле-регулятора напряжения генератора

Если возникли перебои с работой аккумулятора, нужно обратить внимание на исправность реле.

В автомастерской диагностику реле проведут в течение нескольких минут и устранят все поломки.

Принцип работы

Реле-регулятором называют устройство, которое регулирует напряжение в системах автомобиля. Если напряжение поднимется выше нормы, регулятор его уменьшит. А если уровень опуститься ниже нормы, устройство его увеличит.

При повышении напряжения до 14,2-14,5 В, регулятор полностью отключится и сохранит все системы авто от перегрева. Если напряжение в системах автомобиля поднимается выше установленного уровня, то электролит будет закипать и улетучиваться. При этом на аккумуляторе появится белый налет.

Типы релейных регуляторов

Регуляторы делятся на комбинированные и отдельные

Комбинированное устройство имеет щеточный узел в крышке генератора.

Симптомы поломки реле:

• Не загорается или не гаснет индикатор.
• В темноте изменяется уровень освещения.
• Машина не заводится с первого раза.
• Не горит приборная панель.
• Двигатель теряет мощность.

Проверка реле

Проверку устройства-регулятора делают с помощью мультиметра или вольтметра, измеряя уровень напряжения на выводах.

Пошаговая проверка:

• Прибор устанавливают в режим измерения до 20 В.
• Запускается двигатель на холостой ход.
• Измеряем уровень напряжения на выводах батареи. В норме при вращении двигателя 1000-1500 об/мин. вольтметр должен показать 13,5-14 В.

Постепенно увеличиваем обороты двигателя до 2000-2500 об/мин. Прибор должен показать 13,6-14,2 В. Увеличиваем обороты до 3,5 тыс. об/мин. Вольтметр должен показать не больше 14,5 В. При больших или меньших показателях вольтметра регулятор нужно менять. Проверка комбинированного реле проводится более сложно.

Опытные мастера в автомастерской быстро сделают диагностику и замену любого неисправного реле. Стоит ремонт по замене регулятора недорого.

Автосервис «СтартерЕКБ» специализируется в Екатеринбурге на ремонте стартеров для иномарок более 10 лет. Здесь можно посмотреть cхему проезда и контакты.

Автоматические регуляторы напряжения генераторов

Автоматические регуляторы напряжения (AVR) – устройства, предназначенные для обеспечения стабильных показателей выходного напряжения при изменяющихся нагрузках и условиях эксплуатации. Они надежно защищают потребителей электроэнергии от скачков напряжения, которые происходят при изменении частоты вращения ротора генератора, температуры окружающей среды, количества потребителей. Регуляторы напряжения всегда присутствуют в конструкциях бесщеточных генераторов.

Назначение

Щеточные генераторы отличаются сложной конструкцией, в которой имеются статор, ротор, угольные щетки. В мощных генераторных установках в основном используются бесщеточные синхронные генераторы (СГ), в которых для запитывания обмотки возбуждения (ОВ) и стабилизации вырабатываемого напряжения ранее применялись различные устройства. Сегодня наиболее популярны электронные автоматические регуляторы.

Автоматический регулятор адаптивно регулирует ток, направляемый в обмотку возбуждения синхронного генератора, благодаря чему на выходе генераторной установки (ГУ) выдается напряжение со стабильными параметрами. Регуляторы AVR также защищают генераторы от перегрузок и минимально допустимого снижения частоты. Электронные регуляторы позволяют совместно эксплуатировать несколько СГ сходной мощности, соединяемых между собой параллельно.

Автоматический регулятор напряжения AVR в бесщеточных генераторах является одним из наиболее важных компонентов, от качества функционирования которого зависит качество работы всей системы.

Принцип действия AVR

AVR – конструктивно сложный блок, подключаемый к обмотке возбуждения и основной обмотке статора, который обеспечивает качественное функционирование ГУ и запитанных от нее электроприборов, благодаря:

• контролю частоты выходного тока;
• при критически низкой частоте – снижению или полному выключению подачи напряжения на обмотку возбуждения;
• при плановой или аварийной остановке генератора – обесточиванию ОВ.

Критически низким порогом частоты, при котором прекращается питание обмотки возбуждения, в заводских настройках обычно устанавливается значение в 45 Гц. Нормальное отклонение выходного напряжения от номинального значения – до 5 %.

Автоматический регулятор работает следующим образом – он адаптивно изменяет значение тока (увеличивает его или уменьшает) в обмотке возбуждения, что позволяет:

• стабилизировать величину напряжения на выходе до требуемой величины;
• свести к минимуму колебания параметров тока, вырабатываемого генераторной установкой в рабочем режиме;
• оперативно достигнуть требуемых характеристик тока после запуска генератора;
• перевести генераторную установку с одного рабочего режима на другой с плавным изменением напряжения;
• корректно отключить генератор в нештатной ситуации;
• подключить параллельно к генератору другое энергетическое оборудование.

При сходном принципе работы автоматические регуляторы напряжения, выпущенные разными производителями, существенно отличаются друг от друга внешним и схемотехническим решением. AVR производят для работы с определенными моделями генераторов или они могут иметь универсальное исполнение. Ранее регуляторы представляли собой автономные устройства, помещаемые в корпус. Сегодня чаще всего их выпускают в виде платы, которая устанавливается в блок возбуждения генератора. Вся электросхема на регуляторе при этом заливается специальной смолой – компаундом, что защищает АРН от выхода из строя от вибрации, а так же защищает его детали от воздействий повышенной влажности и пыли.

Техническая реализация

По своей конструкции AVR разделяют на следующие типы:

Параметры выбора AVR

От правильности выбора модели AVR зависит сохранность электрооборудования, запитанного от генератора, и самой ГУ. При покупке подходящего автоматического регулятора напряжения для конкретной области применения учитывают:

• по числу контролируемых фаз – однофазные и трехфазные.
• максимальное значение тока.
• эксплуатационные условия.
• По напряжению на входе питания.
• По напряжению на выходе возбуждения.

Популярные модели AVR и области их применения

Производители предлагают широкий перечень моделей AVR и их модификаций, используемых в различных областях.

Устройство автомобилей

Генераторная установка предназначена для обеспечения питанием потребителей, входящих в систему электрооборудования автомобиля, и зарядки аккумуляторной батареи при работающем двигателе. Выходные параметры генератора должны быть таковы, чтобы в любых режимах движения автомобиля и работы двигателя не происходил прогрессивный разряд аккумуляторной батареи или ее перезаряд, а питание потребителей осуществлялось напряжением и током требуемой величины.
Кроме того, напряжение в бортовой сети автомобиля, питаемой генераторной установкой, должно быть стабильно в широком диапазоне изменения частоты вращения и нагрузок.

ЭДС индукции в соответствии с законом Фарадея, зависит от скорости перемещения проводника в магнитном поле и величины магнитного потока:

где с — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции генератора;
ω — угловая скорость ротора (якоря) генератора:
Ф — магнитный поток возбуждения.

Поэтому напряжение, вырабатываемое генератором, зависит от частоты вращения его ротора и интенсивности магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения. В свою очередь мощность магнитного потока зависит от величины тока возбуждения, который изменяется пропорционально частоте вращения ротора, поскольку ротор выполнен в виде вращающегося электромагнита.
Кроме того, ток, поступающий в обмотку возбуждения, зависит от величины нагрузки, отдаваемой в данный момент потребителям бортовой сети автомобиля. Чем больше частота вращения ротора и ток возбуждения, тем большее напряжение вырабатывает генератор, чем больше ток нагрузки, тем меньше генерируемое напряжение.

Пульсация напряжения на выходе из генератора недопустима, поскольку это может привести к выходу из строя потребителей бортовой электрической сети, а также перезаряду или недозаряду аккумулятора. Поэтому использование на автомобилях в качестве источника электроэнергии генераторных установок обусловило использование специальных устройств, поддерживающих генерируемое напряжение в приемлемом для работы потребителей диапазоне. Такие устройства называются реле-регуляторы напряжения.
Функцией регулятора напряжения является стабилизация вырабатываемого генератором напряжения при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя и нагрузки в бортовой электросети.

Наиболее просто контролировать величину вырабатываемого генератором напряжения изменением величины тока в обмотке возбуждения, регулируя тем самым мощность создаваемого обмоткой магнитного поля. Можно было бы использовать в качестве ротора постоянный магнит, но управлять магнитным полем такого магнита сложно, поэтому в генераторных установках современных автомобилей применяются роторы с электромагнитами в виде обмотки возбуждения.

На автомобилях для регулирования напряжения генератора применяются регуляторы напряжения дискретного типа, в основу работы которых положен принцип действия различного рода реле. По мере развития электротехники и электроники, регуляторы генерируемого напряжения претерпели существенную эволюцию, от простых электромеханических реле, называемых вибрационными регуляторами напряжения, до бесконтактных интегральных регуляторов, в которых полностью отсутствуют подвижные механические элементы.

Вибрационный регулятор напряжения

Рассмотрим работу регулятора на примере простейшего вибрационного (электромагнитного) регулятора напряжения.
Вибрационный регулятор напряжения (рис. 1) имеет добавочный резистор R_о, который включается последовательно в обмотку возбуждения ОВ. Величина сопротивления резистора рассчитана так, чтобы обеспечить необходимое напряжение генератора при максимальной частоте вращения. Обмотка регулятора ОР, намотанная на сердечнике 4, включена на полное напряжение генератора.

При неработающем генераторе пружина 1 оттягивает якорь 2 вверх, удерживая контакты 3 в замкнутом состоянии. При этом обмотка возбуждения ОВ через контакты 3 и якорь 2 подключена к генератору, минуя резистор R_о.

С увеличением частоты вращения ток возбуждения работающего генератора и его напряжение растут. При этом увеличивается сила тока в обмотке регулятора и намагничивание сердечника. Пока напряжение генератора меньше установленного значения, силы магнитного притяжения якоря 2 к сердечнику 4 недостаточно для преодоления силы натяжения пружины 1 и контакты 3 регулятора остаются замкнутыми, а ток в обмотку возбуждения проходит, минуя добавочный резистор.

При достижении напряжения генератора значения размыкания U_р сила магнитноо притяжения якорька к сердечнику преодолевает силу натяжения пружины и контакты регулятора напряжения размыкаются. При этом в цепь обмотки возбуждения включится добавочный резистор, и ток возбуждения, достигший к моменту срабатывания реле значения I_р, начнет падать.
Уменьшение тока возбуждения влечет за собой уменьшение напряжения генератора, а это, в свою очередь, приводит к уменьшению тока в обмотке ОР. Когда напряжение уменьшится до значения замыкания U_з, сила натяжения пружины преодолеет силу магнитного притяжения якоря к сердечнику, контакты вновь замкнутся, и ток возбуждения увеличится. При работающем двигателе и генераторе этот процесс периодически повторяется с большой частотой.
В результате происходит пульсация напряжения генератора и тока возбуждения. Среднее значение напряжения U_ср определяет напряжение генератора. Очевидно, что это напряжение зависит от силы натяжения пружины реле, поэтому изменяя натяжение пружины можно регулировать напряжение генератора.

В конструкцию вибрационных регуляторов (рис. 1, а) входит ряд дополнительных узлов и элементов, назначение которых — обеспечить повышение частоты колебания якоря с целью уменьшения пульсации напряжения (ускоряющие обмотки или резисторы), уменьшение влияния температуры на величину регулируемого напряжения (добавочные резисторы из тугоплавких металлов, биметаллические пластины, магнитные шунты), стабилизацию напряжения (выравнивающие обмотки).

Недостатком вибрационных регуляторов напряжения является наличие подвижных элементов, вибрирующих контактов, которые подвержены износу, и пружины, характеристики которой в процессе эксплуатации меняются.
Особенно сильно эти недостатки проявились в генераторах переменного тока, у которых ток возбуждения почти в два раза больше, чем в генераторах постоянного тока. Использование раздельных ветвей питания обмотки возбуждения и двухступенчатых регуляторов напряжения с двумя парами контактов не решали проблему полностью и приводили к усложнению конструкции регулятора, поэтому дальнейшее совершенствование шло, прежде всего, по пути широкого использования полупроводниковых приборов.
Сначала появились контактно-транзисторные конструкции, а затем и бесконтактные.

Контактно-транзисторные регуляторы напряжения являются переходной конструкцией от механических регуляторов к полупроводниковым. При этом транзистор выполнял функцию элемента, прерывающего ток в обмотку возбуждения, а электромеханическое реле с контактами управляло работой транзистора. В таких регуляторах напряжения сохранялись электромагнитные реле с подвижными контактами, однако, благодаря использованию транзистора ток, протекающий через эти контакты, удалось значительно уменьшить, увеличив тем самым срок службы контактов и надежность работы регулятора.

В полупроводниковых регуляторах ток возбуждения регулируется с помощью транзистора, эмиттерно-коллекторная цепь которого включена последовательно в обмотку возбуждения.
Транзистор работает аналогично контактам вибрационного регулятора. При повышении напряжения генератора выше заданного уровня транзистор запирает цепь обмотки возбуждения, а при снижении уровня регулируемого напряжения транзистор переключается в открытое состояние.

Электронные регуляторы изменяют ток возбуждения путем включения и отключения обмотки возбуждения от питающей сети (дополнительных диодов).
С увеличением частоты вращения ротора напряжение генератора повышается. Когда оно начинает превышать уровень 13,5…14,2 В, выходной транзистор в регуляторе напряжения запирается, и ток через обмотку возбуждения прерывается.
Напряжение генератора падает, транзистор в регуляторе отпирается и снова пропускает ток через обмотку возбуждения.

Чем выше частота вращения ротора генератора, тем больше время запертого состояния транзистора в регуляторе, следовательно, тем сильнее снижается напряжение генератора.
Этот процесс запирания и отпирания регулятора происходит с высокой частотой. Поэтому колебания напряжения на выходе генератора незначительны, и практически можно считать его постоянным, поддерживаемым на уровне 13,5…14,2 В.

Конструктивно регуляторы напряжения могут выполняться в виде отдельного прибора, устанавливаемого раздельно с генератором, или интегральными (интегрированными), устанавливаемыми в корпусе генератора. Интегральные регуляторы напряжения обычно объединяются с щеточным узлом генератора.

Ниже приведены принципиальные схемы подключения и работы полупроводниковых регуляторов напряжения различных типов и конструкций.