РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ
Напряжение генераторов постоянного и переменного тока зависит от частоты вращения ротора, значения отдаваемого тока, магнитного потока возбуждения, сопротивления обмотки якоря (у генератора постоянного тока) и полного сопротивления обмотки статора (у генераторов переменного тока).
•Если учитывать (при грубом приближении) только основные факторы, то можно считать, что
Таким образом, для обеспечения постоянства напряжения генератора при изменении частоты вращения ротора необходимо обратно пропорционально частоте изменять магнитный поток. Так как магнитный поток определяется силой тока возбуждения, регулирование напряжения осуществляется периодическим включением в цепь возбуждения генератора и отключением из этой цепи добавочного резистора с постоянным сопротивлением. В настоящее время применяются вибрационные и полупроводниковые регуляторы напряжения.
Вибрационный регулятор напряжения. Вибрационный регулятор (рис. 18,а) имеет добавочный резистор Rд, который включается последовательно с обмоткой возбуждения ОВ. При замыкании контактов 4, один из которых неподвижен, а другой расположен на якорьке 3, добавочный резистор замкнут накоротко. Основная обмотка ОО регулятора, намотанная на сердечнике 5, включена на полное напряжение генератора. Пружина 2 оттягивает якорек вверх, удерживая контакты в замкнутом состоянии. При этом обмотка возбуждения ОВ через контакты, якорек и ярмо 1 подключена, минуя добавочный резистор.
При неработающем генераторе в основной обмотке 00 регулятора тока нет и контакты под действием пружины замкнуты. С увеличением частоты вращения сила тока возбуждения генератора и его напряжение растут. При этом увеличивается сила тока основной обмотки 00 регулятора и намагничивание сердечника. Пока напряжение генератора меньше установленной величины, силы магнитного притяжения якорька к сердечнику недостаточно для преодоления силы натяжения пружины и контакты регулятора остаются замкнутыми, а ток в обмотку возбуждения проходит, минуя добавочный резистор.
При дальнейшем увеличении напряжения генератора наступает такой момент, когда сила магнитного притяжения якорька к сердечнику преодолевает силу натяжения пружины и контакты регулятора размыкаются. Вследствие этого в цепь обмотки возбуждения включается добавочный резистор, и напряжение генератора резко падает.
Уменьшение напряжения приводит к уменьшению тока в обмотке регулятора напряжения и, следовательно, силы притяжения якорька к сердечнику. В результате контакты регулятора вновь замыкаются, а затем при увеличении напряжения генератора размыкаются.
Описанный процесс периодически повторяется. В результате этого возникают пульсации напряжения (рис. 18, б). Среднее значение напряжения Uср, измеряемое вольтметром, определяет регулируемое напряжение генератора. С увеличением частоты вращения увеличивается время разомкнутого состояния tр и уменьшается время замкнутого состояния t3. Это приводит к уменьшению тока возбуждения IB (рис. 19).
Напряжение генератора, поддерживаемое регулятором, зависит от силы натяжения пружины. Изменением силы натяжения пружины осуществляется регулировка напряжения генераторной установки.
Уменьшение пульсаций напряжения происходит следующим образом. Пульсации напряжения генератора зависят от частоты колебаний якорька регулятора. Чтобы пульсации напряжения не оказывали влияния на работу потребителей, якорек регулятора должен колебаться с частотой не менее 30 Гц. Кроме того, с увеличением частоты колебаний якорька уменьшается износ контактов.
Частоту колебаний повышают применением специальных ускоряющих обмоток, которые наматывают на сердечник регулятора, или ускоряющих резисторов. Наиболее часто применяют схему вибрационного регулятора напряжения с ускоряющим резистором (рис. 20). Здесь основная обмотка 00 регулятора подключается к генератору через ускоряющий резистор Rу, который включен последовательно с резистором Rд. Резистор Rу также является добавочным в цепи обмотки возбуждения генератора. Таким образом, напряжение на обмотке регулятора равно разности между напряжением генератора и падением напряжения в ускоряющем резисторе.
Ускоряющее действие резистора Rу заключается в следующем.При замкнутых контактах регулятора через ускоряющий резистор походит ток только обмотки регулятора, величина которого составляет доли ампера. Напряжение, приложенное к обмотке регулятора, почти равно напряжению генератора, так как падение напряжения в ускоряющем резисторе очень незначительно.
При размыкании контактов ток возбуждения генератора, который вследствие явления самоиндукции не может изменяться скачком, в первый момент сохраняет свою величину и направление. Ток возбуждения проходит по ускоряющему резистору, что приводит к резкому увеличению падения напряжения на нем и резкому уменьшению напряжения на обмотке регулятора. Скачкообразное уменьшение напряжения в основной обмотке 00 регулятора в момент размыкания контактов резко уменьшает в ней ток, а следовательно, и силу притяжения якоря регулятора к сердечнику. Благодаря этому контакты быстро замыкаются вновь. В результате частота колебаний якоря увеличивается до 150—250 Гц и, следовательно, уменьшается пульсация напряжения. При применении ускоряющих устройств возникает отрицательное явление, связанное с увеличением напряжения генератора при увеличении частоты вращения ротора. Возрастание напряжения с увеличением частоты вращения ротора предотвращается при помощи выравнивающих обмоток или выравнивающих резисторов.
Для стабилизации напряжения наибольшее распространение получили схемы с выравнивающими обмотками (рис. 21).
Выравнивающую обмотку ВО включают в цепь через контакты регулятора последовательно с обмоткой возбуждения ОВ генератора. Ее наматывают на сердечник таким образом, чтобы ее магнитный поток противодействовал магнитному потоку основной обмотки 00 регулятора. Магнитный поток, создаваемый выравнивающей обмоткой, значительно меньше магнитного потока, создаваемого основной обмоткой регулятора.
При увеличении частоты вращения ротора в результате увеличения времени разомкнутого состояния контактов уменьшается сила тока не только в основной, но и в выравнивающей обмотке. Поэтому уменьшение магнитного потока, создаваемого основной обмоткой, сопровождается таким же по величине уменьшением магнитного потока, создаваемого выравнивающей обмоткой, и результирующий магнитный поток почти не изменяется. В результате размыкание контактов регулятора происходит независимо от частоты вращения ротора при напряжении, установленном регулировкой.
Рабочая температура регулятора меняется в значительных пределах (от -50 до +125 °С). Сопротивление основной обмотки регулятора напряжения, выполняемой из меди, изменяется от температуры (возрастает на 40% при нагреве обмотки на 100 °С). Поэтому при повышении температуры основной обмотки уменьшается ток в ней и, следовательно, магнитный поток. В результате регулятор начинает работать при напряжении, большем того, на которое он отрегулирован.
Температурная компенсация осуществляется следующим образом.
Для уменьшения влияния температуры на работу вибрационного регулятора последовательно основной обмотке регулятора, которую выполняют с меньшим сопротивлением, включают добавочный резистор из нихрома или константана. Сопротивление этих материалов практически не* меняется от температуры. В результате суммарное изменение сопротивления цепи основной обмотки регулятора от температуры в несколько раз уменьшится. Таким образом, возрастание регулируемого напряжения составит примерно 10% при нагреве на 100 °С. В ряде регуляторов роль термокомпенсационного резистора выполняет ускоряющий резистор.
Для более полной термокомпенсации вместе с резистором применяют биметаллическую пластину, на которой подвешивают якорек регулятора. Биметаллическая пластина имеет два слоя. Материалы слоев обладают резко отличающимися коэффициентами теплового расширения.
Биметаллическую пластину приклепывают к якорьку и закрепляют на ярме регулятора. При этом слой материала с малым коэффициентом температурного расширения обращен к сердечнику. При повышении температуры пластина изгибается и создает усилие, направленное против усилия пружины, и таким образом способствует вступлению регулятора в работу при меньшем напряжении. Таким образом и обеспечивается температурная компенсация.
Для термокомпенсации применяют также магнитные шунты. Магнитный шунт МШ (см. рис. 26) представляет собой пластину из железоникелевого или иного термомагнитного сплава с магнитным сопротивлением, увеличивающимся при повышении температуры. Пластина закреплена в верхней части регулятора между сердечником и ярмом параллельно якорьку.
При повышении температуры магнитное сопротивление шунта возрастает. При низких температурах магнитное сопротивление шунта мало, и часть магнитного потока сердечника, минуя якорек, замыкается через магнитный шунт. Таким образом компенсируется изменение магнитного потока, возникающее в результате изменения сопротивления основной обмотки регулятора от температуры. Применение магнитного шунта исключает необходимость в термокомпенсационном резисторе и биметаллической пластине.
Недостатки вибрационных регуляторов состоят в следующем. Вибрирующие контакты и пружины являются основным недостатком вибрационных регуляторов, затрудняющим их настройку и повышающим чувствительность к вибрации. В результате изменения характеристик пружин вибрационные устройства подвержены разрегулировкам.
Обычный вибрационный регулятор напряжения может применяться с генераторами, у которых сила тока возбуждения не более 1,5—1,8 А. При больших значениях силы тока значительно сокращается срок службы контактов.
Особенно сказываются недостатки вибрационных регуляторов при работе с генераторными установками переменного тока, у которых сила тока возбуждения значительно больше, чем у генераторов постоянного тока. Чтобы получить возможность использовать вибрационный регулятор с мощными генераторами, применяют следующие способы. Часто используют не один, а два регулятора напряжения. Для этого обмотку возбуждения генератора разделяют на две одинаковые по своим параметрам и параллельно включенные ветви. Сила тока каждой ветви регулируется своим регулятором. При этом сила тока, разрываемого контактами, уменьшается вдвое.
Для уменьшения силы тока разрыва применяют также двухступенчатое регулирование напряжения. Двухступенчатый регулятор напряжения имеет две пары контактов и добавочный резистор с меньшим сопротивлением. Подробно работа двухступенчатого регулятора рассмотрена на конкретном примере. Недостатки вибрационных регуляторов вызвали в последние годы применение с мощными генераторами полупроводниковых регуляторов напряжения.
Полупроводниковые регуляторы напряжения. В полупроводниковых регуляторах сила тока возбуждения регулируется при помощи транзисторов, эмиттерноколлекторная цепь которого включена последовательно с обмоткой возбуждения генератора.
Транзистор работает аналогично контактам вибрационного регулятора. При повышении напряжения генератора выше заданного уровня транзистор переключается в закрытое состояние (разомкнутые контакты). При понижении уровня регулируемого напряжения транзистор переключается в открытое состояние (замкнутые контакты). В состоянии «открыт» сопротивление транзистора составляет доли ома, в состоянии «закрыт» — бесконечно большое значение. Полупроводниковые регуляторы напряжения могут выполняться контактно-транзисторными и бесконтактными.
Контактно-транзисторный регулятор (рис. 22) содержит в своей схеме вибрационное реле, управляющее транзистором Т.
Работает регулятор следующим образом. До момента достижения генератором регулируемого значения напряжения Ur силы тока обмотки вибрационного реле недостаточно, чтобы контакты замкнулись. При этом транзистор открыт, так как через него протекает ток базы по цепи: «плюс» генератора, переход эмиттер-база, резистор Rб, корпус генератора.
Через обмотку возбуждения ОВ в этом случае протекает полный ток возбуждения, и напряжение генератора возрастает с возрастанием частоты вращения ротора. Полное отпирание транзистора осуществляется подбором сопротивления резистора Rб.
При достижении напряжением генератора регулируемого значения ток в основной обмотке OO реле достигает значения, при котором реле срабатывает. При замкнутых контактах потенциалы базы и эмиттера становятся равными, так как контакты шунтируют переход эмиттер — база. Вследствие этого ток базы становится равным нулю, что приводит к запиранию транзистора.
В результате запирания транзистора ток возбуждения, поддерживаемый э.д.с. самоиндукции обмотки возбуждения, протекая через гасящий диод Дr, уменьшается. При этом уменьшается напряжение генератора Ur, контакты реле размыкаются, и транзистор открывается. Затем процесс повторяется.
Гасящий контур, выполняемый обычно в виде диода Дr, является обязательным элементом любого транзисторного регулятора. Если бы его не было, э.д.с. самоиндукции обмотки возбуждения, возникающая в момент закрытого состояния транзистора и достигающая несколько сотен вольт, могла бы вызвать пробой коллекторного перехода и отказ транзистора в работе.
В контактно-транзисторном регуляторе напряжения через контакты протекает незначительный ток, благодаря чему увеличивается срок их службы. Однако надежность работы регулятора по-прежнему определяется усталостной прочностью и возможной разрегулировкой пружины. Указанный недостаток исключен в бесконтактных схемах регулирования напряжения.
Бесконтактный регулятор напряжения (рис. 23) содержит транзистор T1, который выполняет функции контактов в контактно транзисторном регуляторе. Управление транзистором T1 осуществляется резисторами R1, R2 и стабилитроном Д1.
При напряжении генератора меньше регулируемого значения напряжение на резисторе R1, включенном параллельно стабилитрону Д1, меньше значения, соответствующего пробою стабилитрона. Стабилитрон при этом не проводит ток. следовательно, ток базы транзистора T1 равен нулю. Транзистор T1 при этом закрыт, что соответствует разомкнутому состоянию контактов, а транзистор Т2 открыт.
При достижении генератором уровня напряжения, соответствующего регулируемому значению, напряжение на резисторе R1 повышается до значения, при котором стабилитрон пробивается, т. е. его сопротивление в обратном направлении резко уменьшается. В результате возникает ток базы транзистора T1, протекающий по цепи: «плюс» генератора, переход эмиттер — база транзистора T1, стабилитрон Д1, резистор R2, «минус» генератора. Транзистор T1 при этом открывается, что соответствует замкнутому состоянию контактов, транзистор Т2 запирается, а ток возбуждения и напряжение генератора уменьшаются. Вследствие этого напряжение на стабилитроне снижается ниже напряжения стабилизации, и он запирается, прерывая ток базы транзистора T1. Транзистор T1 запирается, а транзистор Т2 переключается в открытое состояние и т. д. Соотношение сопротивлений резисторов R1 и R2 определяет уровень регулируемого напряжения.
Схемы бесконтактных регуляторов, применяемых на практике, имеют ряд дополнительных элементов, улучшающих рабочие характеристики. Назначение дополнительных элементов рассмотрено на примерах схем конкретных регуляторов.