Регулятор напряжения для электрических машин Советский патент 1982 года по МПК H02P9/30 

(54) РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

МАШИН

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования тока возбуждения электрических машин, преимущественно для автотракторных генераторных установок.

Известны регуляторы напряжения Для электрических машин, содержашие последовательно соединенные между собой измерительный орган, промежуточный усилитель и усилитель мощности, соединенный последовательно с аккумуляторной батареей 1.

Недостатком данного регулятора является низкий КПД и невысокое качество регулирования напряжения. Это вызвано тем, что усилитель генератора не имеет внутренней положительной обратной связи, форсирующей переключение транзисторов, это приводит к плохим фронтам переключения и значительным потерям на транзисторах. Кроме того, частота коммутации транзисторов меняется в зависимости от режима работы генератора.

Известны регуляторы напряжения для электрических машин, которые в своем составе содержат генератор тактовых импульсов, задающий постоянную частоту переключений а усилитель мощности выполнен на

транзисторном ключе с токовой положительной обратной связью, выполненной на специальном трансформаторе 2.

Недостатком этого устройства является конструктивная сложность и необходимость

использования трансформатора, что увеличивает его стоимость и значительные трудности в изготовлении, особенно в- массовом производстве.

Наиболее близким к изобретению является регулятор напряжения для электрических машин, содержащий измерительный орган, вход которого подключен к выходу электрической машины, а выход соединен с базой транзистора промежуточного усилителя, эмиттер которого соединен с плюсовой ной питания, а коллектор - через резистор с минусовой шиной питания, и транзистор выходного усилителя мощности, эмиттер которого также соединен с плюсовой шиной питания, а коллектор подключен к одному из

20 выводов обмотки возбуждения генератора, другой вывод которой соединен с минусовой шиной питания, при этом между коллектором выходного транзистора и базой транзистора промежуточного усилителя включен резистор 3.

Недостатком этого регулятора является плохое качество электроэнергии в системе электроснабжения, плохой КПД и низкая надежность.

Из-за релейного принципа действия регулятора в системе электропитания имеют место значительные пульсации регулируемого напряжения, частота которых зависит от нагрузочно-скоростного режима генератора и изменяется в пределах от 10-15 Гц до 1500-2000 Гц. Данное обстоятельство приводит к существенному снижению показателей качества регулирования напряжения в системе электропитания, выражающемуся, например, в мигании света фар автотракторных средств, а также к усложнению схем питания электронных устройств-потребителей и к увеличению их веса и габаритов. Кроме того, из-за отсутствия в схеме элементов, обеспечивающих форсированное запирание и отпирание транзистора, в коллекторную цепь которого включена обмотка возбуждения генератора, указанный регулятор имеет низкие энергетические показатели. Одновременно с этим в регуляторе при коротком замыкании в цепи обмотки возбуждения выходной транзистор выходит из строя из-за теплового пробоя эмиттерно-коллекторного перехода. Все указанное приводит к низкой надежности регулятора напряжения и всей энергосистемы в целом.

Цель изобретения - повышение качества электроэнергии, КПД и надежности.

Поставленная цель достигается тем, что дополнительно введены динистор, два конденсатора и стабилитрон, причем катод динистора соединен с коллектором транзистора выходного усилителя мощности, а анод динистора - -с минусовой щиной питания, один из конденсаторов включен параллельно резистору, установленному между коллектором выходного транзистора и базой транзистора промежуточного усилителя, а другой конденсатор и стабилитрон соединены параллельно между собой, анодстабилитрона соединен с коллектором транзистора промежуточного усилителя, а катод - с базой выходного транзистора усилителя мощности.

На чертеже приведена гИринципиальная схема регулятора напряжения.

, Регулятор напряжения состоит из измерительного органа, выполненного на резисторах 1 и 2, образующих входной делитель напряжения, резисторе 3 и стабилитроне 4, образующих другое плечо моста измерительного органа, и транзистора 5, включенного в диагональ моста измерительного органа между общей точкой соединения резисторов 1 и 2 и точкой соединения катода стабилитрона 4 и резистора 3. Выводы резисторов 1 и 2 являются входом измерительного органа и подключаются на регулируемое напряжение. Коллектор транзистора 5 через резистор 6 соединен с базой транзистора 7 промежуточного усилителя.

Транзистор 7 промежуточного усилителя и транзистор 8 выходного усилителя мощности в данном регуляторе образуют импульсный автогенератор, который образован ре-, зисторами 9 и 10, соединенными с транзистором 7, резистором 11 обратной связи, включенным между коллектором транзистора 8 и базой транзистора 7, а также резистором 12, соединенным с плюсовой щиной питания. Конденсатор 13 включен параллельно резистору 11. Между коллектором транзистора

0 7 и базой транзистора 8 включена цепочка из параллельно соединенных конденсатора 14 и стабилитрона 15. Динистор 16 включен параллельно обмотке 17 возбуждения, генератора 18, якорные обмотки которого соединены с выпрямителем 19, образуя выход энергосистемы, к к,оторому подключены аккумуляторная батарея 20 и нагрузка 21. Выводы выпрямителя 19, в частном случае, являются одновременно и щинами питания регулятора, но в общем случае это мо0 жет быть и отдельный источник питания. Регулятор напряжения для электрических мащин работает следующим образом. При подключении аккумуляторной батареи к щинам питания регулятора пробивается стабилитрон 4, но управляющий транзистор 5 оказывается закрытым, так как величины резисторов 1 и 2 делителя напряжения выбирают такими, чтобы в указанный момент времени потенциал базы транзистора 5 был ниже потенциала катода открытого стаjj билитрона 4. Благодаря закрытому состоянию транзистора 5, оказывается закрытым и транзистор 7, так как ток в цепи его базы отсутствует. В связи с этим напряжение на коллекторе транзистора 7 максимально, что вызывает пробой стабилитрона 15 и отпирание транзистора 8. Конденсатор 14, включенный параллельно стабилитрону 15, способствует форсированному отпиранию транзистора 8. В результате этого по обмотке 17 возбуждения начинает протекать ток максимально возможной величины, что вызывает быстрое увеличение напряжения генератора 18, а следовательно, и увеличение напряжения на зажимах аккумуляторной батареи .20, соединенных с щинами питания регулятора. При приближении величины регулируемого

S напряжения к номинальному значению напряжение на резисторе 1 начинает отпирать транзистор 5 и в цепи базы транзистора 7 автогенератора возникает ток. Транзистор 7 открывается, в результате чего напряжение на его коллекторе начинает уменьщаться.

При использовании в схеме маломощных высокочастотных транзисторов 5 и 7 с достаточно больщими коэффициентами усиления тока базы скорость уменьщения напряжения на коллекторе транзистора 7 велика. Это

J приводит к быстрому запиранию стабилитрона 15 и форсированному запиранию транзистора 8, так как в рассматриваемый момент времени конденсатор 14 оказывается заряженным полюсом к базе указанного

транзистора и формирует в ней запирающий импульс тока. Ток в цепи коллектора транзистора 8 резко уменьшается, а на обмотке 17 возбуждения возникает ЭДС, самоиндукции, приложенная плюсом к аноду динистора 16, а минусом - к его катоду. В связи с тем, что индуктивность обмотки возбуждения велика, а собственная емкость мала, ско рость нарастания ЭДС очень высока. При определенном значении ЭДС, равном напряжению включения динистора, последний открывается и ограничивает амплитуду переднего фронта импульса, длительность которого определяется постоянной времени обмотки возбуждения. Через форсирующий конденсатор 13 импульс прикладывается к базе транзистора 7 и способствует его еще больщему отпиранию. После того, как ампли туда импульса ЭДС на обмотке возбуждения упадет до нуля, конденсатор 13 оказывается заряженным плюсом к базе транзистора 7, что вызывает его быстрое запирание. Увеличение напряжения на коллекторе транзистора 7 приводит к отпиранию транзистора 8, в результате чего по цепи обмотки 17 возбуждения .начинает протекать ток. Длительность времени протекания тока в цепи обмотки возбуждения в рассматриваемом случае работы схемы автогенератора определяется постоянной времени цепочки, образованной резистором 11 и конденсатором 13, и током коллекторно-эмиттерной цепи управляющего транзистора 5. Так как постоянная времени указанной RC-цепочки есть величина постоянная, то очевидно, что длительность импульса тока в цепи обмотки возбуждения зависит только от величины тока управления. Действительно, в процессе разряда конденсатора 13 на резистор 11 отпирание транзистора 7 произойдет тем быстрее, чем больше ток в коллекторно-эмиттерной цепи управляющего транзистора 5 и наоборот. После разряда конденсатора 13 до определенного уровня транзистор 7 открывается, а транзистор 8 закрывается. Опять на обмотке возбуждения формируется импульс ЭДС самоиндукции постоянной амплитуды и длительности и так далее. Таким образом, при определенных значениях тока в эмиттерно-коллекторной цепи управляющего транзистора в схеме автогенератора возникает устойчивый колебательный процесс. При этом период следования импульсов формируется из неизменного времени существования ЭДС- самоиндукции на обмотке 17 возбуждения и времени разряда конденсатора 13, зависящего от тока управляющего элемента. В результате этого коэффициент заполнения вырабатываемой генератором импульсной последовательности является функцией тока управляющего элемента. .Параметры элементов схемы и ток управления в цепи базы транзистора 7 подбирают так, чтобы среднее значение импульсного тока, протекающего по обмотке 17 возбуждения, было, например, обратно пропорционально величине сигнала рассогласования, вырабатываемого измерительным органом. Рассмотренный автоколебательный режим работы автогенератора имеет место при относительно медленных изменениях регулируемого напряжения, вызываемых, нап|ж5 мер, изменением скорости режима работы генератора. В том случае, когда величина регулируемого напряжения увеличивается скачком, например, при отключении нагрузки ток в эмиттерно-коллекторной цепи управляющего транзистора также резко увеличивается и

10 теперь уже положительный потенциал конденсатора 13 оказывается не достаточным для запирания транзистора 7. Схема устанавливается в состояние, при котором транзистор 7 открыт, а транзистор 8 заперт. Ток в цепи обмотки возбуждения равен нулю, и

15 напряжение генератора 18 начинает быстро понижаться. При достижении регулируемым напряжением определенного уровня, несколько меньшего номинального, ток в эмиттерно-коллекторной цепи управляющего транзистора падает до значения, при котором транзистор 7 закрывается. Далее схема автогенератора опять переходит в рассмотренный выше автоколебательный режим, обеспечивающий резкое снижение пульсаций регулируемого напряжения.

5 Введение обмотки 17 возбуждения в схему автогенератора способствует существенному повышению КПД регулятора, так как благодаря формированию импульсов ЭДС самоиндукции с крутыми фронтами резко

,„ снижается время перехода транзистора 8 из открытого состояния в закрытое.

Кроме того, данный регулятор напряжения имеет и повыщенную надежность в аварийном режиме короткого замыкания обмотки возбуждения генератора. Действительно,

5 при коротком замыкании обмотки возбуждения благодаря наличию форсирующего конденсатора 13 в цепи базы транзистора 7 возникает отпирающий импульс тока с крутым передним фронтом. Напряжение на коллекторе указанного транзистора резко падает,

0 что обеспечивает быстрое запирание транзистора 8, предотвращая, тем самым, разрущение его коллекторно-эмиттерного перехода. Благодаря тому, что стабилитрон 15 в рассматриваемом случае также закрываетj ся, транзистор 8 будет надежно заперт до тех пор, пока не будет устранено короткое замыкание обмотки возбуждения. После устранения короткого замыкания автогенератор будет работать в одном из описанных выше трех режимов в зависимости от вели0 чины регулируемого напряжения.

Формула изобретения

Регулятор напряжения для электрических машин, содержащий измерительный орган, вход которого подключен к выходу электрической машины, а выход соединен с базой транзистора промежуточного усилителя. эмиттер которого соединен с плюсовой шиной питания, а коллектор через резистор - с минусовой шиной питания, и транзистор выходного усилителя мощности, эмиттер которого соединен с плюсовой шиной питания, а коллектор подключен к одному из выводов обмотки возбуждения генератора, другой вывод которой соединен с минусовой Шиной питания, между коллектором выходного транзистора и базой транзистора промежуточного усилителя включен резисто р, отличающийся тем, что, с целью повышения качества электроэнергии, КПД и надежности, дополнительно введены динистор, два конденсатора и стабилитрон, причем катод динистора соединен с коллектором транзистора вь1ходного усилителя мощности, а анод динистора - с минусовой шиной питания, один из конденсаторов включен параллельно резистору, установленному между коллектором выходного транзистора и базой транзистора промежуточного усилителя, а другой конденсатор и стабилитрон соединены параллельно между собой, причем анод стабилитрона соединен с коллектором транзистора промежуточного усилителя, а катод - с базой выходного транзистора усилителя мощности. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельства СССР № 213149, кл. Н 02 Р 9/30, 1966. 2.Авторское свидетельство СССР № 412663, кл. Н 02 Р 9/30, 1972. 3.Кулебакин В. С. и др. Полупроводники в автоматике. М., «Академия наук СССР 1963, с. 90, рис. 63.