CC BY
57
УДК 629.016
05.20.00 Процессы и машины агроинженерных систем
АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЗАРЯДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО ГЕНЕРАТОРА
Исмаилов Владимир Атабаевич к.т.н. доцент SPIN-код: 5811-6454 E-mail: vladimirismailov@yandex.ru
Цубера Игорь Геннадьевич студент
Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ГАУ, Зерноград, Россия
В статье рассмотрена проблема недостаточности зарядного напряжения при совместной работе аккумуляторной батареи и автомобильного генератора. Проведен сравнительный анализ предлагаемых способов повышения зарядного напряжения генератора
Ключевые слова: АВТОМОБИЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР, АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ, РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ, ЗАРЯДНЫЙ БАЛАНС, СТЕПЕНЬ ЗАРЯЖЕННОСТИ
Doi: 10.21515/1990-4665-135-015
UDC 629.016 Technical Sciences
ANALYSIS METHODS TO INCREASE THE CHARGING VOLTAGE OF THE ALTERNATOR
Ismailov Vladimir Atabaevich Cand.Tech.Sci., associate professor SPIN-code: 5811-6454 E-mail: vladimirismailov@yandex.ru
Tsybera Igor Gennadievich student
Azov-black sea engineering Institute of Donskoy State agrarian University, Zernograd, Russia
The article considers the problem of insufficient charging voltage during the joint operation of the battery and alternator. A comparative analysis of the proposed ways of increasing the charging voltage of the generator
Keywords: ALTERNATOR, BATTERY, VOLTAGE REGULATOR, CHARGE BALANCE, CHARGE LEVEL
Как известно, совместная работа автомобильной генераторной установки и аккумуляторной батареи определяется по совмещенной внешней характеристике генератора и зарядно-разрядной характеристике батареи /Ютт/. При этом баланс токов в системе электроснабжения определяется режимом нагружения системы, степенью заряженности АКБ и частотой вращения ротора генератора (скоростным режимом работы двигателя).
При чередовании режимов разряда и заряда батареи, наблюдаемом в ходе штатной ее работы на автомобиле, непременным условием является соблюдение положительного зарядного баланса [4], которое выполнимо только при достаточности мощности и выходного напряжения установленного генератора. Современные стартерные аккумуляторные батареи, изготавливаемые по на основе свинцово-кальциевого сплава, крайне чувствительны к минимальной величине зарядного напряжения, от которой
зависит степень их заряженности и, как результат, срок службы. При этом они в меньшей степени, нежели традиционные малосурьмянистые батареи, склонны к газовыделению в конце заряда, а потому могут заряжаться напряжением до 15 В.
Рекомендуемое напряжение заряда, устанавливаемое в генераторах составляет 13,8-14,4 В, однако, в ряде случаев, такого уровня напряжения может быть недостаточно для поддержания полной заряженности АКБ.
Так в зимний период при движении с включенным ближним светом фар, обогревом стекол и зеркал средняя степень заряженности аккумулятора может не превышать 70-75% даже при рекомендуемом уровне напряжения. Этому виной возрастающее при пониженных температурах внутреннее сопротивление аккумулятора, а также достаточно быстрое снижение зарядного тока при постоянном напряжении.
При напряжении заряда ниже 13,8 В имеет место явление прогрессирующего недозаряда АКБ. К примеру, если эксплуатировать аккумулятор при средней нагрузке (интенсивности), величине зарядного напряжения 13,6 В и положительной температуре, то степень заряженности АКБ составит приблизительно 65%, в случае с использованием батареи при отрицательных температурах окружающего воздуха данный показатель составит менее 50%.
Продолжительная работа АКБ, характеризующаяся степенью заря-женности на уровне 50-60%, влечет за собой быстрое снижение ее рабочих характеристик. Всему виной повышение скорости оплывания активной массы электродов батареи [2, 4]. Еще более усложняется данная ситуация в зимний период, так как в сильно разряженном аккумуляторе при низкой температуре повышается вероятность замерзания электролита, а это в свою очередь грозит разрушением корпуса батареи и окончательным выходом ее из строя.
Таким образом, для сохранения работоспособности аккумуляторной батареи необходимо обеспечить как можно больший (в рекомендуемом диапазоне) уровень напряжения на ее полюсных выводах. Однако в ряде отечественных генераторных установках, таких как 372.3701(РН 54.3702), 9402.3701(РН 55.3702), 5102.3771(РН 881.3702), проблема пониженного напряжения возникает в рядовых условиях эксплуатации автомобиля даже при положительных температурах. Дело в том, что диодные мосты всех вышеперечисленных генераторов, кроме основного выпрямителя (шесть силовых диодов) имеют дополнительные три диода, через которые осуществляется питание обмотки возбуждения (Рисунок 1).
7 В ?
Рисунок 1- Стандартная схема генератора 1-регулятор напряжения; 2-основная обмотка; 3-обмотка возбуждения; 4-силовой трехфазный выпрямитель; 5-дополнительный выпрямитель; 6-контрольная лампа; 7-контакты замка зажигания; 8-аккумуляторная батарея
Регуляторы напряжения, применяемые на этих генераторах, имеют совмещённую цепь питания и измерения напряжения (вывод D+). При этом, когда в бортовой сети появляется существенная нагрузка (фары, обогрев заднего стекла и т.д), подключенная к силовому выпрямителю
(шпилька В+ или вывод 30) генератора, напряжение в бортовой сети начинает снижаться, и в это время должен включиться регулятор напряжения, чтобы удержать его на заданной отметке. Но так как он подключен к дополнительным диодам, а там нет значительно падения напряжения, так как кроме регулятора напряжения с обмоткой возбуждения, другой нагрузки они не имеют, то и напряжение на выходе этого выпрямителя остаётся практически неизменным.
В итоге при частоте вращения коленчатого вала от холостых до средних оборотов, наблюдается просадка напряжения при включении средней до 30 А нагрузки[1]. Как результат нарушение положительного энергобаланса АКБ.
В литературных, а так же интернет-источниках [1, 3, 5] предлагаются различные способы решения возникающей проблемы, отличающиеся компонентной базой, схемой, а также достигаемым эффектом.
1) Установка в цепь питания обмотки возбуждения четырехконтактного реле типа 98.3777-10 (Рисунок 2). При включении зажигания через контрольную лампу напряжение подаётся на обмотку реле. Поскольку вход D+ коммутируется через контакты реле, и от дополнительных диодов он «оторван», то напряжение в точке D+ в момент включения зажигания будет порядка 8В. Этого достаточно чтобы реле включилось, и D+ регулятора напряжения оказался подключен к шпильке В+ (+АКБ).
После запуска двигателя генератор гарантированно возбуждается, и в точке D, подключенной к дополнительным диодам моста появится напряжение, вырабатываемое генератором, которое и будет удерживать реле в замкнутом состоянии до тех пор, пока работает двигатель, контрольная лампа на панели приборов при этом гаснет.
Достоинством способа можно считать простоту; возможность запи-тать обмотку реле от любого провода, на котором появляется напряжение после включения зажигания, дополнительная нагрузка в момент запуска,
до возбуждения генератора, при этом составит около 180 мА (ток потребления обмотки).
б 5
Рисунок 2 - Схема с четырех-контактным реле 1 - 8 (см. рисунок 1); 9-четырех-контактное реле
К недостаткам можно отнести следующее:
- контрольная лампа на панели приборов, включенная последовательно с обмоткой реле, в то время, когда она должна гореть (то есть когда зажигание включено, но двигатель не запущен, либо двигатель запущен, но генератор не работает), гореть будет, но в четверть накала;
- в случае, если в панели приборов по цепи начального возбуждения стоит резистор на минус, то есть вероятность не включения реле при включении зажигания, так как обмотка будет шунтирована этим резистором.
2) Установка в цепи питания обмотки возбуждения пяти-контактного реле типа 231.3787 (Рисунок 3) При включении зажигания через контрольную лампу напряжение подаётся на нормально замкнутые контакты реле
88-30, при этом регулятор напряжения получает начальное возбуждение по штатной схеме.
Рисунок 3 - Схема с пяти-контактным реле 1 - 8 (см. рисунок 1); 9-пятиконтактное реле
Но так как вход Б+ регулятора напряжения по схеме «оторван» от дополнительных диодов, то необходим ещё один диод между контактами реле 85-88. Через него на время запуска генератора подключаются дополнительные диоды, без этого генератор не возбудится на оборотах холостого хода. Этот диод и осуществляет запуск генератора по «штатной схеме», однако это не единственное его назначение.
После запуска двигателя генератор возбуждается, и в точке Б+, подключенной к дополнительным диодам моста, появится напряжение, вырабатываемое генератором, которое включит и будет удерживать реле в замкнутом состоянии до тех пор, пока работает двигатель, лампа на панели приборов при этом гаснет за счёт установленного дополнительного диода. В этом случае контакт Б+ регулятора напряжения будет подключен уже через нормально разомкнутые контакты реле 87-30 к шпильке В+ (+АКБ).
Достоинства способа:
- запуск генератора происходит по штатной схеме, то есть даже при наличии резистора на минус в панели приборов, генератор возбудится;
- лампа на панели приборов будет работать в штатном режиме с той же яркостью.
Недостатки:
- усложнение схемы и проводки по сравнению с первым вариантом, дополнительный диод;
- общим недостатком для любой схемы с дополнительным реле (четырех- и пяти-контактным) является то, что в случае залипания контактов реле, после выключения зажигания регулятор напряжения и обмотка ротора останутся подключенными к +АКБ и будут потреблять ток в размере 3 А.
3) Установка в цепи питания обмотки возбуждения дополнительного диода (Рисунок 4). Для повышения напряжения регулирования штатного регулятора напряжения в простейшем случае можно использовать дополнительный диод (менее 5 А), включаемый в его положительную цепь. Конструктивно диод может быть либо впаян в шину дополнительных диодов либо вставлен в разрыв штатных разъемов.
4) Аналогичный результат достигается установкой такого же диода в минусовую цепь регулятора напряжения (Рисунок 5)
Возможна также замена диода резистором сопротивлением 0,2-0,3 Ом, чем обеспечивается отрицательная обратная связь по напряжению с аналогичным эффектом. Мощность резистора должна составлять не менее 5 Вт, и необходим теплоотвод. Но такие схемы, могут отличаться нестабильностью напряжения регулирования.
Недостатком этих решений является некоторое снижение тока через обмотку ротора из-за падения напряжения на диоде или резисторе и, как следствие, небольшое снижение максимальной мощности генератора.
Рисунок 4 - Схема с установкой дополнительного диода в плюсовую цепь регулятора напряжения 1 - 8 (см. рисунок 1); 9-дополнительный диод
Рисунок 5-Схема с установкой дополнительного диода в минусовую цепь
регулятора напряжения
1 - 8 (см. рисунок 1); 9-дополнительный диод 5) Более правильной является схема с двумя диодами в плюсовой ветви регулятора (Рисунок 6)
Рисунок 6 - Схема с установкой двух дополнительных диодов в плюсовую
цепь регулятора напряжения 1 - 8 (см. рисунок 1); 9-дополнительные диоды
Здесь силовая и контрольная цепи регулятора напряжения разделены, а диод, показанный на схеме справа, включен только в последнюю. Параллельно ему установлен диод, необходимый для гашения тока самоиндукции обмотки ротора. Он совместно с диодом в самом регуляторе напряжения предотвращает пробой силового ключа регулятора напряжения при коммутации обмотки. Реализация этой схемы конструктивно сложнее, поскольку требует разъединения нередко сваренных контактов в самом щеточном узле. Здесь необходимо плюсовую щетку, соединяющуюся через клемму «папа» с выпрямителем, отключить от вывода, выходяще-
го из корпуса регулятора напряжения, а в образовавшийся зазор впаять диоды и обеспечить их изоляции[5].
Схемы с дополнительными реле реализуют взаимосвязь между выводами «В+» и «Б+» обеспечивая более быструю реакцию регулятора напряжения на появляющуюся нагрузку - на падение напряжения генератора. Однако обе схемы сложнее и не лишены потенциальных отказов.
Схемы с дополнительными диодами в цепи регулятора напряжения направлены на своеобразный «обман» последнего, имитируя понижение напряжения от возникающих нагрузок. При этом они конструктивно проще и могут быть реализованы без выносных элементов, с сохранением габаритов генераторной установки неизменными.
Для более тщательной оценки преимуществ и недостатков предлагаемых способов необходимо проведение сравнительных испытаний генераторных установок с предлагаемыми усовершенствованиями. В ходе таких испытаний необходимо сымитировать различные скоростные и нагрузочные режимы работы автомобильных генераторов, а также реализовать диагностическую модель для оценки состояния АКБ при изменяющемся зарядном напряжении. Такие испытания являются предметом дальнейших исследований и публикаций.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Информационно - аналитическое агентство, автомобильный форум [Электронный ресурс]: Установка дополнительного реле генератора. - Режим доступа: http://autolada.ru/viewtopic.php?t=336943
2. Коратаев, К.Э. Обоснование рациональных параметров и режимов работы генераторных установок для сельскохозяйственных машин: автореф. дисс. канд. техн. Наук / К.Э. Коратаев. - Барнаул, 2004. - 198 с.
3. Устройство автомобилей [Электронный ресурс]: Генераторы переменного тока. - Режим доступа:http://k-a-t.ru/mdk.01.01_elektro/21-generator/index.shtml
4. Ютт, В.Е. Электрооборудование автомобилей: учебник для вузов /В.Е. Ютт. -М.: Горячая линия-Телеком, 2009. - 440 с.
5. МУА-БАО [Электронный ресурс]: Варианты доработки реле-регулятора напряжения. - Режим доступа: https://www.niva-faq.msk.ru/tehnika/elektro/generat/rr.htm
References
1. Informacionno - analiticheskoe agentstvo, avtomobil'nyj forum [Jelek-tronnyj resurs]: Ustanovka dopolnitel'nogo rele generatora. - Rezhim dostupa: http://autolada.ru/viewtopic.php?t=336943
2. Korataev, K.Je. Obosnovanie racional'nyh parametrov i rezhimov
raboty generatornyh ustanovok dlja sel'skohozjajstvennyh mashin: avtoref. diss. kand. tehn. Nauk / K.Je. Korataev. - Barnaul, 2004. - 198 s.
3. Ustrojstvo avtomobilej [Jelektronnyj resurs]: Generatory peremennogo to-ka. -Rezhim dostupa:http://k-a-t.ru/mdk.01.01_elektro/21-generator/index.shtml
4. Jutt, V.E. Jelektrooborudovanie avtomobilej: uchebnik dlja vuzov /V.E. Jutt. - M.: Gorjachaja linija-Telekom, 2009. - 440 s.
5. NIVA-FAQ [Jelektronnyj resurs]: Varianty dorabotki rele-reguljatora naprjazheni-ja. - Rezhim dostupa: https://www.niva-faq.msk.ru/tehnika/elektro/generat/rr.htm
