STUDIUL SI TRASAREA CARACTERISTICILOR REGULATORULUI DE TENSIUNE

Lucrarea nr. 2:

STUDIUL sI TRASAREA CARACTERISTICILOR

REGULATORULUI DE TENSIUNE

1. SCOPUL LUCR RII

Cunoasterea problemelor legate de locul si rolul regulatorului auto de tensiune în cadrul instalatiei electrice a automobilului. Lucrarea prezinta doua tipuri constructive de regulatoare, precum si modul de lucru al acestora.

2. CONSIDERAŢII TEORETICE

Generatorul electri 828q1618i c din dotarea automobilelor actuale este, de cele mai multe ori, reprezentat de catre un alternator cu excitatie electromagnetica antrenat de catre motorul termic. Pentru aceasta situatie tensiunea la borne este data de relatiile:

U_g = k n F (I_e DU (I_s

U_g = U_g0 DU (I_s

Mentinerea unei tensiuni constante la bornele alternatorului, în conditiile în care turatia de antrenare n si curentul de sarcina I_s sunt variabile, se poate obtine prin reglajul convenabil al curentului de excitatie I_e . Acest reglaj este realizat în mod automat de catre regulatorul de tensiune, denumit impropriu releu de tensiune.

Deoarece, modul de lucru al regulatorului de tensiune este specific sistemelor de reglare automata, pentru început vom face câteva referiri la acestea. Schema bloc a unui SRA este prezentata în fig.1.

Fig.1 Schema bloc a sistemului de reglare automata

Utilizarea unui SRA are drept scop reducerea erorii existente la un moment dat între marimea dorita (prescrisa) si marimea de iesire din proces (marimea reglata). Pentru atingerea acestui obiectiv blocurile din alcatuirea unui SRA au urmatoarele roluri:

-traductorul TR: realizeaza conversia marimii reglate y într-o marime r de aceeasi natura cu marimea prescrisa p, astfel încît procesul de comparare sa fie posibil.

-comparatorul C: primeste doua semnale, de aceeasi natura si proportionale cu marimea prescrisa respectiv reglata, functie de care calculeaza eroarea de reglare.

-regulatorul automat RA: reprezinta partea esentiala a unui dispozitiv de automatizare deoarece aceasta realizeaza legea de reglare.

-elementul de executie EE: este comandat de catre regulatorul automat si actioneaza asupra procesului prin intermediul marimii de executie m.

-elementul de prescriere EP: este utilizat pentru stabilirea valorii ce se doreste a fi obtinuta la iesirea procesului, deci putem spune ca reprezinta un element de referinta.

În concluzie se observa ca un SRA este prevazut cu o reactie negativa care încearca sa mentina constanta valoarea marimii, în conditiile în care procesul este supus unor perturbatii aleatoare.

Pentru regulatoarele de tensiune compararea celor doua marimi (prescrisa, respectiv reglata) se poate face în :

- domeniul mecanic, prin compararea a doua forte - cazul regulatoarelor electro- magnetice;

- domeniul electric, compararea a doua tensiuni - cazul regulatoarelor electronice;

2.1. Regulatorul de tensiune electromagnetic

Principiul de functionare utilizat în constructia regulatoarelor cu contacte mecanice, pentru controlul curentului de excitatie, consta în introducerea unei rezistente în circuitul de excitatie atunci când tensiunea generata de alternator este peste valoarea prescrisa,respectiv în suntarea ei, când tensiunea generata este sub valoarea prescrisa.

Schema de principiu a unui astfel de regulator de tensiune împreuna cu formele de unda se prezinta în fig. 2

Functionare:

Pentru aceasta varianta constructiva marimea prescrisa este data de gradul de tensionare al unui resort, iar marimea de iesire (tensiunea la bornele generatorului) este convertita în forta cu ajutorul unui electromagnet. În consecinta, asupra contactului K actioneaza doua momente antagoniste, unul generat de forta elastica a resortului Mr, iar celalalt de forta de atractie a electromagnetului Mem.

Acest ansamblu este construit astfel încât contactul K sa fie închis în cazul în care bobina electromagnetului este nealimentata, sau tensiunea de alimentare este sub valoarea prescrisa.

Fig.2. Regulatorul auto de tensiune cu contacte mecanice

Daca, la un moment dat, tensiunea generata de alternator este sub valoarea prescrisa, forta de atractie dezvoltata de electromagnet este insuficienta pentru deschiderea contactului K, astfel ca rezistenta R_u este scurtcircuitata. În aceasta situatie curentul de excitatie este mare, fiind limitat doar de rezistenta electrica a bobinei de excitatie,motiv pentru care tensiunea de iesire începe sa creasca. Aceasta crestere are ca efect, pe de-o parte corectarea tensiunii de iesire, iar pe de alta parte întarirea fortei de atractie dezvoltata de electromagnet. Dupa un anumit timp tensiunea de iesire egaleaza valoarea prescrisa, iar forta electomagnetica este suficienta pentru deschierea contactului K. Dupa deschiderea contactului rezistenta R_u este înseriata cu bobina de excitatie, motiv pentru care valoarea curentului de excitatie scade, iar tensiunea de iesire de asemenea. Scaderea tensiunii la borne slabeste forta de atractie a electromagnetului, astfel ca dupa un interval de timp contactul K se închide. Din acest punct procesul se repeta dupa acelasi algoritm.

Compensarea termica

Efectul temperaturii asupra tensiunii reglate intervine, în principal, datorita modificarii rezistentei electrice a bobinei electromagnetului. În mod uzual înfasurarea electromagnetului este realizata din sârma de Cu, material ce are coficientul de variatie al rezistentei cu temperatura pozitiv.

Din acest motiv cresterea temperaturi determina urmatorul lant de evenimente: cresterea rezistentei electrice a bobinei electomagnetice, reducerea fortei electromagnetice, deschiderea contactului la o valoare mai mare a tensiunii la bornele alternatorului.

Efectul de crestere al tensiunii reglate cu temperatura se pote reduce folosind urmatoarele solutii constructive:

- se utilizeaza un termistor cu coeficient negativ conectat în serie cu bobina electromagnetului:

- se utilizeaza un sunt termomagnetic care, la scaderea temperaturii, deviaza o parte din fluxul magnetic destinat atragerii armaturii electromagnetului;

- se utilizeaza o lamela bimetalica care micsoreaza întrefierul la cresterea temperaturii;

- cu infasurari combinate - la înfasurarea principala se adauga o înfasurare realizata dintr-un material cu coeficient de temperatura al rezistivitatii redus (a

Metode de accelerare:

Din analiza functionarii regulatoarelor electromecanice reiese ca tensiunea obtinuta la bornele alternatorului prezinta, asa cum se arata si în fig. 2, mici ondulatii în jurul unei valori medii Up. Marimea acestor ondulatii depinde atât de parametrii constructivi ai regulatorului, cât si de parametrii electrici si magnetici ai circuitului de reglare. Cu cât frecventa de inchidere si deschidere a contactelor este mai mare cu atât domeniul de variatie al tensiunii va fi mai restrâns, iar calitatea reglajului mai buna. Cresterea frecventei armaturii mobile este limitata de inertia sa.

Marirea frecventei de închidere a contactelor se realizeaza prin utilizarea rezistentelor de accelerare, a înfasurarilor de accelerare sau înfasurarii si rezistentei de accelerare.

Regulatorul cu doua trepte:

La regulatorul cu o singura treapta, închiderea si deschiderea contactului K determina comutarea curentului de excitatie, (vezi figura 2), între valorile I si I astfel ca valoarea medie a curentului de excitatie nu poate fi reglata sub I . Din aceasta cauza, la turatii mari, tensiunea la bornele generatorului nu mai poate fi reglata deoarece ar fi necesar un curent mediu de excitatie mai mic decât valoarea I

Extinderea domeniului de reglaj se face prin introducerea unei noi trepte în care curentul de excitatie este comutat între I si I = 0. În acest mod valoarea medie a curentului de excitatie poate fi reglata între I si I în prima treapta de functionare respectiv între I si zero în a doua treapta.

Introducerea regulatorului de tensiune în circuitul de excitatie al alternatorului are ca efect modificarea caracteristicii generatorului asa cum se observa în figura 3.

Fig. 3. Caracteristicile regulatoarelor de tensiune

Regulatoarele electromecanice sunt constructii relativ complexe ce ridica o serie de probleme legate de: reglaje instabile în timp, uzura rapida a contactelor mecanice, frecventa mica de comutare, etc. Din aceste motive structurile electromecanice de regulatoare au fost înlocuite, aproape în totalitate cu structuri electronice.

2.2. Regulatore de tensiune electronice

Într-o prima etapa îmbunatatirea performantelor regulatoarelor electromagnetice a constat în înlocuirea contactelor mecanice cu dispozitive electronice iar ulterior întregul regulator s-a realizat electronic. Fata de predecesoarele lor regulatoarele electronice prezinta urmatoarele avantaje:

- au durata de exploatare mult mai mare datorita absentei partilor mecanice;

- au frecventa de lucru cu un ordin de marime mai mare ceea ce determina o reducere a ondulatiilor tensiunii obtinute la bornele generatorului (îmbunatatirea factorului de forma);

- au volum mic, uneori sunt înglobate în generator;

- se realizeaza într-o singura treapta;

- precizie marita în reglarea tensiunii;

- pot îngloba circuite de semnalizare si autotestare;

- compensarea cu temperatura se face mai simplu;

- au pret de cost comparabil sau chiar mai mic;

- nu necesita reglaje în timpul exploatarii.

În schema bloc a unui regulator auto de tensiune, vezi fig. 4, regasim o structura similara unui stabilizator de tensiune.

Fig. 4 Schema bloc de principiu a unui regulator auto de tensiune

Referinta de tensiune poate fi o dioda Zener - pentru schemele mai modeste, sau un circuit specializat care pe lânga compensarea cu temperatura sa tina cont si de caracteristica de încarcare a bateriei de acumulatoare - cazul unor scheme performante. Pentru ambele situatii rolul acestui bloc este de a furniza o tensiune constanta care sa constituie un etalon în procesul de comparare cu tensiunea de la bornele generatorului.

Comparatorul are rolul de a calcula diferenta dintre tensiunea prescrisa si tensiunea efectiva obtinuta la bornele generatorului. Functionarea comparatoarelor poate fi înteleasa usor urmarind formele de unda prezentate în figura 5.

Fig. 5

La intrarile comparatorului se aplica tensiunea de referinta si un procent din tensiunea Ug; acest procent este obtinut de regula prin intermediul unui divizor rezistiv.

Câteva variante practice de comparatoare, mai utilizate în regulatoarele auto de tensiune, sunt prezentate în figura 6. Se observa ca procesul de comparare se poate face pe jonctiunea baza -emitor a unui tranzistor sau folosind un amplificator operational.

Fig. 6 Scheme practice de comparatoare

Amplificatorul de eroare preia semnalul de la iesirea comparatorului si îl aduce la parametrii necesari atacului etajului final de putere. În unele scheme acest etaj poate sa lipseasca, iesirea comparatorului conectându-se direct la etajul final.

Etajul final lucreaza în comutatie pe o sarcina inductiva, bobina de excitatie a alternatorului, motiv pentru care sunt necesare masuri de protectie la tensiunile inverse de autoinductie. De regula acest etaj este realizat cu tranzistoare în montaj Darlington.

3. Prezentarea circuitului comparator bM 339

Circuitul integrat bM 339 contine patru comparatoare independente cu iesirea open collector si un etaj comun de alimentare. Domeniul de aplicatii cuprinde comparatoare de limita, convertoare AD simple, generatoare de impulsuri, oscilatoare controlate în tensiune, interfete cu circuitele logice etc.

Principalele caracteristici ale acestui circuit sunt:

- tensiunea de alimentare: 2 36V sau 18V;

- curentul de alimentare: 0,8 mA independent de tensiunea de alimentare;

- curentul de scurtcircuit la iesire: 20mA;

- puterea disipata: 500mW;

Amplificarea în bucla deschisa mare si banda de frecventa ridicata produc intrarea cu usurinta în oscilatie a comparatorului, daca iesirea acestuia este cuplata cu intrarea printr-o capacitate parazita. Intrarea în oscilatie apare pe durata de tranzitie dintr-o stare în alta. Decuplarea alimentarii în apropierea circuitului nu înlatura acest pericol. Realizarea corecta a cablajului este în masura sa reduca cuplajul parazit. Reducând valoarea rezistentei de la intrare sub 10kW se reduce nivelul semnalului de reactie si prin realizarea unei supracresteri de 1 10 mV a reactiei pozitive (histerezis), tranzitia semnalului de iesire este mai rapida iar oscilatiile datorate cuplajului parazit sunt suprimate.

Daca dintr-o capsula nu se folosesc toate comparatoarele, atunci intrarile si iesirile (fara rezistenta de sarcina) celor neutilizate se leaga la masa.

Aplicatiile de tip comparator ale acestui circuit sunt prezentate în figura 7.

Fig. 7 Scheme tipice de comparatoare realizate cu circuitul bM 339

4. Scheme concrete de regulatoare electronice

a) Pentru început prezentam o varianta de regulator realizata cu componente discrete a carui schema electrica este redata în figura 8.

În alcatuirea acestei scheme distingem: un etaj diferential, realizat cu tranzistoarele T1 T2, un amplificator inversor (T3) si un repetor pe emitor (T4). Referinta de tensiune este realizata cu un ansamblu constituit din dioda Zener DZ si diodele D1, D2. Aceasta structura este utilizata în scopul compensarii, de fapt reducerii, derivei termice a tensiunii Uz de la bornele diodei Zener. Asa dupa cum se stie, tensiunea de la bornele unei diode în conductie are o deriva termica de cca. 2mV C. Pentru diodele Zener, deriva termica poate fi pozitiva sau negativa în functie de valoarea tensiunii de strapungere a acestora. Deci, un ansamblu dioda Zener serie cu diode obisnuite, se justifica doar daca deriva termica a didei Zener este pozitiva. Pentru celelalte cazuri nu facem altceva decât sa marim dependenta de temperatura.

Fig. 8

Consideram o crestere initiala a tensiunii la bornele generatorului determinata de o cauza oarecare. Corectia se face dupa urmatorul algoritm:

- tensiunea din baza tranzistorului T1, fata de cazul anterior, creste proportional cu cresterea de la bornele generatorului;

- tensiunea din baza tranzistorului T2 ramâne constanta fiind fixata de dioda Zener;

- tensiunea din emitoarele etajului diferential este de asemenea fixa fiind cu cca. 0,6V mai mica decât tensiunea din baza lui T2;

- tranzistorul T1 îsi mareste conductia deoarece diferenta de potential baza-emitor a crescut (potentialul bazei a crescut în timp ce potentialul emitorului a ramas constant);

- prin rezistenta Re circula mereu acelasi curent deoarece valoarea sa nu se modifica în timp, iar diferenta de potential la care este supusa am aratat ca se mentine aceeasi;

- în Re se sumeaza curentii de emitor ai tranzistoarelor T1 T2, suma lor fiind constanta;

- deoarece curentul prin T1 a crescut conditia de mentinere constanta a sumei consta în reducera conductiei tranzistorului T2;

- reducerea curentului prin T2 determina o cadere mai mica de tensiune pe R4 si deci implicit reducerea conductiei lui T3;

- caderea de tensiune pe R7 scade (curentul prin T3 a scazut) motiv pentru care conductia lui T4 se reduce;

- scaderea curentului prin T4 înseamna scaderea curentului de excitatie al generatorului ceea ce are ca efect micsorarea tensiunii la borne, deci compensarea efectului initial;

b) O alta schema de regulator electronic este prezentata în figura 9. De aceasta data comparatorul este implementat cu un operational de tipul 741 iar compensarea termica se face cu ajutorul unui termistor.

Fig. 9

c) O varianta de regulator mai complexa, care realizeaza si functii auxiliare, se prezinta în figura 10.

Functia de reglare este realizata de comparatorul R. La intrarea neinversoare a acestuia se aplica o tensiune de referinta culeasa de pe dioda Zener DZ3, iar la intrarea inversoare se aduce, printr-un divizor rezistiv, un procent din tensiunea de la bornele generatorului Ug. Functie de valorile concrete ale celor doua tensiuni comparatorul comanda etajul Darlington realizat cu tranzistoarele T1 si T2. Trebuie remarcat ca la aceasta schema bobina de excitatie trebuie sa fie complet izolata fata de masa, un capat fiind conectat la tensiunea de alimentare iar celalalt la colectorul tranzistorului final. Dioda D2 protejaza tranzistorul final împotriva tensiunilor inverse de autoinductie ce apar în bobina de excitatie.

Fig. 10

Functia de semnalizare a supraâncarcarii este realizata de comparatorul S. Când tensiunea generata este mult mai mare decât referinta iesirea sa trece în "zero" fapt ce determina saturarea tranzistorului T4 si aprinderea lampii de avarie.

Functia de semnalizare a tensiunilor prea mici se realizeaza cu ajutorul comparatorului B.

Functia de semnalizare a modificarii referintei se face cu ajutorul comparatorului J si a unei alte referinte constituita din DZ1, DZ2. Comparatorul permite o temporizare la pornire datorita grupului R16 C2, astfel încât lampa se stinge dupa câteva secunde dupa pornirea motorului termic si intrarea în regim.

Functia de semnalizare a nefunctionarii generatorului, de exemplu curea de antrenare rupta, infasurare de excitatie intrerupta etc.

La fiecare alternanta negativa a tensiunii generate de o faza a generatorului condensatorul C3 este descarcat rapid prin rezistenta R22 de valoare redusa. În timpul alternantei pozitive dioda D1 este blocata si condensatorul C3 se încarca prin R19 de valoare mare. Constanta de încarcare fiind mult mai mare decât cea de descarcare tranzistorul T3 este mentinut blocat la o functionare normala a generatorului. Daca generatorul are o defectiune condensatorul C3 nu mai este descarcat, motiv pentru care dupa o perioada mica de timp va deschide tranzistorul T3. Deschiderea lui T3 determina saturarea lui T4 si deci aprinderea lampii de avarie.

Datele tehnice ale acestui regulator sunt:

- tensiunea reglabila în gama 13,8 14,5 V pentru curenti de sarcina între 5 36A;

- starea becului de semnalizare:

sens crescator al tensiunii: 12,8V 13,4V 15V 15,5V

APRINS X STINS X APRINS

sens descrescator al tensiunii: 11,4V    11,9V 14,5V 15,5V

APRINS X STINS X APRINS

5. MONTAJUL sI APARATURA NECESARĂ

Trasarea caracteristicilor regulatorului de tensiune auto se face cu ajutorul unui stand specializat ce permite antrenarea si încarcarea variabila a generatorului a carui excitatie este controlata de catre regulatorul testat. Schema electrica utilizata în acest scop este prezentata în fig. 11.

Fig. 11

Aparate necesare:

Ae - ampermetru 0 3A pentru masurarea curentului de excitatie;

As - ampermetru 0 40A pentru masurarea curentului de sarcina;

V - voltmetru 0 30V pentru masurarea tensiunii la borne;

k₁ k₁₅ - comutatoare pentru cresterea treptata a sarcinii electrice;

h₁ h₁₅ - becuri 24V/60W ;

Fe - frecventmetru 0 - 10kHh pentru masurarea frecventei de comutatie;

Grup antrenare cu posibilitatea de reglare a turatiei;

Regulatoare de test.

6. DESFĂsURAREA LUCRĂRII

1) Se identifica partile componente si se studiaza modalitatile de constructie a regulatoarelor electromagnetice.

2) Pentru regulatorul prezentat în fig. 8 se studiaza regimul static de functionare.

Modul de lucru :

- se alimenteaza montajul de la o sursa regabila de tensiune;

- începând de la 8V se creste tensiunea de alimentare în trepte de 0,5V pâna când se atinge valoarea de 16V;

- pentru fiecare treapta a tensiunii de alimentare se masoara potentialele punctelor A, B, C, D, E, F pentru doua cazuri: curent de excitatie nul, respectiv curent de excitatie 0,2A. Rezultatele se trec într-un tabel;

3) Pentru regulatoarele disponibile se traseaza caracteristicile: Ug = f(n), Ie = f(n), si F = f(n) pentru curent de sarcina constant. Rezultatele determinarilor experimentale se trec în tabele similare tabelului 1.

Modul de lucru :

- se realizeaza montajul indicat în figura 11;

- se fixeaza Is = 0A;

- pentru diferite valori ale turatiei de antrenare, alese astfel încât sa acopere relativ uniform întreaga gama de functionare a alternatorului, se citesc valorile curentului de excitatie, frecventei de comutatie si tensiunii la borne;

- se fixeaza o rezistenta de sarcina astfel încât Is = 10A, dupa care se reia punctul anterior;

Obs: în timpul masuratorilor se va urmari cu ajutorul osciloscopului forma de unda a curentului de excitatie. Desenati formele de unda care va par reprezentative pentru regimurile de functionare ale regulatorului de tensiune.

Tabelul 1

4) Trasarea caracteristicilor Ug = f(Is), Ie = f(Is), ºi F = f(Is) pentru cazul în care se mentine constanta turatia de antrenare. Rezultatele experimentale pentru fiecare tip de regulator se trec în tabele similare tabelului 2.

Modul de lucru :

- se realizeaza montajul indicat în figura 11;

- se regleaza o turatie de antrenare care se mentine constanta în timpul masuratorilor;

- pentru diferite valori ale curentului de sarcina, alese astfel încât sa acopere relativ uniform întreaga gama de functionare a alternatorului, se citesc valorile curentului de excitatie, frecventei de comutatie si tensiunii la borne;

- punctul anterior se reface dupa ce se reglaza o noua turatie de antrenare;

Obs: în timpul masuratorilor se va urmari cu ajutorul osciloscopului forma de unda a curentului de excitatie. Desenati formele de unda care va par reprezentative pentru regimurile de functionare ale regulatorului de tensiune.

Tabelul 2

5) Vizualizati cu ajutorul osciloscopului efectul reactiei pozitive asupra formelor de unda ale curentului de excitatie si tensiunii la borne. Ce observatii puteti face ?

7. CONŢINUTUL REFERATULUI

Prelucrarea datelor si trasarea caracteristicilor, pe baza rezultatelor experimentale, se vor realiza în MATLAB. Referatul trebuie sa contina în mod obligatoriu urmatoarele:

schema de montaj utilizata în trasarea caracteristicilor;

tabelele cu datele experimentale;

programele MATLAB pentru prelucrarea si trasarea caracteristicilor;

programele PSPICE sau MSIM 52 utilizate în simularea comparatoarelor si a regulatoarelor electronice;

comentarii si observatii la rezultatele obtinute;

raspunsul la întrebari;

rezolvarea temei de casa.

ÎNTREBĂRI:

Experimentele de laborator pot fi realizate fara bateria de acumulatoare ?

Cum explicati faptul ca tensiunea la bornele alternatorului are o componenta continua chiar daca bobina de excitatie a acestuia este alimentata în regim de curent întrerupt ?

Ce se întâmpla daca lamela metalica a unui regulator electromecanic ramâne blocata:

a) pe treapta întâia, b) în pozitia intermediara, c) pe trepta a doua;

Ce se întâmpla cu tensiunea reglata daca crestem numarul de spire ce compun bobina electromagnetultui ?

Care este influenta unui câmp magnetic, extern regulatorului, asupra tensiunii reglate ? Dar a unui câmp electric ?

Cum poate fi reglata tensiunea la bornele alternatoarelor cu magneti permanenti ?     În aceste cazuri se poate utiliza un stabilizator de tensiune ? Daca da, ce parametri ar trebui sa indeplineasca acesta ?

Cum se poate realiza compensarea cu temperatura la regulatoarele electronice ?

Ce tip de termistor trebuie folosit în schema din fig. 9 în vederea compensarii cu temperatura ?

Ce metode de îmbunatatire a comutatiei tranzistoarelor cunoasteti ? Unde sunt necesare acestea ?

Care este efectul cresterii sarcinii electrice asupra timpului relativ de închidere daca     turatia de antrenare este constanta ?

TEMĂ DE CASĂ:

Studiati posibilitatea simularii regulatoarelor de tensiune, existente în laborator,

într-un program cunoscut de dumneavoastra.

Elaborati un algoritm de diagnosticare a regulatorului de tensiune.

Concepeti si dimensionati o schema proprie de regulator electronic pentru alternatoare cu excitatie electromagnetica.