Интегральный регулятор: подробно простым языком
Интегральный регулятор — это прибор для управления технологическим процессом, который используется в методе интегрального регулирования.
Интегральный регулятор
Принцип действия интегрального регулятора
Интегральные регуляторы имеют широкое разнообразие конструкций, однако, большинство из них работают одинаково. Увеличенный выход получается путем изменения нормального режима работы, при котором регулятор уравновешивает сам себя, так как он реагирует на изменения входа. Затем выход может быть преобразован таким образом, чтобы возвратить переменную процесса к уставке.
С-образная трубка Бурдона является входным механизмом. Кончик трубки присоединен к одному концу балансира. Сопло расположено над балансиром, и балансир входит в состав механизма определения ошибок. Сопло закреплено на подвижном блоке, который может быть подвинут ближе или дальше от балансира. Поперечная пружина, которая является гибкой пружиной для этого регулятора применяется для разделения двух сильфонов, соединяет другой конец балансира к двум сильфонам: сильфон обратной связи над балансиром и интегральный сильфон под ним. Сильфон обратной связи является выходным/балансировочным механизмом.
Увеличение входа заставляет трубку Бурдона раскрутиться. Так как трубка раскручивается, она поднимает один конец балансира и перемещает его ближе к соплу. Таким образом регулятор сравнивает переменную процесса с уставкой. Обратное давление увеличивается до величины, которая пропорциональна увеличению входа-вычислительной функции.
Увеличение обратного давления преобразовывается реле в пропорциональное увеличение корректирующего выхода регулятора. Выход подается к сильфону обратной связи, и через переменное ограничение к интегральному сильфону — оба сильфона расширяются. Однако, интегральный сильфон расширяется позднее, чем сильфон обратной связи из-за переменного ограничения. Силы сильфонов уравновешены, удерживая балансир в положении, которое влияет на выход больше, чем это могло бы быть при только пропорциональном регуляторе. Это увеличение выхода представляет собой интегральное регулирование. Выход регулятора будет продолжать увеличиваться в течение времени, при котором переменная процесса не равна уставке.
Источник
Устройство интегрального регулятора напряжения
Рейтинг 2.6/5 (122 голосов)
Регулятор напряжения поддерживает напряжение бортовой сети в заданных пределах во всех режимах работы при изменении частоты вращения ротора генератора, электрической нагрузки, температуры окружающей среды. Кроме того, он может выполнять дополнительные функции — защищать элементы генераторной установки от аварийных режимов и перегрузки, автоматически включать в бортовую сеть цепь обмотки возбуждения или систему сигнализации аварийной работы генераторной установки.
Все регуляторы напряжения работают по единому принципу. Напряжение генератора определяется тремя факторами — частотой вращения ротора, силой тока, отдаваемой генератором в нагрузку, и величиной магнитного потока, создаваемой током обмотки возбуждения. Чем выше частота вращения ротора и меньше нагрузка на генератор, тем выше напряжение генератора. Увеличение силы тока в обмотке возбуждения увеличивает магнитный поток и с ним напряжение генератора, снижение тока возбуждения уменьшает напряжение.
Все регуляторы напряжения, отечественные и зарубежные, стабилизируют напряжение изменением тока возбуждения. Если напряжение возрастает или уменьшается, регулятор соответственно уменьшает или увеличивает ток возбуждения и вводит напряжение в нужные пределы.
Блок-схема регулятора напряжения представлена на рис. 1.
Регулятор 1 содержит измерительный элемент 5, элемент сравнения 3 и регулирующий
элемент 4. Измерительный элемент воспринимает напряжение генератора 2 Ud и преобразует его в сигнал Uизм., который в элементе сравнения сравнивается с эталонным значением Uэт.
Если величина Uизм. отличается от эталонной величины Uэт, на выходе измерительного элемента появляется сигнал Uo, который активизирует регулирующий элемент, изменяющий ток в обмотке возбуждения так, чтобы напряжение генератора вернулось в заданные пределы.
Таким образом, к регулятору напряжения обязательно должно быть подведено напряжение генератора или напряжение из другого места бортовой сети, где необходима его стабилизация, например, от аккумуляторной батареи, а также подсоединена обмотка возбуждения генератора. Если функции регулятора расширены, то и число подсоединений его в схему растет.
Чувствительным элементом электронных регуляторов напряжения является входной делитель напряжения. С входного делителя напряжение поступает на элемент сравнения, где роль эталонной величины играет обычно напряжение стабилизации стабилитрона. Стабилитрон не пропускает через себя ток при напряжении ниже напряжения стабилизации и пробивается, т.е. начинает пропускать через себя ток, если напряжение на нем превысит напряжение стабилизации. Напряжение же на стабилитроне остается при этом практически неизменным.
Ток через стабилитрон включает электронное реле, которое коммутирует цепь возбуждения таким образом, что ток в обмотке возбуждения изменяется в нужную сторону. В вибрационных и контактно-транзисторных регуляторах чувствительный элемент представлен в виде обмотки электромагнитного реле, напряжение к которой, впрочем, тоже может подводиться через входной делитель, а эталонная величина — это сила натяжения пружины, противодействующей силе притяжения электромагнита.
Коммутацию в цепи обмотки возбуждения осуществляют контакты реле или, в контактно-транзисторном регуляторе, полупроводниковая схема, управляемая этими контактами.
Особенностью автомобильных регуляторов напряжения является то, что они осуществляют дискретное регулирование напряжения путем включения и выключения в цепь питания обмотки возбуждения (в транзисторных регуляторах) или последовательно с обмоткой дополнительного резистора (в вибрационных и контактно- транзисторных регуляторах), при этом меняется относительная продолжительность включения обмотки или дополнительного резистора.
Поскольку вибрационные и контактно-транзисторные регуляторы представляют лишь исторический интерес, а в отечественных и зарубежных генераторных установках в настоящее время применяются электронные транзисторные регуляторы, удобно рассмотреть принцип работы регулятора напряжения на примере простейшей схемы, близкой к отечественному регулятору напряжения Я112А1 и регулятору EE14V3 фирмы BOSCH (рис. 2).
Регулятор 2 на схеме работает в комплекте с генератором 1, имеющим дополнительный
выпрямитель обмотки возбуждения. Чтобы понять работу схемы, следует вспомнить, что, как было показано выше, стабилитрон не пропускает через себя ток при напряжениях ниже величины напряжения стабилизации. При достижении напряжением этой величины стабилитрон пробивается, и по нему начинает протекать ток.
Транзисторы же пропускают ток между коллектором и эмиттером, Т.е. открыты, если в цепи база-эмиттер ток протекает, и не пропускают этого тока, т.е. закрыты, если базовый ток прерывается.
Напряжение к стабилитрону VD1 подводится от выхода генератора Д через делитель напряжения на резисторах R1, R2. Пока напряжение генератора невелико, и на стабилитроне оно ниже напряжения стабилизации, стабилитрон закрыт, ток через него, а, следовательно, и в базовой цепи транзистора VT1 не протекает, транзистор VT1 закрыт. В этом случае ток через резистор R6 от вывода Д поступает в базовую цепь транзистора VT2, он открывается, через его переход эмиттер-коллектор начинает протекать ток в базе транзистора VT3, который открывается тоже. При этом обмотка возбуждения генератора оказывается через переход эмиттер-коллектор VT3 подключена к цепи питания.
Соединение транзисторов VT2, VT3, при котором их коллекторные выводы объединены, а питание базовой цепи одного транзистора производится от эмиттера другого, называется схемой Дарлингтона. При таком соединении оба транзистора могут рассматриваться как один составной транзистор с большим коэффициентом усиления. Обычно такой транзистор и выполняется на одном кристалле кремния.
Если напряжение генератора возросло, например, из-за увеличения частоты вращения его ротора, то возрастает и напряжение на стабилитроне VD1. При достижении этим напряжением величины напряжения стабилизации стабилитрон VD1 пробивается, ток через него начинает поступать в базовую цепь транзистора VT1, который открывается и своим переходом эмиттер-коллектор закорачивает вывод базы составного транзистора VT2, VТЗ на «массу». Составной транзистор закрывается, разрывая цепь питания обмотки возбуждения. Ток возбуждения спадает, уменьшается напряжение генератора, закрываются стабилитрон VD2, транзистор VT1, открывается составной транзистор VT2, VТЗ, обмотка возбуждения вновь включается в цепь питания, напряжение генератора возрастает и т.д., процесс повторяется.
Таким образом регулировка напряжения генератора регулятором осуществляется дискретно через изменение относительного времени включения обмотки возбуждения цепи питания. При этом ток в обмотке возбуждения изменяется так, как показано на рис. 3.
Если частота вращения генератора возросла или нагрузка его уменьшилась, время включения обмотки уменьшается, если частота вращения уменьшилась или нагрузка возросла — увеличивается.
В схеме регулятора по рис. 2имеются элементы, характерные для схем всех применяющихся на автомобилях регуляторов напряжения. Диод VD2 при закрытии составного транзистора VT2, VT3 предотвращает опасные всплески напряжения, возникающие из-за обрыва цепи обмотки возбуждения со значительной индуктивностью. В этом случае ток обмотки возбуждения может замыкаться через этот диод, и опасных всплесков напряжения не происходит. Поэтому диод VD2 называется гасящим.
Сопротивление R3 является сопротивлением жесткой обратной связи. При открытии составного транзистора VT2, VT3 оно оказывается подключенным параллельно сопротивлению R2 делителя напряжения. При этом напряжение на стабилитроне VD2 резко уменьшается, что ускоряет переключение схемы регулятора и повышает частоту этого переключения. Это благотворно сказывается на качестве напряжения генераторной установки.
Конденсатор С1 является своеобразным фильтром, защищающим регулятор от влияния импульсов напряжения на его входе. Вообще конденсаторы в схеме регулятора либо предотвращают переход этой схемы в колебательный режим и возможность влияния посторонних высокочастотных помех на работу регулятора, либо ускоряют переключения транзисторов. В последнем случае конденсатор, заряжаясь в один момент времени, разряжается на базовую цепь транзистора в другой момент, ускоряя броском разрядного тока переключение транзистора и, следовательно, снижая потери мощности в нем и его нагрев.
Из рис. 2 хорошо видна роль лампы контроля работоспособного состояния генераторной установки НL. При неработающем двигателе внутреннего сгорания замыкание контактов выключателя зажигания SA позволяет току от аккумуляторной батареи GA через эту лампу поступать в обмотку возбуждения генератора. Этим обеспечивается первоначальное возбуждение генератора. Лампа при этом горит, сигнализируя, что в цепи обмотки возбуждения нет обрыва.
После запуска двигателя, на выводах генератора Д и «+» появляется практически одинаковое напряжение и лампа гаснет. Если генераторная установка при работающем двигателе автомобиля не развивает напряжения, то лампа HL продолжает гореть и в этом режиме, что является сигналом об отказе генераторной установки или обрыве приводного ремня.
Введение резистора R в генераторную установку способствует расширению диагностических способностей лампы HL. При наличии этого резистора, если при работающем двигателе автомобиля произойдет обрыв цепи обмотки возбуждения, то лампа HL загорится.
Аккумуляторная батарея для своей надежной работы требует, чтобы с понижением температуры электролита напряжение, подводимое к батарее от генераторной установки, несколько повышалось, а с повышением температуры — понижалось.
Для автоматизации процессов изменения уровня поддерживаемого напряжения применяется датчик, помещенный в электролит аккумуляторной батареи и включаемый в схему регулятора напряжения. В простейшем случае термокомпенсация в регуляторе подобрана таким образом, что в зависимости от температуры поступающего в генератор охлаждающего воздуха напряжение генераторной установки изменяется в заданных пределах.
В рассмотренной схеме регулятора напряжения, как и во всех регуляторах аналогичного типа, частота переключений в цепи обмотки возбуждения изменяется по мере изменения режима работы генератора. Нижний предел этой частоты составляет 25-50 Гц. Однако имеется и другая разновидность схем электронных регуляторов, в которых частота переключения строго задана. Регуляторы такого типа оборудованы широтно-импульсным модулятором (ШИМ), который и обеспечивает заданную частоту переключения.
Применение ШИМ снижает влияние на работу регулятора внешних воздействий, например, уровня пульсаций выпрямленного напряжения и т.п.
В настоящее время все больше зарубежных фирм переходит на выпуск генераторных установок без дополнительного выпрямителя. Для автоматического предотвращения разряда аккумуляторной батареи при неработающем двигателе автомобиля в регулятор такого типа заводится фаза генератора.
Регуляторы, как правило, оборудованы ШИМ, который, например, при неработающем двигателе переводит выходной транзистор в колебательный режим, при котором ток в обмотке возбуждения невелик и составляет доли ампера.
После запуска двигателя сигнал с вывода фазы генератора переводит схему регулятора в нормальный режим работы. Схема регулятора осуществляет в этом случае и управление лампой контроля работоспособного состояния генераторной установки.
Источник
Устройство интегрального регулятора напряжения
Интегральный регулятор напряжения
Интегральный регулятор напряжения имеет рабочий процесс, принципиально мало чем отличающийся от ранее рассмотренных рабочих процессов дискретных регуляторов.
Измерительным элементом интегрального регулятора напряжения типа Я-112А является стабилитрон KD1, который в зависимости от уровня регулируемого напряжения Uможет находиться в одном из двух состояний: пробитом или непробитом (закрытом).
Регулятор выполнен на основе использования кремниевых полупроводниковых элементов, допускающих более стабильную работу при больших температурных нагрузках.
В микросхеме используются транзисторы типа п—р — п.
В отличие от ранее рассмотренных схем регулятор напряжения включается между обмоткой возбуждения ОВ и «массой».
Обе щетки обмотки возбуждения генератора Г изолированы от «массы».
При напряжении генератора ниже порогового t/min стабилитрон VDI находится в закрытом (непробитом) состоянии. При этом управляющий транзистор VT2 закрыт, поскольку на его базу не подается положительный потенциал.
Соответственно транзистор VT4 открыт, поскольку на его базу подается положительное напряжение по цепи R5 — VD3.
Такое состояние промежуточного транзистора VT4 способствует открытию выходного транзистора VT5.
При открытом выходном транзисторе VT5 регулятора ток возбуждения проходит от положительного полюса генератора (аккумуляторной батареи VT5 и замыкается на «массу», т.е. достигает наибольшей величины.
Это способствует росту магнитного потока возбуждения, что соответствующим образом повышает напряжение генератора.
При повышении напряжения генератора выше порогового Umin напряжение на контрольной точке КТ1 делителя напряжения превысит напряжение пробоя стабилитрона, в результате чего стабилитрон перейдет
У’П. влечет за собой поочередное закрытие промежуточного VT4 и выходного VT5 транзисторов.
Ток возбуждения генератора при этом уменьшится, и величина его будет определяться величиной сопротивления коллекторно-эмиттерного перехода не полностью закрытого выходного транзистора VT5.
Уменьшение тока возбуждения влечет за собой уменьшение магнитного потока возбуждения и соответствующее снижение напряжения^
ся напряжение на контрольной точке КТ1 делителя, отчего стабилитрон VDX снова переходит в закрытое (непробитое) состояние, и процесс повторяется с определенной частотой порядка 200. 300 Гц.
Диод VD3 улучшает процесс запирания выходного и промежуточного транзисторов VT4 и VT5 вследствие дополнительного падения напряжения на этом диоде.
Диод юших в обмотке возбуждения генератора при переключениях регулятора, а также защищает выходной транзистор VT5 от перенапряжения в момент его переключения в режим отсечки тока.
Емкостно-резистивная цепь обратной связи R4 — С1 повышает четкость переключения транзисторов регулятора и уменьшает время их перехода из одного состояния в другое.
Цепь R3—C2 — R6 осуществляет роль сглаживающего фильтра напряжения на базе транзистора VT2 от колебаний, обусловленных работой схемы выпрямителя генератора.
Для ликвидации влияния на напряжение генератора окружающей температуры в одно из плеч делителя включен терморезистор R2.
Современная технология изготовления микросхем позволяет осуществлять конструктивное исполнение регулятора в виде замкнутого герметичного объема на металлической пластине — основании регулятора.
Активные элементы схемы выполняются в виде защищенных блоков, пассивные (резисторы, конденсаторы, провода) — по толстопленочной технологии на керамической основе.
При изготовлении схема регулятора настраивается на требуемый уровень напряжения методом лазерной подгонки.
Регулятор выполняется в пластмассовом корпусе с тремя выводами, обычно имеющими обозначения типа В, Ш и «-», и размещается в щеткодержателе генератора.
Напряжение генератора при эксплуатации не регулируется, ремонту такой регулятор не подлежит.
Для надежной работы электронных регуляторов необходима их приспособленность к работе в условиях нарушения нормальных режимов работы — кратковременная и длительная работа при отключенной аккумуляторной батарее, искрение в контактах стартера при пуске двигателя, нарушение контактных соединений в цепи возбуждения.
В связи с этим повышенные требования предъявляются к цепям фильтрации управляющих напряжений и прежде всего к выходному транзистору, который должен выдерживать возникающие при аномальных режимах импульсные перегрузки по напряжению, способные достигать 150. 200 В.
Интегральные регуляторы напряжения могут быть применены при работе не только со щеточными генераторами электромагнитного возбуждения, но и с любыми другими генераторами, имеющими обмотку возбуждения, питаемую от бортовой сети.
В частности, на тракторах МТЗ, Т-150К и других широкое распространение получили
Начальное возбуждение таких генераторов производится от постоянных магнитов, а регулирование напряжения осуществляется интегральным регулятором Я-112А, который воздействует на ток возбуждения (подмагничивания).
К достоинствам интегрального регулятора напряжения следует отнести не только его малые габаритные размеры и массу, но и высо-
Посредством терморезистора R2 производится коррекция напряжения генератора в зависимости от окружающей температуры.
При повышении температуры напряжение генератора несколько снижается, а при ее понижении — возрастает.
Электрическая схема и рабочий процесс интегрального регулятора напряжения типа Я-120 практически не отличаются от рассмотренных для регулятора Я-112А.
Разницу составляют лишь отличия номиналов элементов, прежде всего стабилитрона, обусловливающих применимость данного регулятора в генераторных установках с номинальным напряжением 28 В.
Кроме того, некоторые модификации регулятора Я-120, в частности Я-120М, имеют вывод для подключения посезонного переключателя уровня регулируемого напряжения.
Источник