Аналоговый регулятор напряжения для генераторных установок автомобилей

Развитие современного автомобилестроения неразрывно связано с применением электроники. Степень насыщенности автомобильной техники электронными системами управления (ЭСУ) и приборами определяет его качество в целом. Согласно программе разработки и освоения автомобильных электронных систем до 2020 года на автомобильных заводах Российской Федерации планируется внедрить в серийное производство 17 электронных систем для 9 марок грузовых и 10 марок легковых автомобилей.

С расширением применения автомобильной электроники возникает целый ряд новых, весьма сложных проблем, которые требует своего решения. Одной из наиболее сложных проблем внедрения автомобильной электроники является неудовлетворительное качество электроэнергии в бортовых сетях транспортных средств. К основным качественным параметрам, непосредственно влияющих на надежность автомобильной электроники, можно отнести переходные отклонения, пульсации и импульсы напряжения. Источником этих параметров на автомобилях являются генераторная установка, система зажигания, мощные приемники электроэнергии. Распространяясь в бортовой сети, переходные отклонения, пульсации и импульсы напряжения могут негативно влиять на работу радиоэлектронных средств (РЭС) и электронных устройств, входящих в состав электрооборудования автомобилей монтируемых на его шасси.

Установлено, что проблема качества электроэнергии неразрывно связана и с электромагнитной совместимость, (ЭМС) электрооборудования автомобильной техники и РЭС по напряжению непреднамеренных кондуктивных индустриальных радиопомех (ИРП). Для надежного функционирования электронных систем задача обеспечения требуемого качества электроэнергии имеет не менее важное значение, чем задача обеспечения надежности самих электронных систем и РЭС.

Важнейшими задачами улучшения качества электроэнергии в бортовых сетях автомобильной техники являются:

— исследования причин возникновения и воздействия параметров качества электроэнергии на автомобильную электронику;

— определение восприимчивости РЭС и электронных систем к параметрам качества электроэнергии и кондуктивным ИРП;

— исследование путей улучшения качества электроэнергии в бортовых сетях автомобильной техники;

— разработка эффективных мер зашиты РЭС и автомобильных электронных систем от негативного воздействия переходных отклонений и импульсов напряжения и предложений по уменьшению уровня ИРП от генераторных установок автомобильной техники.

Решение задач по улучшению параметров качества электроэнергии должно происходить на внутрисистемном и межсистемном уровнях. Для автомобильной техники на внутрисистемном уровне должна решаться задача обеспечения норм качества электроэнергии для надежной работы электронного и электрического оборудования. На межсистемном уровне должна решаться задача обеспечения качества электроэнергии на входах аппаратуры, питающейся от бортовой сети базового шасси. Для автомобильной техники актуальным является решение задач по обеспечению качества электроэнергии на обоих уровнях.

Актуальность работы также обуславливается разработкой новых электронных систем управления, использующих в своем составе микропроцессоры, весьма критичные к качеству питающего напряжения. Кроме того, создаваемые генераторной установкой кондуктивные ИРП оказывают мешающее действие на радиоприемные устройства (РПУ), что снижает качество и дальность связи.

К настоящему времени достаточно глубоко исследованы вопросы обеспечения работы автомобильной электроники при питании ее от бортовой сети транспортного средства и вопросы улучшения параметров качества электроэнергии в бортовых сетях автомобильной техники. Однако улучшение параметров качества электроэнергии проводилось по направлению создания фильтров различной конструкции, предназначенных, прежде всего, для уменьшения уровня ИРП. Не существует единых норм, регламентирующих величины параметров качества электроэнергии в бортовых сетях автомобильной техники.

Анализ использования автомобильной техники под монтаж РЭС показывает, что для эффективного помехоподавления ИРП, предусматривается установка значительного объема средств помехоподавления, но не принимается мер по модернизации источников кондуктивных радиопомех.

Кроме того, недостаточно исследованы возможности создания двухканальных СЭС с каналом повышенного качества электроэнергии.

Дальнейшим развитием этих направлений исследований явились вопросы, поставленные в рамках данной диссертационной работы.

Целью исследования: улучшение параметров качества электроэнергии в бортовых сетях автомобильной техники путем изменения способа регулирования напряжения генератора с дискретного на аналоговый.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены задачи, включающие:

— исследование влияния способов регулирования напряжения генератора на статистические и динамические характеристики генераторной установки, параметры качества электроэнергии и уровень радиопомех в бортовых сетях автомобильной техники;

— исследования влияния параметров аналогового регулятора на устойчивость к самовозбуждению системы регулирования;

— исследования переходных процессов в бортовой сети автомобильной техники при коммутации внешней нагрузки;

— исследования влияния емкостных низкочастотных фильтров и стабилизаторов напряжения на параметры качества электроэнергии.

Научная новизна диссертационной работы заключается:

— в теоретическом обосновании целесообразности применения аналогового способа регулирования напряжения генератора с помощью математического аппарата теории автоматического регулирования;

— в определении факторов устойчивости к самовозбуждению АРН и получении математической зависимости устойчивости системы регулирования от коэффициента усиления АРН;

— в создании математической модели переходных процессов, возникающих при коммутации внешней нагрузки.

Практическая ценность результатов работы определяется:

— созданием алгоритма и программы расчета на ЭВМ параметров переходных процессов при коммутации внешней нагрузки генератора;

— разработкой схемы АРН;

— предложениями по нормированию параметров качества электроэнергии в бортовых сетях автомобильной техники;

— рекомендациями по обеспечению норм качества электроэнергии на автомобильной технике;

— рекомендациями по снижению уровня кондуктивных ИРП, создаваемых генераторной установкой и уменьшению номенклатуры помехоподавительных средств.

Методики и программы расчета АРН и параметров переходных коммутационных процессов внедрены в Дальневосточном научно-исследовательском институте механизации и электрофикации сельского хозяйства (ГНУ ДальНИИМЭСХ), г. Благовещенск.

Результаты диссертационной работы будут использованы при разработке предложений по корректировке стандартов ГОСТ 13 109–97 и ГОСТ 15 150–69.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на VIII региональной межвузовской научно-практической конференции 17−18 мая 2009 года. Молодежь XXI века: шаг в будущее, научно-практической конференции Дальневосточного высшего военного командного училища (военного института) 28 марта 2008 года, расширенном заседании кафедры «Боевых машин и автомобильной подготовки» Дальневосточного высшего военного командного училища (военного института) 12 мая 2010 года.

По основным материалам работы опубликовано восемь печатных работ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 120 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунка, 26 таблиц, список литературы из 77 наименований.

11. Результаты работы в виде соответствующих рекомендаций и предложений используются в Дальневосточном научно-исследовательском институте механизации и электрофикации сельского хозяйства (ГНУ ДальНИИМЭСХ), г. Благовещенск.

12. Дальнейшим направлением исследований путей улучшения параметров качества электроэнергии в бортовых сетях автомобильной техники следует считать исследования управляемых выпрямителей на тиристорах и возможность использования емкостных накопителей в качестве фильтров.

В заключение данной работы, на основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований генераторной установки с аналоговым регулятором напряжения, как замкнутой системы автоматического регулирования, можно сделать следующие основные выводы:

1. Анализ статических и динамических характеристик генераторной установки на режимах переменных скоростей вращения и нагрузок позволил обосновать целесообразность изменения способа регулирования напряжения генератора с дискретного на аналоговый.

2. Разработаны математические зависимости, описывающие работу генераторной установки с АРН как системы автоматического регулирования, получены формулы для определения коэффициента усиления АРН, обеспечивающего его устойчивую работу. Установлена теоретически и экспериментально подтверждена зависимость коэффициента усиления АРН при его устойчивой работе от тока нагрузки генератора.

3. Разработана математическая модель переходных процессов, возникающих при коммутации внешней нагрузки.

4. Разработана схема и изготовлены опытные образцы аналоговых регуляторов напряжения, позволяющих уменьшить в бортовой сети автомобильной техники длительность переходных отклонений напряжении на 24,5.36% и пульсации напряжения в 1,5,.2,8 раза.

5. Результаты экспериментальных исследований генераторных установок с АРН в лабораторных условиях и на автомобилях подтвердили сходимость с результатами теоретических исследований в пределах 10%.

6. Проведены климатические исследования и пробеговые испытания генераторных установок с АРН, которые показали работоспособность и достаточную надежность разработанных опытных образцов АРН при минимальных массо-габаритных показателях регуляторов.

7. На основе проведенных исследований разработаны предложения по нормированию параметров качества электроэнергии в бортовых сетях автомобильной техники.

8. Разработаны предложения по обеспечению норм качества электроэнергии в бортовых сетях автомобильной техники, позволяющие: снизить пульсацию от работы системы зажигания в 1,5.2,5 раза, снизить амплитуду переходных процессов при включении нагрузки в 8.9,5 раз.

9. Разработаны предложения по снижению напряжения кондуктивных ИРП на автомобилях, используемых под монтаж РЭС и РПУ.

10. Результаты настоящей работы могут быть использованы для разработки и расчета аналоговых регуляторов напряжения для генераторных установок с уменьшенным коэффициентом пульсаций, что дает возможность создавать системы электроснабжения автомобильной техники с улучшенными параметрами качества электроэнергии и уровнем кондуктивных ИРП, определяемых требованиями норм 11−70.