Elektroniczne regulatory napięcia cz. 2.
W pierwszej części artykułu opisana została zasada działania regulatora napięcia, która polega na ciągłym, potencjometrycznym regulowaniu napięcia zasilającego uzwojenie wzbudzenia lub na skokowej zmianie wartości tego napięcia.
Współczesne elektroniczne regulatory napięcia pełnią funkcję urządzeń wielofunkcyjnych, jednocześnie sterując mocą wyjściową prądnicy prądu przemiennego i nadzorując jej pracę. Dzięki zastosowaniu w regulatorach multifunkcyjnych funkcji LRC (kontroli zmiany obciążenia) podczas wystąpienia dużych zmian poboru prądu w wyniku włączania elementów pasywnych dużej mocy, praca jednostki napędowej stała się bardziej regularna. Funkcja LRC bezpośrednio współpracuje z układem sterującym wtryskiem paliwa, np. PCM EEC lub innym. Współpraca tych układów umożliwia pełną regulację prędkości obrotowej silnika na biegu jałowym w wyniku zmian obciążenia instalacji elektrycznej pojazdu, poprzez włączony przekaźnik. W wyniku współpracy odbiorniki zasilane dużym prądem zostają w pełni zasilone wyłącznie podczas pracy alternatora.Z alternatorem (np. kompaktowym) bezpośrednio współpracują odbiorniki obciążające, takie jak sterownik ABS, sterownik wtrysku paliwa PCM EEC lub inny, sterownik przekładni automatycznej, wzmacniacz audio i inne. W skład sterownika wtrysku PCM EEC wchodzą następujące podzespoły: konwerter analogowo-cyfrowy, układ kształtowania impulsów, mikrokomputer. Do wejścia PCM EEC dostarczane są odpowiednio sygnały z czujników. Czujniki dostarczają sygnały analogowe w postaci częstotliwości, napięcia przemiennego lub stałego. Sygnały analogowe przetwarzane są na sygnały cyfrowe (binarne), zrozumiałe dla mikroprocesora sterownika.
Sygnał analogowy (np. napięcie narastające liniowo) jest obliczany za pomocą liczby impulsów, gdzie liczba impulsów (cyfry) reprezentuje wartość cyfrową (binarną). Napięcia stałe są przetwarzane przez konwerter analogowo-cyfrowy (A/D). Napięcia przemienne i częstotliwości obrabiane są przez układ kształtowania impulsów (IF). Konwertowane sygnały czujników (dane) są przesyłane z jednostki wejścia przez system szyn do mikroprocesora. W mikroprocesorze dostarczone dane są interpretowane z charakterystyką i scalane w optymalny sygnał wyjściowy za pomocą programów obliczeniowych (algorytmów obliczeniowych). Dane zapisywane w pamięci wartości stałych i dostarczane przez elementy pomiarowe są do dyspozycji mikroprocesora. W zależności od potrzeb określonych przez rzeczywiste zmiany warunków pracy silnika dane zbiorcze są aktualizowane i zastępowane innymi. Do zapisywania i utrzymania zapisanych danych konieczne jest napięcie akumulatora. Zawartość pamięci jest kasowana po jego odłączeniu.Na podstawie przetworzonych sygnałów wejściowych z układów pomiarowych z wyjścia alternatora przez przewód przesyłany jest sygnał do modułu sterującego wtryskiem paliwa PCM EEC, w celu określenia rzeczywistego stanu obciążenia alternatora (ilustracja 1). Po przetworzeniu sygnał wykorzystywany jest do ustalenia optymalnej wartości prędkości obrotowej biegu jałowego silnika. Zakres częstotliwości przesyłanego sygnału wynosi od 100 do 200 Hz. Aby zapewnić poprawne działanie układu ładowania wypełnienie cyklu w zależności od wartości prądu ładowania powinno wynosić od 9 do 97%. Przy 97-proc. wypełnieniu cyklu (równoznacznym z wartością dużego prądu ładowania) następuje zwiększenie prędkości obrotowej biegu jałowego silnika. Podobnie należy interpretować wartość przesyłanego sygnału napięcia na wejściu modułu sterującego wtryskiem paliwa PCM EEC. Zbyt niska jego wartość odpowiada niskiemu napięciu ładowania.W zależności od wartości podawanych sygnałów wejściowych z modułu sterującego wtryskiem paliwa PCM EEC oraz rzeczywistej temperatury akumulatora, elektroniczny regulator multifunkcyjny reguluje napięcie alternatora. W przypadku nieosiągnięcia wymaganej wartości napięcia, system automatycznie zwiększa prędkość obrotową biegu jałowego silnika, powodując zwiększone wytwarzanie energii przez alternator. Częstotliwość regulacji napięcia alternatora jest identyczna jak w przypadku sygnału wejściowego modułu sterującego wtryskiem paliwa PCM EEC, czyli wynosi 100–200 Hz.Elektroniczny multifunkcyjny regulator napięcia wykorzystuje odpowiednie wartości procentowe wypełniania cyklu, np. 15% = 12,6 V (maksymalnie 95% = 16,5 V). Po analizie aktualnego obciążenia sygnałem powrotnym moduł sterujący wtryskiem paliwa przesyła żądaną wartość napięcia do alternatora. Warunki pracy układu zasilania w energię elektryczną, nadzorującą bezpośrednio poprzez sygnały z alternatora i modułu sterującego wtryskiem paliwa PCM EEC, określane są przez ciągłe, powtarzające się cykle przesyłu sygnału. Stan taki podczas pracy jednostki napędowej i włączania poszczególnych odbiorników umożliwia natychmiastową reakcję zmiany sygnału zadanego wartości napięcia alternatora względem zmieniających się warunków obciążenia alternatora. W wyniku tych działań napięcie generowane przez alternator może zawierać się w granicach 12,6–16,5 V. Żądana wartość napięcia alternatora ustalana jest jako parametr wykonawczy dla aktualnej wartości temperatury akumulatora. Załączenie elektronicznego multifunkcyjnego regulatora napięcia następuje w wyniku przesłania pierwszego sygnału wyjściowego PWM z modułu sterującego wtryskiem paliwa, np. PCM EEC.W celu optymalizacji przyśpieszania pojazdu, w warunkach pełnego obciążenia, obciążenie silnika przez alternator zostaje ograniczone przez sygnał wyjściowy z modułu sterującego PCM EEC. Tryb pracy zmieniany jest przez obniżenie wartości żądanej napięcia do wartości najniższej. Tryb pełnego obciążenia może zostać chwilowo wyłączony w celu zapobiegnięcia rozładowaniu akumulatora. W fazie przejścia alternator chwilowo zostaje załączony, przechodząc w tryb normalnej pracy (chwilowe podładowanie akumulatora) tzw. pełne otwarcie przepustnicy. Regulacja prędkości obrotowej biegu jałowego możliwa jest wyłącznie dzięki stałemu monitorowaniu aktualnego obciążenia alternatora i przesyłanego sygnału wyjściowego z modułu sterującego wtryskiem paliwa PCM EEC. Przy dużym obciążeniu, wywołanym załączaniem dużej liczby odbiorników wysokoenergetycznych, moduł sterujący wtryskiem paliwa PCM EEC przesyła sygnał do zaworu regulacji powietrza biegu jałowego (IAC), zwiększając tym samym prędkość obrotową biegu jałowego, co przekłada się na wzrost prędkości obrotowej wirnika alternatora. Zawór regulacji ilości powietrza biegu jałowego (IAC) sterowany jest w sposób elektroniczny za pomocą zaworu elektromagnetycznego, umożliwiając fluktuację powietrza z pominięciem przepustnicy. Sterowanie odbywa się za pomocą przesyłanych impulsów masy z modułu PCM EEC, których długość określa położenie zaworu. Zawór regulacji ilości powietrza (IAC) zamocowany jest do komory zbiorczej powietrza za korpusem przepustnicy W niektórych modelach pojazdów montowany jest w układzie dolotowym przed korpusem przepustnicy i połączony z komora biorczą powietrza za pomocą przewodu. Twornik magnetyczny zaworu sterowany jest zmiennymi wartościami natężenia prądu ze sterownika PCM EEC. Przepustnica zaworu, ilość przesyłanego powietrza, która pomija przepustnicę główną powietrza silnika sterowana jest wartością natężenia prądu oraz siłą naciągu sprężyny. Na podstawie sygnału prędkości obrotowej silnika, w odniesieniu do aktualnego obciążenia instalacji elektrycznej i temperatury akumulatora, wartość odniesienia (zadana) steruje zaworem regulacji ilości powietrza (IAC). Żądana wartość wywarzanego napięcia przez alternator przy pełnym obciążaniu, w zależności od prędkości obrotowej, osiągana jest również poprzez regulację elektronicznego multifunkcyjnego regulatora napięcia. Modulacje wartościami napięcia alternatora przynoszą pożądane efekty wyłącznie podczas ruchu pojazdu. W trybie postojowym tylko sporadycznie, przy dużym obciążeniu, można zaobserwować zmiany wartości prędkości biegu jałowego, stwarzające wrażenie nieregularnej pracy jednostki napędowej. W nowych koncepcjach elektronicznych regulatorów multifunkcyjnych przebieg ten został ograniczony, a zwiększanie mocy (prądu wzbudzenia) w zależności od obciążenia instalacji elektrycznej, nie powoduje zauważalnych zmian wartości prędkości obrotowych silnika.
Ilustracja 2. Elektroniczny regulator napięcia współpracujący z alternatorem: a) typ 1, b) typ 2 – złącze wtykowe, c) typ 2 – elementy chłodzące – widok tył. Źródło: Piotr Wróblewski
Elektroniczne multifunkcyjne regulatory napięcia, pełnią szereg funkcji optymalizujących pracę układu zasilania w energię elektryczną oraz zabezpieczenia układów i jego elementów (odbiorników) przed uszkodzeniami przepięciowymi. Wyposażenie zabezpieczające regulatora napięcia odpowiada za obronę przeciwzwarciową obwodu wirnika oraz lampki ładowania. W celu ochrony przeciwprzeciążeniowej mierzona jest wartość aktualnej temperatury bezpośrednio na układzie scalonym. W przypadku zarejestrowania zbyt wysokiej wartości temperatury napięcie regulowane zostaje obniżone do wartości wymaganej, zgodnej z algorytmem odniesienia w sterowniku zabezpieczającym. O niewłaściwej pracy układu zasilania kierowca informowany jest przez lampkę na tablicy rozdzielczej. Zapala się ona na podstawie przesyłanych sygnałów ze zintegrowanych obwodów opartych na kombinacji logicznej. Reakcja układu wykrywania niesprawności reaguje w przypadku niewystarczającego lub nadmiernego ładowania, braku obrotów wirnika alternatora, zwarcia w obwodzie wzbudzenia, zwarcia w stopniu mocy regulatora, przerwy w obwodzie wzbudzenia, przerwy w stopniu mocy regulatora, przerwy w przewodzie ładowania B+, przerwy w przewodzie pomiaru napięcia na akumulatorze. W chwili przekroczenia dopuszczalnej wartości prędkości obrotowej uzwojenie wzbudzenia jest wyłączane i alternator przestaje generować napięcie (tzw. ograniczanie prędkości obrotowej). Elektroniczne multifunkcyjne regulatory napięcia wyposażone są w funkcję przekaźnika czasowego podczas rozruchu (LRS), która zmienia działanie regulatora podczas uruchamiania silnika. Funkcja LRS umożliwia wykorzystanie przez rozrusznik i układ zapłonowy silnika, maksymalnej wartości prądu podczas fazy rozruchu, alternator nie wytwarza momentu hamującego (ilość impulsów fazowych jest ograniczana), w wyniku czego uzwojenie wzbudzenia nie pobiera prądu. Na podstawie zliczanych impulsów ponownie uruchomione zostaje uzwojenie wzbudzenia. Funkcją LRS jest opóźnianie chwili załączania prądu wzbudzenia w fazie rozruchu silnika. W wyniku stopniowego włączania odbiorników dużej mocy funkcja ładowania progresywnego w warunkach rzeczywistych kontroluje aktualną wartość momentu obrotowego alternatora. Funkcja ładowania progresywnego CP została omówiona powyżej. W wyniku awarii układu zasilania spowodowanej wystąpieniem przerwy, alternator ulega samowzbudzeniu po osiągnięciu wymaganej prędkości samowzbudzenia. Prąd wzbudzenia wstępnego sterowany jest za pomocą regulatora napięcia, zapewniając optymalne wzbudzenie alternatora. Funkcja wstępnego wzbudzenia zapewnia uzyskanie najmniejszej możliwej prędkości obrotowej, wystarczającej do wzbudzenia alternatora. Proces ten realizowany jest na podstawie analizy wartości współczynnika trwania impulsu stopnia mocy regulatora. Połączenia elektryczne regulatora realizowane są przez układ scalony (mikrokontroler) i końcówkę mocy. Układ wyposażony jest w filtr przeciwzakłóceniowy sygnałów wyjściowych, a w razie potrzeby może wysyłać dodatkowo sygnały kontrolne. Ponadto między zaciskami B+ alternatora a zaciskiem + akumulatora, mierzona jest aktualna wartość napięcia ładowania, w wyniku czego układ wykonawczy elektronicznego multifunkcyjnego regulatora napięcia może zoptymalizować proces ładowania akumulatora, włączając poszczególne funkcje jego wyposażenia. W chwili wyłączenia zapłonu prąd pobierany przez regulator napięcia ograniczany jest do wartości minimalnej, za pomocą włącznika prądu spoczynkowego.
