Spänningsreglering – hur funkar det?

[speljakt 138]

I AGM-tråden här intill hävdade IngemarE nyss, apropå hur spänningsreglering fungerar vid batteriladdning från en generator:

 

"Men regleringen sker av spänningen, det är ju det som är "börvärdet". Så rör inte till det för de stackarna som inte är helt med på uppbyggnaden av en generator och skriv t ex inte att det är generatorn och inte batteriet som styr strömmen (vilket f.ö. är fel), att det blir korta spikar som regulatorn känner av o.s.v.

För regulatorn är oftast linjär och inte intelligent och samplande (dvs kollas inte "x gånger per sekund") och dippen som blir vid ett strömsprång beror snarare på ledningsinduktanserna till förbrukaren. Det är ingen "impuls" som får generatorn att öka sin output."

 

Nja, vi nog inte överens trots allt.

Visst måste man säga att det är generatorn, eller närmare bestämt dess regulator, som styr över den levererade strömmen från och med det skede då systemspänningen uppnått set point (typiskt 14,4V)?

 

Och hur vill du förklara att en regulator, vars enda input är avkänd spänningsnivå, plötsligt ökar strömmen till lindningarna och därmed generatorns strömstyrka (output) när en större förbrukare sätts på? Det finns väl inget annat sätt att förklara detta än att det uppstår en spänningsdipp som regulatorn reagerar på? Eller?

 

[Hybro 1 135]

Noterat att även om jag ökade laddspänningen tillfälligt med 0.3 Volt (AGM-batterier), så ökade laddströmmen bara med någon Ampere. 

 

 

[Zwen 280]

3 minuter sedan skrev Hybro:

Noterat att även om jag ökade laddspänningen tillfälligt med 0.3 Volt (AGM-batterier), så ökade laddströmmen bara med någon Ampere. 

 

 

Det blir ju som regel inte så stora strömmar när spänningsskillnaden är så liten. Förutsätter då att du låg på "fulladdat 14,4 V" innan du höjde till 14,7.

Om du vill forska mer i detta skulle du kunna mäta spänningsfallet över laddningskabeln i detta läge. Jag gissar att om du hypotetiskt skulle koppla ihop generator- och batteripol helt stumt så skulle du se en större ökning av laddströmmen.

[IngemarE 3 576]

3 timmar sedan skrev speljakt:

Visst måste man säga att det är generatorn, eller närmare bestämt dess regulator, som styr över den levererade strömmen från och med det skede då systemspänningen uppnått set point (typiskt 14,4V)?

 

Och hur vill du förklara att en regulator, vars enda input är avkänd spänningsnivå, plötsligt ökar strömmen till lindningarna och därmed generatorns strömstyrka (output) när en större förbrukare sätts på? Det finns väl inget annat sätt att förklara detta än att det uppstår en spänningsdipp som regulatorn reagerar på? Eller?

 

Eftersom det uppenbarligen handlar om påpekande om mina inlägg kunde du ju tagit det som ett PM istället...🤔

 

Det jag invänder mot är vad du skriver är orsak och verkan, då du upprepade gånger antyder att det är Regulatorn som styr vilken ström generatorn skall lämna och att batterier och förbrukare sedan får rätta sig efter det ( "dess regulator, som styr över den levererade strömmen").

I verkligheten är det ju tvärtom, det som styr vilken ström som flyter ut från generatorn är vad den belastas med - batteri eller förbrukare av olika slag. Eller kanske ingenting. Vilken ström dessa vill ha/dra bestämmer/styr/råder ju inte regulatorn över !  Regulatorns uppgift är enbart att hålla spänningen konstant när dessa yttre belastningar varierar från tid till annan.

 

Regulatorn styr alltså inte över den utlevererade strömmen - den rättar sig efter den. Eller hur ? 

 

Hur regulatorn sedan sköter kompenseringen internt för att bibehålla spänningen ut från generatorn beror lite på hur modern generatorn är, men var egentligen irrelevant för diskussionen om laddning då generatorn i det fallet är en "black box" som kan anses lämna konstant spänning upp till den utström den mäktar med. Vissa generatorer har f.ö. numera DC/DC-omvandlare och en massa elektronik inbyggt och reglerar inte utspänningen på gammalt traditionellt vis.

 

Du har f.ö. helt rätt i att generatorns regulator reagerar på spänningsnivån och justerar. Naturligtvis, den skall ju hålla konstant spänning. Men hur detta sker rent elektriskt inne i generatorn är rätt ointressant. Du talar om ström, men även en linjärregulator av simplaste sort, t ex en enkel nätadapter på 12V, har ju en sluten reglerloop som just skjuter på mer ström till sluttransistorn för att bibehålla spänningen 12V om den tenderar att sjunka det allra minsta. Och sänker styrströmmen om spänningen ökar. T ex p.g.a. förändrad last. Men den styr ju fortfarande inte över lasten eller utströmmen, den rättar sig bara efter den.

 

Den spänningsdipp eller impuls som du sedan talar om är snarast ett resultat av att regleringen inte är speciellt bra. Inte någon inbyggd funktion. Den slutna reglerloopen i en typisk generator är analog och kompenserar kontinuerligt så jämvikt (=utspänningen) bibehålls.

Du skrev också att spänningen checkas "flera gånger per sekund". Men så fungerar det inte riktigt, det sitter (vanligen) ingen processor som samplar och mäter och drar slutsatser. Den är en reglerloop med "dumma" kretsar/elektronik vars snabbhet sätts av reglerloopens övre gränsfrekvens (vanligen från hundra upp till flera tusen Hz).

 

Men vid långa ledningar uppstår dippar, då induktansen i ledningen fungerar som broms för snabba strömförändringar. Därför blinkar lampor till kanske, men oftast bara "lokalt" i närheten av där den stora lasten slogs på. Man kan likna det vid att det sitter ett seriemotstånd i ledningen som sedan snabbt försvinner. Men precis intill en (väl fungerande) generator är denna dipp minimal, och skall så vara vid laständringar.

 

På samma sätt blir en spik när en last slås ifrån, och är det en induktiv sådan kan den bli ansenlig i spänning. I fordonssammanhang finns t ex ofta ett tålighetskrav för elektroniken på pulser om 40V eller mer en mycket kort stund för att överleva detta (som kan inträffa t ex när startmotorn släpper).

 

Det finns f.ö. standarder och regler för hur stora språng som tillåts på utspänningen från t ex nätaggregat, generatorer o.s.v. vid snabba laständringar.

Redigerad 2 December , 2020 av IngemarE

[Georg_Ohm 4 830]

Ljusmaskin, dynamo, generator (missade jag något steg i den utvecklingen?) 

Generatorn är väl numera den mest omoderna komponenten i våra elsystem, ja jag avser då växelströmsgeneratorn. Hade man haft traditionella förbränningsmotorer eller Stirlingmotorer i rymdfärjorna hade teknikerna säkerligen tagit fram betydligt effektivare generatorer.

 

Trots att en trefas växelströmsgeneratorn fungerar rätt så bra är den ändå väldigt konservativ. 
Regulatorerna har ju blivit något effektivare, men som @IngemarE skriver är regleringen ingalunda intelligent. Mer hade nog från början kunnat göras mer effektivt med dagens teknik. Vi har ju synnerligen välfungerande och kompenserade regulatorer till solcellspaneler och kanske även till vindkraftverk(?)

 

På sent 1970-tal och i början av 1980-talet såldes en fantastisk regulator, jag tror den hette TRC, TLC, eller någonting sådant, den var så himla effektiv att batterierna började koka. Den funkade utmärkt i teorin och i testlabbet, och marknadsföringen var effektiv, men i verkligheten var det annorlunda.

 

Ävensom det är det mekaniska som litet som på Edisons tid. En spole som roterar inne i tre andra spolar, den förstnämnda måste förmagnetiseras innan det uppstår ett magnetfält i den. I skolan lärde vi oss att om en magnet roterar inne i en spole uppstår det en ström, här är det tre strömmar som alstras, med 120° fasskillnad, det blir en trefas växelström som ganska primitivt likriktas i kraftdioder som har en liten inbyggd förlust, ja det som kommer ut kan väl närmast liknas vid en pulserande likström, även om det inte är helt sant. Regulatorn reglerar magnetismen i spolen genom att reglera strömmen genom den. 
Men den grundkonstruktionen är väl som den är, det är nog så att man kan fixa till en bättre regulator som är både intelligent, sensitiv och omställbar för olika batterityper.

Kan vi sätta upp en sådan på vår önskelista?

 

[speljakt 138]

1 hour ago, IngemarE said:

Det jag invänder mot är vad du skriver är orsak och verkan, då du upprepade gånger antyder att det är Regulatorn som styr vilken ström generatorn skall lämna och att batterier och förbrukare sedan får rätta sig efter det ( "dess regulator, som styr över den levererade strömmen").

I verkligheten är det ju tvärtom, det som styr vilken ström som flyter ut från generatorn är vad den belastas med - batteri eller förbrukare av olika slag. Eller kanske ingenting. Vilken ström dessa vill ha/dra bestämmer/styr/råder ju inte regulatorn över !  Regulatorns uppgift är enbart att hålla spänningen konstant när dessa yttre belastningar varierar från tid till annan.

 

Regulatorn styr alltså inte över den utlevererade strömmen - den rättar sig efter den. Eller hur ? 

 

Hur regulatorn sedan sköter kompenseringen internt för att bibehålla spänningen ut från generatorn beror lite på hur modern generatorn är, men var egentligen irrelevant för diskussionen om laddning då generatorn i det fallet är en "black box" som kan anses lämna konstant spänning upp till den utström den mäktar med.

Det är uppenbart att vi inte har samma syn på vad som är orsak och verkan här. Möjligen är detta en fråga av typen hönan eller ägget, men låt mig ändå undanröja några uppenbara missförstånd:

Jag hävdar inte att regulatorn bestämmer vilken ström generatorn ska leverera frikopplat från vilken belastning som finns i form av batterier eller förbrukare.

Tvärtom är ju min poäng att regulatorn, genom att känna av systemspänningen, anpassar magnetiseringsströmmen och på så sätt ser till att generatorn levererar den ström som belastningen kräver. (I ett läge då generatorn redan levererar maximalt och belastning ökar, i form av att en förbrukare slås på, så kan magnetiseringsströmmen inte ökas ytterligare. Följden blir då i stället att systemspänningen sjunker).

Om jag förstår dig rätt, så menar du att batterier/förbrukare tar ut den ström de behöver ur generatorn, utan att blanda in regulatorn? Men för att den utlevererade strömmen ska öka, så måste väl detta ske med hjälp av en ökad magnetiseringsström? Hur uppkommer då denna?

Jag har heller aldrig hävdat att regulatorn ägnar sig åt "sampling" eller att någon mikroprocessor skulle vara inblandad. När det gäller regulatorns funktion lutar jag mig mot beskrivningar som exempelvis denna:

https://www.sxk.se/batteknik/tekniska-artiklar/vaxelstromsgeneratorn-och-dess-funktion-tillsammans-med-reglerdon-m-m

 

 

[IngemarE 3 576]

9 timmar sedan skrev speljakt:

Det är uppenbart att vi inte har samma syn på vad som är orsak och verkan här. Möjligen är detta en fråga av typen hönan eller ägget, men låt mig ändå undanröja några uppenbara missförstånd:

Jag hävdar inte att regulatorn bestämmer vilken ström generatorn ska leverera frikopplat från vilken belastning som finns i form av batterier eller förbrukare.

Tvärtom är ju min poäng att regulatorn, genom att känna av systemspänningen, anpassar magnetiseringsströmmen och på så sätt ser till att generatorn levererar den ström som belastningen kräver. (I ett läge då generatorn redan levererar maximalt och belastning ökar, i form av att en förbrukare slås på, så kan magnetiseringsströmmen inte ökas ytterligare. Följden blir då i stället att systemspänningen sjunker).

Om jag förstår dig rätt, så menar du att batterier/förbrukare tar ut den ström de behöver ur generatorn, utan att blanda in regulatorn? Men för att den utlevererade strömmen ska öka, så måste väl detta ske med hjälp av en ökad magnetiseringsström? Hur uppkommer då denna?

Jag har heller aldrig hävdat att regulatorn ägnar sig åt "sampling" eller att någon mikroprocessor skulle vara inblandad. När det gäller regulatorns funktion lutar jag mig mot beskrivningar som exempelvis denna:

https://www.sxk.se/batteknik/tekniska-artiklar/vaxelstromsgeneratorn-och-dess-funktion-tillsammans-med-reglerdon-m-m

 

 

Nu närmar vi oss 😉

 

Men släpp hur styrningen/regleringen sker internt i generatorn och lyft blicken och se den som en "black box" som levererar en konstant spänning upp till dess (för stunden) maximala strömuttag. Som jag skrev fungerar regleringen som en sluten analogloop som alltid är aktiv, även vid inget strömuttag alls. Släpp att regulatorn är aktiv eller inte vid olika lägen - den är alltid "aktiv". Men ibland i änden av sitt reglerområde, och då sjunker spänningen.

 

Läs gärna sedan dina tidigare inlägg där du faktiskt just skrev att regulatorn bestämmer/styr, och även att spänningen mäts "flera ggr per sekund" (dvs sampling) o.s.v. Reglerteorierna du beskriver är visserligen i stor utsträckning rätt (för de flesta gamla typer av fordonsgeneratorer), men helt irrelevant för tråden diskussionen började i, då det dessutom blir lätt att gå bort sig i orsak och verkan. Som ju märkts.

 

Edit: Förstår nu kanske lite mer var du fått "många gånger per sekund" och annat ifrån. Artikeln du länkar till och kopierat en del ifrån är skriven för nästan 20 år sedan, och beskriver dessutom det som var gängse på begagnade båtar dvs ytterligare 20-30 år bak i tiden. T.o.m. mekaniska laddreläer (som de ju egentligen hette då) beskrivs.

 

Så ser det för det mesta inte ut idag. Även om grundprincipen är liknande - att uteffekten på generatorn regleras med fältströmmen - så sker den inte med en in/urkoppling utan ofta analogt i en sluten loop. Och inte sällan switchat med elektronik i moderna generatorer/regulatorer. Den i min förra båt (Denso, Yanmar) hade PWM-styrning av strömmen internt och t ex en digital utgång för laddlampan, som inte alls var inkopplad i serie med en lindning. Och det var inte mer hi-tech än att regulatorn såldes på Biltema....

 

En generator alstrade förr en mycket fulare spänning (se inlägg av @Georg_Ohm ovan) - vem minns inte "generatortjut" i radion och diverse filter man kunde köpa ?  Och inte minst den "digitala" in/urkopplingen av magnetiseringen var inte snälla pulser på elsystemet, men tack vare att batteriet fungerade som utjämnare blev det inte så tokigt i alla fall.

 

Visserligen en AC-generator, men om man tänker sig en likriktare på utgången är man ganska nära en modern sluten reglerloop:

 

Hursomhelst - om man betraktar generatorn  som det den är - en "black box" som lämnar konstant spänning upp till sin maxström - är denna diskussion ganska OT. Och den tolkningen av en generators funktion duger för de allra, allra flesta båtägarna tror jag  🙂

 

Edit 2: Kom du ner till "Sammanfattningen" i artikeln du länkar till ?  Även om den är gammal så säger den i sina första punkter exakt det jag försökt förklara.

 

Redigerad 3 December , 2020 av IngemarE

[speljakt 138]

3 hours ago, IngemarE said:

Men släpp hur styrningen/regleringen sker internt i generatorn och lyft blicken och se den som en "black box" som levererar en konstant spänning upp till dess (för stunden) maximala strömuttag.

Syftet med den här nya tråden, "Spänningsreglering - hur funkar det?", var från min sida den rakt motsatta. Nämligen att gå in i den svarta lådan och försöka utreda hur mekanismerna bakom regleringen ser ut.

Själv tycker jag den frågan är intressant, och även relevant som allmän bakgrundskunskap för vidare diskussioner om exempelvis olika batterityper (AGM m m).

Men jag kan förstås inte tvinga någon annan att tycka likadant....

 

3 hours ago, IngemarE said:

Även om grundprincipen är liknande - att uteffekten på generatorn regleras med fältströmmen - så sker den inte med en in/urkoppling utan ofta analogt i en sluten loop. Och inte sällan switchat med elektronik i moderna generatorer/regulatorer.

Här ovan närmar vi oss äntligen det som jag anser vara kärnan i diskussionen, oavsett om det handlar om en klassisk fordonsgenerator eller någon modernare teknik:

Generatorns uteffekt regleras med fältströmmen, skriver du. Vilken parameter är det som ändras när fältströmmen till rotorn ändras? Jo, den ström som generatorn skickar ut till batterier och förbrukare, påstår jag. Är du med så här långt?

OK, då backar vi. Varifrån kommer fältströmmen? Den kommer från regulatorn. Hur vet regulatorn vilken styrka fältströmmen till rotorn ska ha? Det avgörs av den input som regulatorn får. Den enda input regulatorn får är systemspänningen (mätt antingen vid generatorn eller via en ofta gul senseledning vid batteriet).

 

Du får gärna komma med invändningar mot min beskrivning här ovanför, jag skulle välkomna det. 

Men om du framhärdar i att generatorn är en "black box" som bara kan betraktas utifrån, så föreslår jag att vi konstaterar oenigheten och avslutar diskussionen.

 

[IngemarE 3 576]

46 minuter sedan skrev speljakt:

Syftet med den här nya tråden, "Spänningsreglering - hur funkar det?", var från min sida den rakt motsatta. Nämligen att gå in i den svarta lådan och försöka utreda hur mekanismerna bakom regleringen ser ut.

- - - -

Men om du framhärdar i att generatorn är en "black box" som bara kan betraktas utifrån, så föreslår jag att vi konstaterar oenigheten och avslutar diskussionen.

 

Föreslår att du läser dina första inlägg ett par gånger med utgångspunkt från vad som är orsak och verkan, så förstår du varför jag reagerade. Du var där tämligen tydlig om vilken enhet som var den som först styrde vilken ström generatorn skulle lämna och vilka som sedan fick rätta sig efter detta.

 

Men man kan ändra sig och nu är vi ganska nära. Man kan också ha menat en sak men uttryckt sig så det tolkats annorlunda. Lätt hänt.

Och jag har inget emot att diskutera teorier och design av generatorer av olika generationer hur djupt som helst, men det är knappast något som har en praktisk betydelse för båtägare som "bara" vill använda generatorn. Det är nog nämligen ganska få som har intresse att designa om den, och ännu färre som skulle lyckas.

 

Att däremot betrakta den som en "black box" med en konstant utspänning som man eventuellt kan justera/ställa/påverka beroende på batterityp är en bra och alldeles tillräcklig bild för de flesta. Och dessutom helt riktig.

Börjar man däremot blanda in hur regleringen går till inuti för att få denna konstanta utspänning kan man lätt gå bort sig, vilket man kunde uppfatta att du gjort i dina första inlägg.

Fortfarande snuddar du dock vid att generatorn skulle vara mer en form av strömgenerator än en spänningskälla. Och vänder på orsak och verkan. För du skriver ovan nämligen fortfarande saker som att man reglerar den "ström som generatorn skickar ut". Tänk inte så. Det är utspänningen som regleras av regulatorn, alltså den som är resultatet av regleringen och det man vill hålla stabilt. Hur detta sedan sker vet ju både du och jag redan.

 

Egentligen förstår jag inte vad vi är oense om - Regulatorn reglerar generatorns uteffekt och ser till att att den lämnar rätt utspänning vid olika nivåer på belastningen. That's it.

Men jag inser att du inte vill släppa att Regulatorn skulle kunna ta något slags initiativ till hur mycket ström generatorn skall släppa ut. Visst skulle den kunna det i en annan design, men det är inte så en fordonsgenerator fungerar.

 

Vi kommer nog inte längre, men glöm inte läsa de två första punkterna i "Sammanfattning" i länken du själv angav. Den sammanfattar det hela väldigt bra 😉

 

Tack för en intressant diskussion i alla fall.

Redigerad 3 December , 2020 av IngemarE

[speljakt 138]

1 hour ago, IngemarE said:

Egentligen förstår jag inte vad vi är oense om - Regulatorn reglerar generatorns uteffekt och ser till att att den lämnar rätt utspänning vid olika nivåer på belastningen. That's it.

Jag tror jag förstår precis vad vi är oense om, nämligen just det du skriver här.

Dock – jag hinner inte fördjupa mig vidare i detta just nu.

Men jag återkommer i tråden. Håll utkik!

 

1 hour ago, IngemarE said:

Tack för en intressant diskussion i alla fall.

Detsamma!

[guestsson 485]

1 timme sedan skrev speljakt:

 Vilken parameter är det som ändras när fältströmmen till rotorn ändras? Jo, den ström som generatorn skickar ut till batterier och förbrukare, påstår jag.  

Det kan också t.ex. vara varvtal och temperatur. Dessa parametrar och därmed fältströmmen, kan variera även om strömmen är noll Ampere.

 

Notera att spänning (som regleras att vara konstant) existerar och är densamma även utan ström. Detta gäller i det ideala fallet, regleringen fodrar en lite felspänning för att kunna reglera och generatorn tål oftast inte att köras utan last. Men, slutsatsen att fältströmmen bara beror av utströmmen är inte korrekt.

 

Fältströmmen beror av utspänningen! 

 

[patrikflink 777]

Inte riktigt kompetent att uttrycka mig rätt i denna fråga, men vill bidra med detta:

 

Våra lastbilar (Mercedes-Benz) har en generator som känner av hur mycket vi förbrukar, inte hur dåligt eller fullt batteriet är. Detta har resulterat till batteribyte 3 gånger 2020. Nästa månad 2021 så ska verkstad kolla om det går att programmera om regulator. Vet att vissa bilar har denna skit generator också för att minska vikten och effekten (Ah).

[IngemarE 3 576]

48 minuter sedan skrev patrikflink:

Inte riktigt kompetent att uttrycka mig rätt i denna fråga, men vill bidra med detta:

 

Våra lastbilar (Mercedes-Benz) har en generator som känner av hur mycket vi förbrukar, inte hur dåligt eller fullt batteriet är. Detta har resulterat till batteribyte 3 gånger 2020. Nästa månad 2021 så ska verkstad kolla om det går att programmera om regulator. Vet att vissa bilar har denna skit generator också för att minska vikten och effekten (Ah).

Det har gjorts många försök att styra saker intelligent kring laddningen och förbrukarström, och i samband med detta även försöka sig på att för användaren tala om status på batteriet. Hade en lösning något lik den du beskriver, fast detta var i en lite mer påkostad personbilsmodell med fyra ringar i fronten.

 

Efter bara något år tog man bort dessa "intelligenta" funktioner och gick tillbaks till simplare lösningar. Samt dolde batteriinformationen för användaren, då den oftast visade info som antingen inte stämde eller var svår för den vanlige användaren att förstå.

Men innan detta var gjort hade systemet hunnit knäcka en cell i mitt batteri så resten sedan kokade bort under en enda resa. Problemet var att man inte gått "all in" på att separera batteri från förbrukarsidan utan trodde sig kunna hålla koll på vart strömmen gick i alla fall under alla driftsförhållanden med en enklare lösning. Det var inte så lätt....

Redigerad 3 December , 2020 av IngemarE