Назначение, общее устройство и принцип работы генераторов
Генераторы переменного тока с электромагнитным возбуждением
Бесконтактные по цепи возбуждения генераторы
Рабочие характеристики генераторов
Система электроснабжения включает в себя источники электрической энергии, предназначенные для питания потребителей, установленных на автомобиле.
В состав системы электроснабжения обычно входят в качестве источников энергии генераторная установка и аккумуляторная батарея, работающие параллельно в условиях взаимного дополнения в зависимости от режима работы автомобиля, а также элементы коммутационной аппаратуры и соединительные провода.
При работающем двигателе генераторная установка является основным источником электрической энергии, которая кроме питания потребителей обеспечивает подзаряд аккумуляторной батареи.
При неработающем двигателе обеспечение питания потребителей переходит к аккумуляторной батарее. Кроме того, аккумуляторная батарея должна обеспечивать возможность надежного пуска двигателя электрическим стартером.
Привод генератора осуществляется от коленчатого вала двигателя посредством клиноременной передачи, в связи с чем генератор работает в условиях непрерывно изменяющейся частоты вращения ротора.
Ток нагрузки генератора также может изменяться в довольно широких пределах в зависимости от числа и мощности включенных потребителей.
Для автоматического поддержания напряжения генератора на заданном уровне независимо от скоростного режима двигателя и тока нагрузки в систему генераторной установки вводится регулятор напряжения, осуществляющий функцию стабилизатора напряжения бортовой сети автомобиля.
В некоторых случаях в данную систему вводят защитные реле, осуществляющие защиту генератора от перегрузки по току и от обратного тока.
Существующие конструкции генераторных установок рассчитаны на номинальное напряжение 14 или 28 В, однако в некоторых случаях возможна установка двухуровневой системы, когда электропитание основной части потребителей осуществляется от сети напряжением 14 В, а для питания электропусковой системы дизеля используется участок сети напряжением 28 В.
Включение генераторной установки в бортовую сеть производится по однопроводной схеме, предусматривающей соединение отрицательного полюса «-» с металлическим корпусом машины, а разветвление положительного полюса «+» посредством проводов.
Иногда при наличии неэлектропроводной несущей системы машины или для снижения уровня радиопомех может применяться двухпроводная система, предусматривающая передачу обоих полюсов по проводам.
В качестве основных требований к генераторным установкам предъявляется обеспечение высокой надежности и стабильности выходных характеристик в условиях вибронагруженности, широких диапазонов рабочей температуры и влажности воздуха, повышенной химической агрессивности и загрязненности среды.
Генератор должен обеспечивать электропитание бортовой сети постоянным током. Однако преобразование механической энергии в электрическую энергию возможно только на основе переменного тока.
В современных условиях выпрямление переменного тока или преобразование его в постоянный осуществляется посредством полупроводниковых выпрямительных диодов.
В прошлом, до широкого распространения полупроводниковых приборов, выпрямление переменного тока в генераторах производилось посредством щеточно- коллекторного узла, в составе генератора постоянного тока.
В генераторных установках автомобилей возможно применение следующих типов генераторов:
• генераторов постоянного тока с самовозбуждением;
• генераторов переменного тока с электромагнитным возбуждением;
• бесконтактных генераторов переменного тока с первичным возбуждением от постоянных магнитов.
Генераторы постоянного тока в настоящее время считаются морально устаревшими в связи с присущими им недостатками, однако их достоинства допускают возможность их использования в некоторых специфических условиях.
Генератор постоянного тока представляет собой конструкцию в виде трубчатого стального корпуса с размещенными в ней обмотками возбуждения (полюсными башмаками). Якорь генератора размещается в роторе, укрепленном на подшипниках и врашаюшемся внутри корпуса.
Силовые обмотки якоря расположены в роторе и подключены соответственно к противоположным полюсам (ламелям) коллектора.
Ток генератора снимается с коллектора якоря посредством угольных токосъемников (щеток).
Для обеспечения самовозбуждения корпус генератора должен быть изготовлен из полосовой низкоуглеродистой стали с содержанием углерода до 0,1%.
-Сердечник якоря для уменьшения нагрева от вихревых токов должен быть изготовлен в виде набора штампованных из электротехнической стали пластин, напрессованных на рифленый стальной вал.
Коллектор изготовляется из штампованных медных пластин, изолированных между собой миканитовыми прокладками.
В качестве регулятора напряжения генератора постоянного тока используется вибрационный регулятор, содержащий электромагнитные обмотки и контактный прерыватель вследствии чего такой регулятор может пропускать ток возбуждения не более 3 А.
Генератор постоянного тока нуждается в защите от обратного тока, когда его напряжение становится ниже электродвижущей силы (ЭДС) аккумуляторной батареи и генератор может в таком случае переключиться в режим работы электродвигателя.
Для предотвращения такого явления в схеме его включения необходимо применять реле обратного тока, исключающее возможность утечки тока с батареи на генератор.
В современных условиях реле обратного тока может быть заменено полупроводниковым диодом большой мощности, включаемом между генератором и батареей.
При больших токах нагрузки генератора возможен перегрев его силовой обмотки, в связи с чем генератор постоянного тока нуждается в наличии реле ограничения тока, осуществляющего защиту генератора от перегрузки по току.
Исходя из этого можно определить недостатки препятствующие широкому использованию генераторов постоянного тока:
ограниченная мощность генератора при его значительной массе;
технологическая сложность в изготовлении;
значительный расход медных сплавов на коллектор;
низкий КПД уменьшающийся с повышением частоты вращения ротора из-за искрения в коллекторе;
потребность в частом и дорогостоящем техническом обслуживании;
необходимость защиты генератора от обратного тока и перегрузки;
К достоинствам генератора постоянного тока следует отнести:
наличие рекуперации, позволяющей работу в едином блоке со стартером (в виде династартера);
сохранение работоспособности при эксплуатации в зоне повышенного радиационного загрязнения.
Недостатки, присущие генераторам постоянного тока, во многом устраняются в конструкциях современных генераторов переменного тока.
Генераторы переменного тока с электромагнитным возбуждением
Такие генераторы известны в течение довольно длительного времени, однако их использование в качестве источников тока на автомобилях сдерживалось отсутствием соответствующих выпрямительных систем.
С появлением в промышленном производстве мощных малогабаритных германиевых и кремниевых диодов стало возможным создание автомобильных генераторов переменного тока с встроенными блоками выпрямителей.
Достоинствами генераторов переменного тока с электромагнитным возбуждением следует считать:
практически не ограничиваемую никакими внешними факторами мощность при относительно малой массе генератора;
малый уровень радиопомех;
простоту конструкции;
незначительную трудоемкость в обслуживании;
стабильность характеристик в течение длительного срока эксплуатации.
Недостатком генератора рассматриваемого типа можно считать невозможность работы генератора без подключения аккумуляторной батареи ввиду необходимости принудительного возбуждения. Кроме того, при отключении батареи от генератора при работающем двигателе возможен необратимый тепловой пробой выпрямительных диодов и некоторых элементов регулятора напряжения.
Генератор переменного тока с электромагнитным возбуждением может быть представлен в виде конструкции с неподвижным статором, в котором размещена силовая обмотка якоря, вращающегося внутри него ротора, содержащего обмотку возбуждения.
Контакты обмотки возбуждения подключены к двум латунным кольцам, расположенным на валу ротора и изолированным от «массы».
Ток возбуждения подается на эти кольца посредством двух угольных щеток.
Статор генератора для уменьшения действия вихревых токов выполняется из набора пластин электротехнической стали изолированных одна от другой.
Ротор генератора состоит из нескольких пар клювообразных полюсов, от которых на статор поступает магнитный поток возбуждения.
При включении замка зажигания на обмотку возбуждения подаётся ток от АКБ.
Проходя по обмотке возбуждения, ток создаёт магнитный поток возбуждения который распределяется по клювообразным полюсам одной полярности.
Выходя из полюсов, магнитный поток пересекает воздушный зазор, входит в клювообразные полюса другой полярности и замыкается через втулку ротора и вал.
При вращении ротора под каждым зубцом статора проходит попеременно то положительный, то отрицательный полюс магнита, т.е. магнитный поток, пересекающий обмотку статора, изменяется по величине и направлению по закону, близкому к синусоидальному.
В обмотке каждой фазы будет индуцироваться переменная по величине и направлению ЭДС.
Характер изменения ЭДС в проводниках обмотки статора зависит от кривой распределения магнитной индукции в зазоре, определяемой формой полюса.
Для формы полюса желателен такой вид, чтобы график изменения ЭДС был близок к синусоиде.
При двухполупериодной схеме выпрямления тока и звездообразном соединении обмоток генератора в каждый момент времени работает тот диод группы у которого анодный вывод в это время имеет наибольший положительный потенциал относительно нулевой точки N, а вместе с ним диод второй группы у которого катодный вывод имеет наибольший по абсолютной величине отрицательный потенциал относительно этой же точки.
Частота пульсаций выпрямленного напряжения при этом равна удвоенному числу фаз генератора, т.е. шесть пульсаций за период.
При звездообразном соединении обмоток статора зависимость между линейным Uл и фазным Uф напряжением определяется по формуле
Линейный ток Iл в данном случае равен фазному Iф: Iл = Iф.
При трехфазном исполнении силовой (якорной) обмотки генератора и двухполупериодном выпрямлении переменного тока частота пульсацийƒп, выпрямленного напряжения в 6 раз превосходит частоту генератора ƒ
где: р — число пар полюсов; n — частота вращения ротора, мин-1.
Бесконтактные по цепи возбуждения генераторы
Эти генераторы позволяют работать системе электроснабжения без аккумуляторной батареи, в связи с чем их используют в основном в тракторных системах, где пуск двигателя осуществляется от специального двигателя внутреннего сгорания.
Аккумуляторная батарея в таком случае используется в качестве источника энергии для питания приборов освещения и вспомогательного оборудования при неработающем двигателе.
В настоящее время бесконтактные генераторы с электромагнитным возбуждением существуют двух типов: индукторные генераторы и генераторы с укороченными клювами ротора, у которых вращающейся частью является только ротор, имеющий две подшипниковые опоры.
Типичными примерами индукторных генераторов являются имеющиеся в производстве мод. 21.3701 и 49.3701.
Трудоемкость обслуживания таких генераторов сведена лишь к поддержанию работоспособности подшипников опор ротора и контролю за состоянием соединительных клемм.
В качестве перспективных можно считать конструкции индукторных генераторов переменного тока с электромагнитным возбуждением, которые из-за отсутствия щеточно-кольцевых контактов имеют более высокие показатели надежности и минимальную трудоемкость в обслуживании.
Общим недостатком, свойственным бесконтактным по цепи возбуждения генераторам, следует считать их увеличенную массу из-за необходимости использования постоянных магнитов в роторе для обеспечения свойства самовозбуждения.
Рабочие характеристики генераторов
Рабочие характеристики генераторов определяют зависимости показателей их работы от входных факторов.
Существует несколько разновидностей рабочих характеристик генераторов, основными из которых являются внешняя, скоростная регулировочная и токоскоростная.
По указанным характеристикам можно осуществлять подбор генератора к базовой технической системе, а также проводить диагностические и исследовательские работы.
Внешняя характеристика есть зависимость напряжения генератора от силы тока нагрузки Ur = ƒ( Ir) при постоянном скоростном режиме (n = const).
Для самовозбуждающегося генератора характеристика снимается при отключенном регуляторе напряжения, когда на обмотку возбуждения поступает фактическое напряжение генератора.
Скоростная регулировочная характеристика есть зависимость силы тока возбуждения Iв от частоты n вращения ротора.
Характеристика позволяет определить диапазон изменения тока возбуждения в зависимости от частоты вращения ротора при ступенчатом изменении тока нагрузки и постоянном напряжении.
Снижение тока возбуждения при возрастании частоты вращения ротора в данном случае происходит в соответствии с работой регулятора напряжения, создающего дополнительное сопротивление в цепи питания обмотки возбуждения генератора и тем самым уменьшающего её магнитный поток.
Токоскоростная характеристика есть зависимость тока генератора Iв, подаваемого на питание нагрузки, от частоты n вращения ротора.
Характеристика снимается при условии, что весь ток генератора идет на питание нагрузки и напряжение является постоянным.
При включении генератора в цепь питания нагрузки в обмотке статора (в якоре) возникает ток
где Ег — ЭДС генератора; Rа — активное сопротивление обмотки статора; Rн — сопротивление нагрузки; XL — индуктивное сопротивление обмотки статора:
где — ƒ частота переменного тока в статоре; L — индуктивность обмотки статора; Сх — машинная постоянная; Ф — магнитный поток в зазоре между ротором и статором.
Все современные генераторы транспортных и технологических машин обладают свойством самоограничения максимального тока и не требуют защиты от перегрузки по току.
Это свойство самоограничения тока генератора проявляется в двух случаях: при увеличении тока якоря и при росте частоты вращения ротора.
Рост тока нагрузки вызывает соответствующее увеличение тока, проходящего через обмотки якоря (статора), что в свою очередь вызывает рост магнитного потока статора Фс, направленного против магнитного потока возбуждения Фв, исходящего от ротора, в результате чего магнитный поток в зазоре между ротором и статором Ф= Фв-Фс уменьшается.
При этом снижается наполнение магнитным потоком обмоток якоря, расположенного в статоре, что вызывает соответствующие ограничение тока Iг отдаваемого генератором.
С увеличением частоты вращения ротора n, увеличивается частота ƒ переменного тока возникающего в обмотках якоря (статора), что вызывает увеличение индуктивного сопротивления XL статора, что также ограничивает ток, отдаваемый генератором.
С достаточной точностью токоскоростная характеристика генератора может быть выражена уравнением
где Iг max - максимальное значение силы тока генератора; nx - частота вращения ротора, соответствующая началу отдачи тока генератором.
Расчётные значения силы тока генератора Iр и частоты вращения ротора nр можно определить, если из начала координат провести касательную к токоскоростной характеристике.
Точка касания прямой и характеристики определяет расчётные значения Iр и nр.
Пользуясь расчетными величинами силы тока Iр и частоты вращения ротора nр, можно осуществить подбор генератора из условия обеспечения электропитания током Iр всех включенных потребителей автомобиля при движении ночью в городе при неблагоприятных погодных условиях со скоростью 50 км/ч на прямой передаче.
Коррекция расчетной частоты вращения ротора nр может быть произведена путем изменения передаточного числа привода генератора от коленчатого вала двигателя.
