3. Генератор

Вопрос для светловолосых: что является источником тока на авто? Обычный ответ - аккумулятор…

На первобытных авто использовался генератор постоянного тока. Эта машина имеет массу недостатков, поэтому, когда появилась возможность замены на генератор переменного тока, это и произошло. Какие это недостатки?

Низкая долговечность коллекторного узла, необходимость реле обратного тока, ограничителя тока, меньшая мощность (вдвое) при одинаковой массе.

Конструкция:

ротор на подшипниках с приводным шкивом. На нём смонтирована катушка возбуждения и два токоподводящих кольца. Катушка возбуждения зажата с двух сторон клювообразными полюсными наконечниками, образующими наряду с прочими деталями магнитную систему. Статор как часть магнитной системы установлен в корпусе и имеет три силовых обмотки, обычно включенные звездой. В корпусе также размещён выпрямительный блок, содержащий как минимум 6 силовых диодов, угольные щётки вместе или без интегрального регулятора напряжения (РН).

Принцип действия

При вращении ротора под каждым зубом статора проходит то северный, то южный полюс, т.е. магнитный поток (создаваемый обмоткой возбуждения или постоянными магнитами в некоторых конструкциях), пересекает обмотки статора при этом меняя величину и направление. При этом в обмотках будет индуцироваться ЭДС, причём ЭДС будет переменной.

Основная гармоника частоты переменного тока пропорциональна числу пар полюсов (=6) и частоте вращения ротора

,

т.е. по сравнению с обычной осветительной сетью с постоянной частотой 50Гц в нашем случае частота значительно выше и она переменная. Например, при всего лишь = 1000мин^-1= 100Гц.

Работа выпрямителя.

Три обмотки статора обычно включены звездой. На каждой обмотке генерируется ЭДС, похожая на синус. Фазы сдвинуты на 120град. Наша задача получить выпрямленное напряжение. Для этой цели используется выпрямительный блок из 6 мощных диодов. Три катода одной тройки диодов, соединённые вместе образуют положительный вывод выпрямителя, а другая тройка диодов соединением анодов между собой образует отрицательный вывод выпрямителя. Разность потенциалов между выводами выпрямителя есть алгебраическая сумма наибольших напряжений среди положительных полуволн и отдельно отрицательных. В любой момент времени открыто, как правило, по одному диоду из обеих триад с наибольшими напряжениями по абсолютной величине. Два остальных диода закрыты из-за их обратного смещения. В случае совпадения величин напряжений ток течёт из двух обмоток через два диода.

Построение графика фазных напряжений и получение графика напряжения на выходе выпрямителя. Рассмотрение проводить относительно нейтрали (общей точки силовых обмоток статора). Без учёта потерь напряжения на диодах максимум и минимум выпрямленного напряжения составляют относительно амплитудного фазного:

При среднем напряжении в 14В имеем размах пульсаций равный 1.95В.

Стабилизация и регулирование выходного напряжения.

ЭДС (напряжение на выходе г. без нагрузки) пропорционально частоте вращения и величине магнитного потока:

Для постоянства ЭДС очевидно требуется регулирование магнитного потока, который зависит от тока в обмотке возбуждения и двух константи

Таким образом, стабилизация ЭДС осуществляется через регулирования тока возбуждения.

Возможность стабилизации напряжения генератора через регулирование тока возбуждения также можно проследить по следующим формулам.

Напряжение на выходе генератора будет меньше ЭДС на величину произведения тока и полного сопротивления:

Вектор полного сопротивления состоит из активных сопротивлений обмотки статораи нагрузки, а также индуктивного сопротивления статораи определится как

Формула для напряжения генератора будет выглядеть как

Выводы.

Для постоянства напряжения при некоторой частоте вращения увеличение тока потребует увеличение магнитного потока (очевидно).

При некотором увеличении частоты вращения при той же величине магнитного потока можно получить больший ток (не столь очевидно).

Существует некоторая небольшая частота вращения, при которой при максимальной величине магнитного потока достигается заданное напряжение.

Разновидности регуляторов напряжения

Итак, чтобы стабилизировать выходное напряжение следует изменять магнитный поток, который в свою очередь изменяется за счёт изменения тока возбуждения. Эту задачу выполняет т.н. регулятор напряжения (РН).

Первоначально РН выполнялись на базе быстродействующих реле и назывались вибрационными. Ток в обмотку возбуждения при недостатке напряжения генератора напрямую или через доп. сопротивление подавался через замкнутые контакты специального реле. Когда напряжение достигало заданного, контакты должны были разомкнуться, что приводило к понижению напряжения генератора. Процесс переключения происходит с частотой 50-100Гц, либо реле постоянно включено - при недостатке напряжения, и ток в обмотку поступает максимальный.

Питание РН поступает от выключателя зажигания. По этой же цепи берётся само напряжение, подлежащее регулированию (хотя эта величина с ошибкой из-за падения напряжения на проводах! Надо бы брать с + выпрямителя/аккумулятора). В качестве недостатка схемного решения можно указать и наличие максимального тока возбуждения при остановленном ДВС и во время пуска.

Позднее появились контактно-транзисторные РН. От вибрационного РН требовалась всё большая величина коммутируемого тока, поскольку мощности генераторов неуклонно возрастали. При величинах тока в цепи возбуждения более 2А контакты РН быстро изнашивались и им на подмогу стали устанавливать транзисторы (то же было и в системах зажигания).

Все рассмотренные выше конструкции РН – это отдельные устройства, монтируемые отдельно от генератора. Ныне уже более 20 лет как такие решения ушли в историю и стали применяться исключительно т.н. интегральные РН, встраиваемые в корпусе щёточного узла. Питание такой РН получает от отдельного выпрямителя, что позволяет не подавать ток возбуждения при остановленном ДВС и при пуске. Хотя если бы иметь микроконтроллер в РН, эту задачу можно было бы решить и без дополнительного выпрямителя. Ставятся ли м/к в РН мне неизвестно.

Разновидности схем включения РН

Один из выводов обмотки возбуждения может быть постоянно подключён либо к минусу, либо к плюсу. Ныне практически все схемы РН рассчитаны на то, что один из выводов обмотки возбуждения постоянно подключён к плюсу. Схемы, в которых от замка зажигания к генератору идёт провод для питания РН и самой цепи возбуждения также не применяются. Наиболее распространённое решение для этой цели – применение дополнительного выпрямителя с использованием трёх слаботочных диодов для положительного вывода. Три нижних диода используются от силового выпрямителя и таким образом, имеем дополнительный выпрямитель, с которого напряжение поступает только с генератора (плюс аккумулятора не связан с этой цепью, а минус - общий).

Максимальный ток генератора

Выходной ток генератора пропорционален ЭДС и обратно пропорционален полному сопротивлению:

,

где и- константы,- эффективное значение магнитного потока.

При высоких частотах вращения и больших нагрузках (малое ) индуктивная составляющая полного сопротивления становится доминирующей и максимальный ток генератора асимптотически стремится к :

Это означает, что генератор пер. тока имеет свойство самоограничения по току при больших частотах (что отсутствует у г. постоянного тока, который может себя угробить).

Замечание.Не должно смущать якобы зануление выходного напряжения при очень высоких частотах вращения и большом токе. Здесь величина ЭДС становится весьма высокой и какие-то 14В могут "потеряться" если из одной большой величины вычитать другую.

(= 0)

Характеристики

Токоскоростная х. показывает максимальную величину тока, которую может отдать генератор при разных частотах вращения. Условие при снятии х. – постоянство выходного напряжения (точнее – ограничение на уровне номинального). Х. имеет три точки, которые нормируются для данного типа генератора и являются контрольными при диагностировании.

Первая точка имеет частоту вращения, по превышению которой ток становится положительным. Для разных генераторов эта величина обычно попадает в диапазон 900-1500мин^-1. Для ориентировочного пересчёта частоты вращения генераторов и двигателей, на которых они устанавливаются, исходим из передаточного соотношения 1:2, т.е. ДВС имеет вдвое меньшую частоту вращения, если исходить из частоты вращения генератора.

Вторая точка показывает частоту вращения (эта частота несколько выше частоты ХХ ДВС), при которой отдача генератора достигает некой расчётной средней нагрузки (по току). Нужна бы ещё одна аналогичная точка при частоте, соответствующей частоте ХХ ДВС.

Третья точка показывает при частоте вращения (обычно – 5000мин^-1) величину тока, которая принимается за максимальное значение. Мощность, как паспортный показатель есть произведение этого тока на номинал напряжения. Если раскручивать генератор быстрее, то ток, который можно с него получить возрастёт незначительно. Эффект ограничения тока объясняется значительным нарастанием индуктивного сопротивления при высоких частотах (см. формулу тока).

Для примера: генератор 37.3701 имеет следующие параметры. 770Вт/55А, n₀<=1100мин^-1, при 2000мин^-1выдаёт ток 35А (U=13В)

Другие параметры

= 2.5-4 Ом, число витков 400-600, диаметр проволоки Ф0.5-0.9мм

Статор, обмотка: число витков 8-20, диаметр проволоки Ф1-1.5мм

Обслуживание и диагностика

Вопрос.Что будет при замене г. на более мощный?

Вопрос.Что будет с напряжением, если обмотку возбуждения подключить напрямую к выходу генератора?