Принцип действия вентильного генератора

Оплата оргвзноса участия в конкурсе составляет для школьников и студентов - 400 руб., для учителей и преподавателей – 500 руб.

«Ступени Роста» 8-914-2222-958, 8-914-220-21-26

Генераторные установки

Генераторная установка состоит из электрогенератора и регулятора напря­жения. Они, вместе с элементами контроля работоспособности и защиты от воз­можных аварийных режимов, образуют систему электроснабжения автомобиля.

Генераторная установка обеспечивает питанием электропотребители, вклю­ченные в бортовую сеть автомобиля, и заряжает его аккумуляторную батарею при работающем двигателе.

Даже на холостом ходу двигателя генератор должен развивать мощность, до­статочную для электропитания наиболее важных потребителей. В мировой практике генераторные установки на холостом ходу двигателя развивают 40-50% от номинальной мощности.

Напряжение в бортовой сети автомобиля должно быть стабильно в широком диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя и нагрузок.

Стабильность напряжения, обеспечиваемая работой регулятора, является непременным условием надежной работы аккумуляторной батареи и других электропотребителей.

Превышение напряжения сверх допустимых пределов служит причиной пере­заряда аккумуляторной батареи с последующим выходом ее из строя, понижен­ное напряжение вызывает недозаряд батареи. Увеличение напряжения на 10% сверх номинального снижает срок службы ламп примерно на 50%.

Генераторные установки рассчитаны на номинальное напряжение 14 и 28 В. Напряжение 28 В характерно для автомобилей с дизелем. Однако на дизельных автомобилях, например, на автомобилях ЗИЛ 5301 («Бычок»), ЗИЛ 4331, ЗИЛ 133ГЯ возможна и двухуровневая система: 14В непосредственно на генерато­ре для электроснабжения основных потребителей, 28 В - на выходе трансформаторно-выпрямительного блока для подзарядки аккумуляторной батареи.

Генераторные установки выполняются по однопроводной схеме, в которой с корпусом соединен отрицательный полюс системы. Отечественной нормативной документацией предусматривается изготовление установок и по двухпроводной схеме, но практически такое исполнение не реализуется.

Генераторная установка питает ботовую сеть автомобиля постоянным то­ком. Однако известно, что механическую энергию можно преобразовать в электрическую только посредством переменного тока. Поэтому ранее автомо­били снабжались выпрямителем-коллектором со щетками в генераторах по­стоянного тока, а теперь - полупроводниковым выпрямителем в повсеместно применяющихся автомобильных вентильных генераторах.

Для питания вспомогательных устройств, например, реле блокировки старте­ра, трансформаторно-выпрямительного блока систем на два уровня напряже­ния, тахометра и т.п., используется переменный ток, вырабатываемый генера­тором. В последнее время наблюдается тенденция использовать переменный ток и для управления работой регулятора напряжения самой генераторной ус­тановки.

Генераторная установка - достаточно надежное устройство, способное вы­держать повышенные вибрации двигателя, высокую подкапотную температуру, воздействие влажной среды, грязи и т.п. Принцип действия вентильного элект­рогенератора и его принципиальное конструктивное устройство одинаковы как у отечественных, так и у зарубежных образцов.

 

Принцип действия вентильного генератора

 

Преобразование механической энергии, которую автомобильный генератор получает от двигателя внутреннего сгорания через ременную передачу, в электрическую происходит, как и в любом генераторе, в соответствии с яв­лением электромагнитной индукции. Суть явления состоит в том, что, если изменять магнитный поток, пронизывающий катушку, витки которой выпол­нены из проводящего материала, например, медного провода, то на выводах катушки появляется электрическое напряжение, равное произведению чис­ла ее витков на скорость изменения магнитного потока. Совокупность таких катушек образует в генераторе обмотку статора. Возможны два варианта изменения магнитного потока: по величине и направлению, что обеспечива­ется в щеточной конструкции вентильного генератора, или только по вели­чине, что характерно для индукторного бесщеточного генератора. Для обра­зования магнитного потока достаточно пропустить через катушку электри­ческий ток. Эта катушка образует обмотку возбуждения. Сталь, в отличие от воздуха, хорошо проводит магнитный поток. Поэтому основные узлы генера­тора, в которых происходит преобразование механической энергии в элект­рическую, состоят из стальных участков и обмоток, в которых создается магнитный поток при протекании в них электрического тока (обмотка возбу­ждения), и возникает электрический ток при изменении этого потока(обмот­ка статора).

Обмотка статора с его магнитопроводом образует собственно статор, главную неподвижную часть, а обмотка возбуждения с полюсной системой и некоторы­ми другими деталями (валом, контактными кольцами) - ротор, главную враща­ющуюся часть.

Питание обмотки возбуждения осуществляется от источника постоянного то­ка, например, от аккумуляторной батареи или от самого генератора. В последнем случае генератор работает на самовозбуждении, его первоначальное напряже­ние образуется за счет остаточного магнитного потока, который создается стальными частями ротора даже при отсутствии тока в обмотке возбуждения. Это напряжение вызывает появление электрического тока в обмотке возбужде­ния, в результате чего магнитный поток усиливается.и вызывает лавинный про­цесс возбуждения генератора. Однако самовозбуждение генератора происходит на слишком высоких частотах вращения ротора. Поэтому в схему генераторной установки, если обмотка возбуждения не соединена с аккумуляторной батареей, вводят такое соединение через контрольную лампу мощностью 2-3 Вт. Небольшой ток, поступающий через эту лампу в обмотку возбуждения, обеспечивает возбуждение генератора при низких частотах вращения ротора. При работе ге­нератора напротив катушек обмотки статора устанавливается то южный, то се­верный полюс ротора, при этом направление магнитного потока, пронизываю­щего катушку, изменяется, что и вызывает появление в ней переменного напря­жения. Частота этого напряжения f зависит от частоты вращения ротора n и числа пар полюсов р генератора:

 

f = pn/60

 

У всех автомобильных генераторов отечественного производства и, за редким исключением, генераторов зарубежных фирм шесть пар полюсов, при этом ча­стота переменного тока в обмотке статора, выраженная в Гц, меньше частоты вращения ротора генератора, измеряемой в мин-¹, в 10 раз.

С учетом передаточного числа ременной передачи i от двигателя к генерато­ру, частота переменного тока, выраженная через частоту вращения коленчато­го вала двигателя n_ДВ определяется соотношением:

f=0,1n_ДВ · i

 

Следовательно, по частоте переменного тока генератора можно измерять ча­стоту вращения коленчатого вала двигателя, что и используется в реальных схемах подключением тахометра или любого другого устройства, реагирующего на частоту вращения коленчатого вала, к выводу обмотки статора.

Обмотка статора как отечественных, так и зарубежных генераторов - трех­фазная. Она состоит из трех обмоток фаз, которые иногда называют просто фазами, токи и напряжения в которых смещены на 120 электрических градусов, как показано на рис. 3.1.

Фазы могут соединяться в «звезду» или «треугольник». При этом различают фазные и линейные напряжения и токи. Фазные напряжения действуют между выводами обмоток фаз, а токи протекают в этих обмотках, линейные напряже­ния действуют между проводами, соединяющими обмотку статора с выпрямите­лем. В этих проводах протекают линейные токи. Естественно, выпрямитель вы­прямляет те величины, которые к нему подводятся, т.е. линейные.

При соединении в «треугольник» фазные токи в раза меньше линейных, в то время как у «звезды» линейные и фазные токи равны. Это значит, что при том же отдаваемом генератором токе, ток в обмотках фаз при соединении в «треугольник» значительно меньше, чем у «звезды».

Поэтому в генераторах большой мощности довольно часто применяют соеди­нение типа «треугольник», т.к. при меньших токах обмотки можно наматывать более тонким проводом, что технологичнее. Однако линейное напряжение у «звезды» в больше фазного, в то время как у «треугольника» они равны, и для получения такого же выходного напряжения при тех же частотах враще­ния ротора «треугольник» требует соответствующего увеличения числа витков его фаз по сравнению со «звездой». Более тонкий провод можно применять и при соединении типа «звезда». В этом случае обмотку выполняют из двух параллельно соединенных обмоток, каждая из которых соединена в «звезду», т.е. соединением «двойная звезда». Выпрямитель содержит для трехфазной системы шесть силовых полупровод­никовых диодов, три из которых VD1, VD3, VD5 соединены с выводом «+» гене­ратора, а три - VD2, VD4, VD6 - с выводом «-» («массой»). Однако стремление повысить мощность генератора привело к увеличению числа диодов выпрями­теля до восьми и применению дополнительного плеча выпрямителя на диодах VD7, VD8, показанного на рис. 3.1 пунктиром.

Такая схема выпрямителя может иметь место только при соединении обмоток статора в «звезду», так как дополни­тельное плечо запитывается от «нуле­вой» точки «звезды».

Подключение обмотки возбуждения к собственному выпрямителю на дио­дах VD9 - VD11 препятствует протека­нию через нее тока разряда аккумуля­торной батареи при неработающем двигателе автомобиля.

Полупроводниковые диоды нахо­дятся в открытом состоянии и не ока­зывают существенного сопротивления прохождению тока при приложении к ним напряжения в прямом направле­нии и практически не пропускают ток при обратном напряжении.

По графику фазных напряжений (рис. 3.1) можно определить, какие ди­оды открыты, какие закрыты в данный момент времени. Фазное напряжение U_Ф1 действует в обмотке первой фазы, U_Ф2 - второй, U_Ф3 - третьей. Эти на­пряжения изменяются по кривым, близким к синусоиде, и в одни момен­ты времени они положительны, в дру­гие отрицательны.

Рис. 3.1. Принципиальная схема генераторной установки:

U_Ф1, U_Л, U_d соответственно фазное, линейное и выпрямительное напряжения;

1,2,3- обмотки трех фаз статора;

4 - диоды си­лового выпрямителя;

5 - аккумуляторная бата­рея;

6 - нагрузка;

7 - диоды выпрямителя обмот­ки возбуждения;

8 - обмотки возбуждения;

9 - регулятор напряжения

Если положительное направление напряжения в фазе принять по стрел­ке, направленной к нулевой точке обмотки статора, а отрицательное от нее, то, например, для момента времени t|, когда напряжение второй фазы отсут­ствует, первой фазы - положительно, а третьей - отрицательно, направле­ние напряжений фаз соответствует стрелкам на рис. 3.1. Ток через обмот­ки, диоды и нагрузку будет протекать в направлении этих стрелок. При этом открыты диоды VD1, VD4. Рассмотрев любые другие моменты времени, легко убедиться, что диоды силового выпрямите­ля переходят из открытого состояния в закрытое и обратно таким образом, что ток в нагрузке имеет только одно направление - от вывода «+» генераторной установки к ее выводу «-», т.е. в нагрузке протекает постоянный (выпрямлен­ный) ток. Диоды выпрямителя обмотки возбуждения работают аналогично, пи­тая выпрямленным током эту обмотку. В выпрямитель обмотки возбуждения входят также 6 диодов, но три из них - VD2, VD4, VD6 - общие с силовым вы­прямителем. Ток в обмотке возбуждения значительно меньше, чем ток, отдаваемый генератором в нагрузку. Поэтому в качестве диодов VD9 - VD11 применяются малогабаритные слаботочные диоды, рассчитанные на ток не более 2 А.

Плечо выпрямителя, содержащее диоды VD7, VD8, вступает в работу только I в том случае, если фазные напряжения генератора отличаются от синусоиды, что и имеет место в реальных генераторах. Напряжение любой формы можно представить в виде суммы синусоид, которые называются гармоническими со­ставляющими или гармониками - первой, частота которой совпадает с частотой фазного напряжения, и высших, главным образом третьей, частота которой в три раза выше, чем первой. Представление реальной формы фазного напряже­ния в виде суммы двух гармоник, первой и третьей, показано на рис. 3.2.

Из электротехники известно, что в линейном напряжении, т.е. в том напряже­нии, которое проводами подводится к выпрямителю и выпрямляется, третья гармоника отсутствует. Это объясняется тем, что третьи гармоники всех фазных напряжений совпадают по фазе, т.е. одновременно достигают одинаковых зна­чений и при этом взаимно уравновешивают и взаимно уничтожают друг друга в линейном напряжении.

Таким образом, третья гармоника напряжения в фазном напряжении при­сутствует, а в линейном - нет. Следовательно, мощность, развиваемая треть­ей гармоникой фазного напряжения, не может быть использована потре­бителем. Чтобы потребители могли использовать эту мощность, добавле­ны диоды VD7 и VD8, подсоединенные к нулевой точке обмоток фаз, т.е. к точке, где сказывается действие фазного напряжения. Таким образом, диоды VD7, VD8 выпрямляют только напряжение третьей гармоники фаз­ного напряжения. Применение этих Диодов увеличивает номинальную мощность генератора.

Как видно на рис. 3.1, выпрямленное напряжение носит пульсирующий ха­рактер. Применение дополнительного плеча на диодах VD7, VD8 усугубляет глубину пульсации. Однако наличие аккумуляторной батареи, которая является своеобразным фильтром, сглаживает напряжение в бортовой сети авто­мобиля. При этом ток в самой батарее пульсирует.