Генераторные установки

Генераторные  установки

Генераторная установка  состоит из электрогенератора и  регулятора напряжения. Они, вместе с  элементами контроля работоспособности  и защиты от возможных аварийный  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.

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: 14 В 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.

I. УСТРОЙСТВО  И РАБОТА ГЕНЕРАТОРА

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Вал генератора приводится во вращение от шкива, установленного на коленчатом валу двигателя, клиновидным ремнем. Передаточное число клиноременной передачи 1,7—2,0. При движении автомобиля частота вращения коленчатого вала при холостом ходе у современных двигателей составляет 500—600 об/мин, максимальная частота 4000—5000 об/мин. Таким образом, кратность изменения частоты  вращения двигателя, а, следовательно, и вала генератора может достигать 8 — 10. Напряжение генератора зависит от частоты вращения его вала. Чем выше частота, тем больше напряжение генератора. Однако все приборы электрооборудования автомобиля, особенно лампы и контрольно-измерительные

приборы, рассчитаны на питание  от постоянного напряжения 12 или 24 В. Поддержание постоянства напряжения генератора независимо от изменения частоты вращения и нагрузки генератора (включения потребителей) выполняет специальный прибор, называемый регулятором напряжения.

При снижении частоты  вращения коленчатого вала двигателя  ниже 500-700 -об /мин напряжение генератора становится меньше напряжения аккумуляторной батареи. Если батарею не отключить от генератора, она начнет разряжаться на генератор, что может привести к перегреву изоляции обмоток генератора и разряду аккумуляторной батареи. При увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя необходимо вновь включить генератор в систему электрооборудования. Включение генератора в систему электрооборудования, когда его напряжение выше напряжения аккумуляторной батареи, и отключение генератора от сети, когда его напряжение ниже напряжения аккумуляторной батареи, выполняет специальный прибор, называемый реле обратного тока.

Генератор рассчитан  на отдачу определенной максимальной для данного генератора величины тока, однако при неисправности в  системе электрооборудования (разряженная аккумуляторная батарея, короткое замыкание и т. д.) генератор может отдавать ток больший, чем тот, на который он рассчитан. Длительная работа генератора в таком режиме приведет к его перегреву и сгоранию изоляции обмоток. Для защиты генератора от перегрузки служит специальный прибор, называемый ограничителем тока.         

Все три прибора —  регулятор напряжения, реле обратного  тока и ограничитель тока—объединены  в одном устройстве, называемом реле-регулятором.

В некоторых генераторах, например Г-250, переменного тока реле обратного тока и ограничитель тока могут отсутствовать, но в конструкции генератора имеются устройства, выполняющие функции этих приборов.

На рис. 1 показано устройство генератора переменного тока Г-250. Генератор имеет статор 6 с трехфазной обмоткой, выполненной в виде отдельных катушек, насаженных, на зубцы статора. В каждой фазе имеется по шесть катушек, соединенных последовательно. Фазные обмотки статора соединены звездой, и их выходные зажимы подключены к выпрямительному блоку 10.

 

 

 

 

 

Рис. 1 Устройство генератора переменного тока Г-250

 

 

 

Корпус статора набран из отдельных пластин электротехнической стали. Обмотка возбуждения 4 генератора выполнена в виде катушки и помещена на стальной втулке клювообразных полюсов ротора 13. Втулка, клювообразные полюсы ротора и контактные кольца 5 жестко закреплены на валу 3 ротора (прессовая посадка на накатку). Магнитное поле, создаваемое обмоткой возбуждения, проходя через торцы клювообразных полюсов, образует северные и южные  полюсы на роторе(рис. 2) (Е.В. Михайловский, «Устройство автомобиля», с. 163).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2 Ротор

 

При вращении ротора магнитное  поле полюсов ротора пересекает витки катушек обмотки статора, индуктируя в каждой фазе переменную э.д.с.

(рис. 3,б).

 

 

 

 

 

 

Рис. 3

Схема выпрямления  переменного тока

 

 

 

Ток в обмотке возбуждения  подводится через щетки 8 (рис.1) и контактные кольца 5, к которым припаяны концы обмотки возбуждения. Щётки укреплены в щеткодержателе 9.

Статор генератора с помощью стяжных болтов закреплен между крышками 1 и 7, которые имеют кронштейны крепления генератора к двигателю. В крышке 1 со стороны привода вверху имеется резьбовое отверстие для крепления натяжной планки, с помощью которой регулируется натяжение приводного ремня генератора. Крышки отлиты из алюминиевого сплава.

С целью уменьшения износа посадочное место под шарикоподшипник  в задней крышке 7 и отверстия в кронштейнах крышек армированы стальными втулками.

В крышках установлены  шариковые подшипники 2 и 12 с двусторонним уплотнением и смазкой, заложенной на весь срок службы подшипника.

На выступающий конец  вала 3 ротора крепится наружный вентилятор 14 (рис. 1) и шкив 15. В крышках имеются вентиляционные окна, через которые проходит охлаждающий воздух. Направление движения охлаждающего воздуха — от крышки со стороны контактных колец к вентилятору.

В крышке со стороны контактных колец устанавливается выпрямительный блок 10, собранный из кремниевых вентилей (диодов), допускающих рабочую температуру корпуса плюс 150°С. 

 

3.1. 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:

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 частоту 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:

Следовательно, по частоте  переменного тока генератора можно  измерять частоту вращения коленчатого  вала двигатели, 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 √3 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 меньший, 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 √3 раз 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”.