Генератор переменного тока, это электрическая машина, которая преобразует механическую энергию в электрическую энергию переменного тока. Как правило, генератор переменного тока использует вращающееся магнитное поле. Вот о том, как устроен автомобильный генератор переменного тока, мы и поговорим в этой статье.

 

 

 

Генерирование электроэнергии в автомобиле

 

Генератор требуется автомобилю для за­ряда аккумуляторной батареи и запитывания электрооборудования, такого как система за­жигания и впрыска топлива, ЭБУ, освещение и пр. Для заряда аккумуляторной батареи генератору необходимо выдавать больший ток, чем требуется включенному электрообо­рудованию. Мощность генератора, емкость аккумуляторной батареи и потребляемая мощность электрооборудования должны со­ответствовать друг другу, чтобы при любых условиях эксплуатации в бортовую сеть посту­пал достаточный ток, и аккумуляторная бата­рея всегда достаточно заряжалась, т.е. чтобы поддерживался адекватный зарядный баланс.

Поскольку аккумуляторная батарея и мно­гие элементы электрооборудования должны получать постоянный ток, вырабатываемый генератором переменный ток, выпрямляется. Генератор оснащается регулятором напряже­ния, позволяющим подавать на аккумулятор­ную батарею и электрооборудование посто­янное напряжение. Генераторы в легковых автомобилях рассчитаны на зарядное напря­жение 14 В, а во многих грузовых автомоби­лях — на 28 В (28-вольтовая электросистема).

 

Требования к генераторам

 

Основными требованиями к генераторам яв­ляются:

• Подача напряжения постоянного тока для электрооборудования системы;
• Обеспечение резервов по мощности для заряда аккумуляторной батареи даже при постоянно включенной нагрузке от непре­рывно эксплуатируемых устройств;
• Поддержание постоянного напряжения генератора в полном диапазоне частоты вращения и нагрузки;
• Высокий уровень КПД;
• Низкий уровень шума;
• Надежная конструкция, способная вы­держивать внешние нагрузки (вибрацию, высокую окружающую температуру, пере­пады температуры, грязь, влагу);
• Длительный срок службы, сравнимый со сроком службы самого автомобиля (лег­кового);
• Малая масса;
• Компактные размеры.

 

Принцип электромагнитной индукции

 

При изменении магнитного поля в катушке в ней наводится напряжение (рис. «Создание наведенного напряжения в катушке, вращающейся в магнитном поле» ). Согласно закону Фарадея наведенное напряжение U_md растет с увеличением скорости v движения перпендикулярно линиям поля и с увеличе­нием магнитного потока Ф через поперечное сечение проводника. Это можно описать вы­ражением:

U_ind = dФ/dt

Магнитное поле для создания наведенного напряжения (поле возбуждения) может быть создано постоянными магнитами. Их преиму­щество состоит в простоте конструкции. Это решение используется в небольших гене­раторах (например, велосипедных динамо- машинах). Недостатком возбуждения с помощью постоянных магнитов является не­возможность регулировки.

Регулируемое поле возбуждения можно создать электромагнитами. Электромагнит состоит из железного сердечника и обмотки (обмотки возбуждения), через которую про­текает ток возбуждения. Количество обмоток вместе с величиной тока возбуждения опре­деляют силу магнитного поля. Намагничивае­мый железный сердечник в электромагните проводит создаваемое катушкой магнитное поле.

Путем изменения тока возбуждения можно регулировать магнитное поле и, соответ­ственно, величину наведенного напряжения.

Когда ток возбуждения дает внешний ис­точник (например, батарея), это называют внешним возбуждением. Когда ток возбуж­дения берется непосредственно из тока, вы­рабатываемого генератором, это называют самовозбуждением.

 

Конструкция генератора переменного тока

 

Основными компонентами генератора явля­ются трех- или многофазные обмотки якоря и система возбуждения (рис. «Базовая конструкция генератора с клювообразными полюсами с коллекторными кольцами» ). Поскольку конструкция обмотки якоря сложнее, чем конструкция системы возбуждения, и соз­даваемые в обмотке якоря токи больше тока возбуждения, обмотки якоря размещаются в неподвижном статоре. Магнитные полюса с обмоткой возбуждения размещаются на вращающейся части — роторе. Магнитное поле ротора создается сразу при протекании тока возбуждения через эту обмотку. Генера­тор должен иметь большое количество пар полюсов, чтобы он мог создавать высокое наведенное напряжение уже на низких обо­ротах. Большое количество полюсов создает высокий уровень реакции на оборот и, соот­ветственно, высокое наведенное напряжение. Это необходимое условие для получения вы­сокой мощности генератора.

У генераторов с клювообразными полюсами магнитное поле одной катушки возбуждения может быть разделено таким образом, чтобы создать необходимые 12-16 полюсов или 6-8 пар полюсов (рис. «Базовая конструкция генератора с клювообразными полюсами с коллекторными кольцами» и «Компоненты 12-полюсного ротора с клювообразными полюсами» ).

 

 

Якорь в генераторе содержит три или более идентичных обмотки (фазы), смещенных в пространстве относительно друг друга (рис. «Базовая конструкция генератора с клювообразными полюсами с коллекторными кольцами» ). Из-за пространственного смещения обмоток генерируемые в них синусоидально изменяю­щиеся напряжения так же сдвигаются по фазе (смещение во времени, рис. «Выпрямление трехфазного тока» ). Получаемый переменный ток называют трехфазным.

 

Выпрямление напряжения переменного тока

 

Создаваемое генератором напряжение переменного тока необходимо выпрямить, поскольку для аккумуляторной батареи и автомобильной электроники требуется по­стоянный ток.

К каждой фазе подключается два сило­вых диода — один с положительной стороны, обычно подключаемый через положительный теплоотвод выпрямителя к плюсовой клемме аккумуляторной батареи, и один — с отрица­тельной, подключаемый через отрицательный теплоотвод выпрямителя к корпусу генератора (минусовая клемма аккумуляторной батареи) (рис. 2). Корпус генератора также электрически соединяется с землей через точки крепления генератора. Положительные полуволны про­водятся диодами на положительной стороне (плюсовая клемма аккумуляторной батареи), а отрицательные — диодами на отрицательной стороне (масса). Этот принцип называется полноволновое выпрямление (рис. «Выпрямление трехфазного тока» ).

В случае с генераторами, у которых обмотка статора подключается «звездой» (рис. а, «Типы подключения трехфазных обмоток статора» ), два дополнительных диода выпрямляют по­ложительную и отрицательную полуволны нейтральной точки звезды. Путем выпрямле­ния третьей гармоники в фазовых напряже­ниях эти дополнительные диоды могут увели­чить выходной ток генератора при 6000 мин^-1 на 10%.

Таким образом, эффективность генера­тора значительно повышается в верхнем диапазоне оборотов. В нижнем диапазоне оборотов амплитуда третьей гармоники ока­зывается ниже напряжения в бортовой сети автомобиля, и до­полнительные диоды не могут выдавать ток. Дополнительные диоды редко используются в современных генераторах.

Постоянный ток, отдаваемый генератором при электрической нагрузке через клеммы В+ и В- в бортовую сеть, имеет небольшие пульсации. Эти пульсации сглаживаются ак­кумуляторной батареей, подключаемой па­раллельно генератору и, при необходимости, конденсаторами в бортовой сети.

Вместо силовых диодов с высокой блоки­рующей способностью в современных гене­раторах для выпрямления переменного тока используются диоды Зенера. Они ограничи­вают максимальные напряжения до уровней, которые безвредны для синхронных генера­торов и регуляторов (защита от выбросов мощности). Дополнительно стабилитроны могут применяться для обеспечения дистан­ционной защиты другого чувствительного к напряжению оборудования, входящего в со­став автомобильной электрической системы. При использовании генератора на 14 В напря­жение срабатывания выпрямителя с диодами Зенера варьируется от 25 до 30 В.

 

Цепи генераторов

 

В трехфазных генераторах для передачи электроэнергии в случае неподключенных обмоток потребовалось бы шесть токовых вводов. Это количество можно уменьшить до трех, объединив три цепи. Цепи соединяются по схеме «звезда» (рис. а, «Типы подключения трехфазных обмоток статора» ) или «треуголь­ник» (рис. Ь, «Типы подключения трехфазных обмоток статора» ).

В случае соединения звездой концы трех фаз обмотки соединяются в одной точке — нейтральной точке звезды. Без нейтрального проводника общая сумма трех токов к ней­тральной точке всегда равна нулю.

 

Блок обратного тока

 

Выпрямительные диоды в генераторе служат не только для выпрямления вырабатываемого им напряжения, но и для предотвращения раз­ряда аккумуляторной батареи через обмотки статора. Когда двигатель выключен или его обороты настолько малы, что генератор не возбуждается, без диодов ток аккумулятор­ной батареи должен был бы протекать через обмотку статора. Диоды поляризуются отно­сительно напряжения аккумуляторной бата­реи в противоположном направлении, чтобы предотвратить любой значительный разряд­ный ток. Поэтому ток может течь только от генератора к аккумуляторной батарее.

Обычно генераторы не снабжаются сред­ствами защиты от обратной полярности. Изме­нение же полярности в аккумуляторной батарее приводит к разрушению диодов генератора, а также подвергает опасности компоненты по­лупроводников других устройств в автомобиле.

 

Регулирование напряжения

 

При постоянном токе возбуждения напряже­ние генератора зависит от частоты вращения ротора и нагрузки. Функция регулирования на­пряжения заключается в поддержании напря­жения генератора и, соответственно, напряже­ния в бортовой сети постоянным во всем диапазоне оборотов двигателя независимо от электриче­ской нагрузки. Для этого регулятор напряже­ния корректирует величину тока возбуждения путем циклической активации и деактивации напряжения в возбуждающей обмотке. Регуля­тор корректирует отношение времени включе­ния ко времени выключения в зависимости от напряжения, создаваемого генератором. В пе­риоды, когда регулятор деактивирует напря­жение, из-за высокой индуктивности катушки возбуждения ток возбуждения течет через нерегулируемый диод, подключенный парал­лельно обмотке возбуждения (рис. «Генератор» ). Таким образом, регулятор поддерживает напряжение в бортовой сети постоянным и предотвращает пере­заряд или разряд аккумуляторной батареи во время эксплуатации автомобиля.

 

Регуляторы напряжения

 

Регуляторы напряжения раньше изготавли­вались с помощью дискретных компонентов. Сегодня они включают в себя гибридные или монолитные контуры (рис. «Генератор» ). При использо­вании монолитной технологии изготовления контрольная и регулирующая интегральная схема, транзистор большой мощности и га­сящий диод располагаются в одном блоке.

 

 

В дополнение к описанным выше функ­циям регулировки напряжения многофунк­циональные регуляторы напряжения вы­полняют специальные функции. Особого внимания заслуживает функция реагиро­вания на нагрузку (LR). Различают LR при работающем двигателе и LR при запуске двигателя. LR при работающем двигателе по­могает улучшить характеристики двигателя внутреннего сгорания в плане работы и ток­сичности ОГ путем ограниченного увеличе­ния мощности со временем. LR при запуске двигателя означает, что генератор не рабо­тает в течение определенного времени после запуска, чтобы стабилизировались холостые обороты двигателя.

 

Интеллектуальное регулирование генератора

 

Регуляторы напряжения с цифровыми интерфейсами улучшают совместимость между системами управления двигателем и регулирования генератора переменного тока. Здесь используют различные интерфейсы (например, бит-синхронный интерфейс или UN-интерфейс) в зависимости от изготови­теля автомобиля.

Управляющее напряжение можно регу­лировать через интерфейс регулятора. Если установить низкое управляющее напряже­ние, это приведет к падению или отсутствию мощности генератора. Подводимая мощ­ность и крутящий момент на валу генератора падают до низкого уровня. С другой стороны, напряжение генератора можно повысить через интерфейс, чтобы генератор заряжал аккумуляторную батарею и запитывал элек­трооборудование автомобиля.

Поскольку генератор преобразует механиче­скую энергию в электрическую, подводимая мощность на валу генератора увеличивается с ростом выходной электрической мощно­сти. Двигатель внутреннего сгорания требует больше топлива для покрытия потребностей генератора в подводимой мощности. Однако если напряжение генератора повышается при движении накатом, то энергия, отбираемая генератором с коленчатого вала, не стоит ни капли дополнительного топлива, потому что отсечка топлива при движении накатом оста­навливает подачу топлива. Когда водитель нажимает педаль газа, ЭБУ двигателя снова снижает напряжение генератора через интер­фейс связи с регулятором, чтобы снять на­грузку с двигателя в виде крутящего момента генератора. Этот процесс известен также как интеллектуальное регулирование генератора и рекуперация.

Интерфейсные регуляторы позволяют точно подстроить функции реагирования на нагрузку к режиму работы двигателя, опти­мизировать профили момента для сокраще­ния расхода топлива и отрегулировать заряд­ное напряжение для улучшения состояния заряда аккумуляторной батареи.

 

Характеристики генератора

 

Генератор может подавать ток в бортовую сеть лишь при условии, что наведенное на­пряжение U_ind в обмотках статора будет больше, чем общая сумма прямых напря­жений двух диодов и напряжение в бортовой сети на клеммах В+ и В-. Поскольку наведенное напряжение:

U_ind ~ dФ/dt

зависит от частоты изменения магнитного по­тока, т.е. от оборотов ротора, существует диа­пазон от нуля до оборотов самовозбуждения, в котором генератор не выдает ток (рис. «Характеристическая кривая при максимальном токе генератора при постоянном напряжении» ).

 

 

Затем ток генератора резко растет в условиях полной нагрузки с повышением оборотов. На более высоких оборотах напряжение при реактивном сопротивлении намагничивания Х_h (рис. «Упрощенное обозначение фазы с выпрямлением» ) и реактивном сопротивлении рас­сеяния Хσ, падает так сильно, что, несмотря на рост наведенного напряжения, ток не растет столь значительно. Реактивное сопротивле­ние намагничивания получается из той части индуктивности катушки, которая создает по­лезное наведенное напряжение и магнитный поток которой занимает предусмотренные траектории в роторе и статоре. Реактивное сопротивление рассеяния образует ту часть магнитного потока, которая не связана с ро­тором, т.е. поля рассеяния, закорачиваемые, например, в крайней обмотке или прямо че­рез канавку.

 

Условия работы генератора переменного тока

 

Частота вращения генератора

 

Использование генератора (создаваемая энергия на килограмм массы) увеличивается с ростом оборотов двигателя. Поэтому необ­ходимо использовать максимально высокое передаточное отношение между генерато­ром и коленчатым валом двигателя. Однако важно, чтобы при максимальных оборотах двигателя не превышались максимально допустимые обороты генератора. Макси­мально допустимые обороты автомобильных генераторов определяются расширением клювообразных полюсов и сроком службы шарикоподшипников. Типичные значения для максимальных оборотов автомобильных генераторов находятся в диапазоне 18 000 — 22 000 мин^-1. Передаточное отношение для легковых автомобилей находится в пределах 1:2,2—1:3, а для грузовых автомобилей 1:5.

 

Охлаждение генератора

 

Потери при преобразовании механической энергии в электрическую приводят к нагреву деталей генератора. Для охлаждения боль­шинства современных автомобильных гене­раторов используется окружающий воздух в моторном отсеке. Если его недостаточно для охлаждения генератора, то подходящими решениями для адекватного охлаждения становятся нагнетание воздуха из более про­хладных мест и жидкостное охлаждение.

 

Вибрации двигателя

 

Генератор, в зависимости от условий мон­тажа и вибрационных характеристик дви­гателя, может подвергаться вибрационным ускорениям 500-800 м/с². Таким образом, крепления и компоненты генератора под­вержены воздействию значительных сил. Поэтому совершенно необходимо избегать критических значений частоты собственных колебаний в генераторе.

 

Климат моторного отсека автомобиля

 

Генератор подвергается воздействию брызг воды, грязи, масла и распыленного топлива, а также соли, песка и гравия. Генератор должен защищаться от коррозии, чтобы можно было предотвратить образование путей утечки тока между деталями, находящимися под напря­жением.

 

Акустика генератора

 

Жесткие требования к уровню шума в совре­менных автомобилях и отличная плавность работы современных двигателей внутрен­него сгорания требуют тихо работающих генераторов. Наряду с фасками на пальцах генераторов с клювообразными полюсами, уменьшающими жесткое прерывание маг­нитного потока на краях пальцев, существуют и другие возможности уменьшения шума, создаваемого магнитами автомобильных ге­нераторов. Можно использовать следующее: во-первых, пять фаз в пентаграммном соеди­нении (рис. «Пятифазная обмотка статора с пентаграммным соединением с подключенным мостовым выпрямителем» ) и, во-вторых, две трехфазных системы, электрически смещенных на 30°.

 

 

КПД генератора переменного тока

 

КПД генератора представ­ляет собой отношение мощности, которая подается на какое-либо устройство, к мощ­ности на выходе. Потери неизбежны для всех процессов, при которых механическая энер­гия преобразуется в электрическую. Потери в генераторе с клювообразными полюсами классифицируются следующим образом (рис. «Распределение потерь генератора, рассчитанного на ток 220 А).

Потери в генераторе с клювообразными полюсами

 

Потери в меди обмоток статора и ротора

 

Омические потери в обмотках статора и об­мотке ротора называются потерями в меди. Они пропорциональны квадрату тока.

 

Потери в железе в пластинчатом сердечнике статора

 

Потери в железе — результат гистерезиса и вихревых токов, наводимых переменными магнитными полями в железе статора и ро­тора.

 

Потери вихревых токов на поверхности клювообразных полюсов

 

Потери вихревых токов на поверхности клю­вообразных полюсов вызваны колебаниями магнитного потока из-за наличия пазов в статоре.

 

Потери в выпрямителе генератора

 

Потери в выпрямителе вызываются падением напряжения на диодах. Их можно уменьшить и, соответственно, поднять КПД путем ис­пользования полупроводников с меньшим падением напряжения — например, высоко­эффективных диодов (HED).

 

Механические потери генератора

 

Механические потери включают трение, воз­никающее в роликовых подшипниках и кон­тактных кольцах, аэродинамическое трение в вентиляторе. Прежде всего, имеются потери мощности (необходимой для приведения в действие самого вентилятора) которые уве­личиваются с повышением частоты враще­ния.

К ним относятся и аэродинамические потери, вызванные вентилятором и клюво­образными полюсами.

 

Повышение КПД генератора

 

В обычном режиме эксплуатации генератор ра­ботает в диапазоне частичной нагрузки. В этом случае КПД на средних оборотах составит 70-80 %. Использование более крупного (и более тяжелого) генератора позволяет ему работать в более благоприятном диапазоне частичной нагрузки при той же электрической нагрузке. Увеличение КПД, обеспечиваемое более крупным генератором, с избытком компенсирует потери в экономии топлива, связанные с большей массой. Однако следует учитывать более высокий момент инерции в ременном приводе.

 

Типы генераторов с клювообразными полюсами

 

Генераторы с клювообразными полюсами полностью заменили стандартно исполь­зовавшиеся ранее генераторы постоянного тока. При равной выходной мощности гене­ратор с клювообразными полюсами имеет меньшую на 50 % массу, а также значительно дешевле в изготовлении. Крупномасштабное применение (в начале 1960-х годов) стало возможным только благодаря компактным, мощным, недорогим и надежным кремние­вым диодам.

 

Генераторы на компактных диодах

 

Классическая конструкция автомобильного генератора характеризуется большим внеш­ним вентилятором, обеспечивающим одно­поточную осевую вентиляцию (рис. «Генераторы на компактных диодах» ). По­скольку выпрямитель, регулятор и система щеток и коллекторных колец располагаются внутри торцевого щита, то вал внутри кол­лекторных колец должен быть относительно толстым, чтобы передавать силы ременного привода на внешний шарикоподшипник. Поэтому коллекторные кольца имеют боль­ший диаметр, ограничивающий срок службы щеток.

 

Компактные генераторы

 

Генераторы современных легковых автомо­билей (рис. «Компактный генератор» ) охлаждаются двух поточной вентиляцией, обеспечиваемой двумя вну­тренними вентиляторами. Охлаждающий поток направляется из окружающего воздуха вдоль оси и выходит из генератора радиально вблизи лобовых частей статорных обмоток через щели в подшипниковых щитках со стороны привода и со стороны контактных колец.

 

Основные преимущества генератора компактной конструкции:

• Высокая степень использования благодаря высокой максимальной частоты вращения;
• Низкие аэродинамические шумы благо­даря небольшому диаметру вентиляторов;
• Низкий уровень магнитного шума;
• Большой срок службы щеток из-за мень­шего размера диаметра контактного кольца.

 

Бесщеточные генераторы

 

Являются вариацией специальной конструк­ции клювообразно-полюсного устройства, в котором вращаются только клювообразные полюсы, тогда как обмотка возбуждения остается неподвижной. Одна из полюсных половин удерживается напротив другой по­люсной половины посредством немагнитного кольца. Магнитный поток, кроме нормаль­ного рабочего зазора, должен пересекать два дополнительных воздушных зазора. С помо­щью этой конструкции выпрямитель подает ток в обмотку возбуждения непосредственно через регулятор напряжения, поэтому контактные кольца и скользящие контакты не нужны. Это расположение позволяет из­бежать износа, характерного для системы с щетками и коллекторными кольцами, по­зволяя проектировать генераторы с гораздо большим сроком службы. Поэтому они под­ходят для использования, например, в строи­тельной и железнодорожной технике. Масса такого устройства несколько больше, чем у генераторов с клювообразными полюсами и токосборными кольцами той же мощности.

Безобмоточный ротор также используется в генераторах с жидкостным охлаждением (рис. «Генератор с жидкостным охлаждением и безобмоточным ротором» ). В случае с этим генератором охлаж­дающая жидкость двигателя течет по всей рубашке задней части корпуса генератора. Электронные компоненты монтируются на передней крышке, находящейся со стороны привода.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ: