Лекция 5 по МДК 1.1. Конструкция, техническое обслуживание и ремонт транспортного электрооборудования и автоматики

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Генератор является источником электрической энергии на автомобиле при работающем двига­теле. Когда двигатель не работает, электроэнергия поступает в бортсеть от аккумуляторной ба­тареи. Таким образом, электрогенератор и аккумуляторная батарея образуют автономную бор­товую электроэнергетическую установку, которую принято называть системой электроснабже­ния автомобиля. Когда в этой системе применялся генератор постоянного тока, то она облада­ла недостаточно высокой эксплуатационной надежностью и низким качеством* вырабатывае­мого электричества. Кроме того, технология изготовления генераторов постоянного тока слож­ная и дорогостоящая. Все это привело к необходимости применения на автомобилях генерато­ров переменного тока, дооборудованных мощным полупроводниковым выпрямителем и элек­тронным регулятором напряжения. Основные сведения об автомобильных электрогенераторах нового поколения рассматриваются в данной главе.

5.1. Закон электромагнитной индукции

Принцип действия любого электрогенератора ос­нован на первом законе электромагнитной индукции.

Для одновитковой токопроводной рамки, вращаю­щейся в постоянном магнитном поле U-образного магнита, этот закон имеет вид Е = -В L V,

где Е— электродвижущая сила (ЭДС), наведен­ная в рамке; В — магнитная индукция поля постоян­ного магнита; L — длина той части рамки, которая находится в магнитном поле; V— вектор линейной скорости перемещения рамки относительно непо­движного магнитного поля.

Если рамка содержит несколько витков W, то ин­дуцированная ЭДС Ек является суммой электродви­жущих сил в этих витках и определяется как:

Е_к = -W В L V. (5.1)

Знак "минус", который часто опускается, но всегда подразумевается, означает, что если под действием ЭДС Е_к по рамке начнет протекать электрический ток (при подключении нагрузки), то созданное этим током магнитное поле будет противодействовать механичес­кой силе F, приводящей рамку во вращение.

Формула 5.1, отображающая закон электромаг­нитной индукции для многовитковых рамок, может быть представлена в другом виде, если линейную скорость V перемещения витков рамки L относи­тельно магнитного поля В выразить через путь dx пе­ремещения витков W по периметру окружности вра­щения с диаметром X за время dt поворота рамки на соответствующий угол. Тогда V = dx/dt, и форму­ла для ЭДС Ек несколько изменится: Е_к = -W В L V = -W В L dx/dt.

Выражение В L dx соответствует изменению маг­нитного потока dO при повороте рамки на шаг dx за время dt.

Изменение магнитного потока реализуется вра­щением ротора с диаметром X в магнитопроводе ста­тора, когда площадь витка ротора (S = LX), пронизан­ная магнитным потоком Ф = BS, постоянно изменя­ется во времени t, и тогда:

Е_к = -W_K dO/dt. (5.2)

Эта формула является основным расчетным выра­жением для определения индуцированной электро­движущей силы е_ф, возникающей в фазных обмотках электрических машин переменного тока под воздей­ствием изменения магнитного потока через обмотки:

е_ф = -\Л/_Ф dO/dt = -АЛ/ф d©_m cos cot/dt = Е_фт sin cot, где Ф_т и Е_фт — амплитудные значения величин Ф и ЭДС е_ф.

При этом под фазной обмоткой подразумевают электропроводную катушку, в которой наводится ЭДС е_ф и которая в генераторах переменного тока всегда расположена на неподвижном статоре.

5.2. Модели автомобильных генераторов переменного тока

Генератор — это такая электрическая машина, которая способна непрерывно вырабатывать элект­рическую энергию из механической. Генераторы бы­вают постоянного и переменного тока.

Наиболее просто непрерывность работы генерато­ра переменного тока можно обеспечить вращением постоянного магнита в неподвижном магнитопрово­де статора, на котором размещена фазная обмотка.

На рис. 5.1, а представлена модель однофазного синхронного генератора переменного тока с возбуждением от постоянного магнита, в котором вращающийся ротор — это двухполюсный постоян­ный магнит NS, а неподвижный магнитопровод М с одной фазной обмоткой \Л/_Ф — это статор. Синхрон­ным он назван потому, что электрическая частота заведенной в фазной обмотке ЭДС е_ф строго соот­ветствует (синхронна) частоте вращения постоян­ного магнита.

Так как в данном типе генераторов отсутствует коллекторно-щеточный механизм (КЩМ), то их то­же относят к группе бесконтактных генераторов переменного тока.

В реальных генераторах переменного тока с по­стоянными магнитами на роторе используются многополюсная система ротора (рис. 5.1, б) и многофаз­ная (чаще всего трехфазная) система обмоток на статоре (рис. 5.1, в).

При определенной конфигурации полюсных нако­нечников (на роторе и статоре) можно получить из­менение электродвижущей силы генератора по зако­ну синуса е_ф = Е_ф sin cot, где со = 2 гс f — круговая, а f — электрическая частота генератора.

Электрическая частота f генератора измеряется в герцах (1 Гц = 1/с = с^-1) и связана с числом оборотов (п) ротора генератора выражением f = р п, где р — число пар полюсов постоянного магнита ротора.

Ясно, что для генератора, модель которого пока­зана на рис. 5.1, а, — число пар полюсов ротора равно единице. В таком случае f_r (Гц) = n_R (об/с).

Если же постоянный магнит на роторе многопо­люсный, электрическая частота генератора f_r (Гц) увеличивается в число пар полюсов. Так, для генератора с тремя парами полюсов на роторе (рис. 5.1, б) электрическая частота в три раза вы­ше частоты генератора, отвечающего модели рис. 5.1а (f_r = р п = 3 п).

Следует заметить, что число N полюсов у ротора с постоянными магнитами может быть только четным, т.е. N всегда равно 2р, где р — любое целое положи­тельное число (1, 2, 3...).

• Вращающийся постоянный магнит на роторе может быть и электромагнитом. Тогда на ротор поме­щается обмотка Wb возбуждения.

Вращающаяся обмотка возбуждения соединяет­ся с внешней электрической цепью при помощи контактных колец на роторе и неподвижных щеток на крышке генератора, который в таком случае на­зывается генератором переменного тока с контакт­ными кольцами. Модель такого генератора показа­на на рис. 5.2, а.

Его принципиальным отличием от предыдущего ге­нератора с постоянными магнитами является воз­можность изменения величины магнитодвижущей си­лы ротора, что позволяет регулировать величину вы­ходного напряжения генератора. Необходимость уп­равления напряжением автомобильного генератора связана с его работой в условиях непрерывно изме­няющихся оборотов ротора. Так как в генераторе с роторной обмоткой возбуждения электродвижущая сила Е_г есть функция двух переменных E_r = f (В, п), то увеличение электродвижущей силы при повышении оборотов (п) двигателя внутреннего сгорания можно компенсировать соответствующим уменьшением то­ка 1_в возбуждения в роторной обмотке возбуждения.

Функцию управления В = f (1_в) выполняет регуля­тор напряжения генератора.

• Возможен и третий вариант конструктивного исполнения автомобильного генератора переменно­го тока, когда ротором является магнитомягкая пас­сивная ферромасса (например, спрессованный на­бор тонких пластин из трансформаторного железа), а обмотка возбуждения постоянного магнита поме­щена вместе с фазной обмоткой на статоре (рис. 5.3, а).

Такие генераторы называются индукторными и в последнее время находят применение на автомобилях.

5 4. Конструктивное исполнение генераторов переменного тока

• Бесконтактный генератор с возбуждением от юстоянного магнита. В генераторе, выполненном :_г.' оис. 5.1а, вращающийся ротор — это по-магнит, а фазные обмотки \Л/_Ф — это ка-"аик* на неподвижном статоре. Такой генератор на-_: izr~:- сесконтактным генератором переменного в: суждением от постоянного магнита, генераторе реализуется принцип £„ = -A~G_c(dF_d/dt), при неизменной индукции B_R ро-"са 3= = const). Он может быть однофазным или --:": газным. Генератор прост по конструкции, на-j0k6h. не боится грязи, не требует электрического ■юбуждения, не имеет трущихся электроконтактов, ::• :\_.жбы определяется высыханием изоляции явеэных обмоток. Но на современных легковых авто­нобилях генератор с возбуждением от постоянного ;--.•-= -е применяется из-за невозможности стро-■:-ливать в нем постоянное рабочее напря-шиис при изменении оборотов двигателя внутрен-- : гтсания (применяется на тракторах для пита-- - в парах).

• Генератор переменного тока с клювообразным ротором и с контактными кольцами, отвечаю­щий модели рис. 5.2а, имеет многофазный статор, аналогичный вышеописанному (рис. 5.1, в), но ротор генератора имеет некоторые отличия: вместо посто­янного цилиндрического магнита NS между клювооб-разными полюсами установлена обмотка W_B возбуж­дения (рис. 5.2, б). Обмотка W_B своими выводами подключена к контактным кольцам К, которые в свою очередь через щетки КЩМ соединяются с внешней электрической цепью возбуждения. Таким способом клювообразный ротор становится многопо­люсным постоянным электромагнитом, магнитодви­жущая сила которого (F = W_B 1_в) может легко регули­роваться путем изменения тока 1_в возбуждения, что очень важно для автомобильных электрогенерато­ров. Здесь реализуется принцип Е_ф = -Wj,G_d(dF_d/dt), с управлением индукцией B_R ротора (B_R = var).

Генератор с клювообразным ротором и с кон­тактными кольцами имеет самое широкое примене­ние на современных легковых автомобилях. Упро­щенная конструкция такого генератора показана на рис. 5.2, в.

• Индукторный генератор переменного тока. На рис. 5.3, а изображена модель индукторного генера­тора переменного тока. Основным отличием этого генератора является то, что его вращающийся ро­тор — это пассивная магнитомягкая ферромасса, а обмотка возбуждения W_B установлена на неподвиж­ном статоре вместе с фазными обмотками \А/_Ф. Для уменьшения магнитных потерь ферромасса ротора, как и статора, выполнена набором тонких пластин из электротехнической стали. Генератор является бес­контактным.

Работа такого генератора основана на периоди­ческом прерывании постоянного магнитного пото­ка Ф₈ статора, что при вращении ротора достигает­ся периодическим изменением величины воздуш­ного зазора между статором и ротором. Ясно, что при этом магнитный поток Ф₅ периодически изме­няется с частотой, кратной частоте вращения рото­ра. Таким образом, индукторный генератор являет­ся синхронным и управляется по напряжению с по­мощью изменения тока 1_в возбуждения в статор-ной обмотке W_B.

В индукторном генераторе реализуется принцип получения ЭДС путем изменения магнитной проводи­мости G_d в воздушном зазоре:

Е_ф = -WtpFatdGd/dt), при управлении величиной индукции B_s магнитного поля статора.

Соответствующим подбором конфигурации по­верхности пассивного ротора и полюсных наконечни­ков статора можно приблизить периодичность изме­нения магнитного потока Ф₃ к синусоидальному зако­ну, что обеспечивает синусоидальную форму рабоче­му напряжению генератора: е_ф = Е_ф sin cot.

Индукторный генератор, как и вышеописанные типы генераторов, может быть однофазным или многофазным. Это зависит от числа фазных кату­шек на статоре, от их расположения и от способа их соединения.

На рис. 5.3, б приведена схема соединения обмо­ток и их расположения на однофазном статоре ин­дукторного генератора.

Многофазный индукторный генератор, упрощен­ная конструкция которого показана на рис. 5.3, в, обладает всеми преимуществами бесконтактных ге­нераторов, и в последнее время стал постепенно внедряться в систему электроснабжения современ­ного легкового автомобиля.

Так, Алтайский завод тракторного электрообору­дования (АЗТЭ) освоил выпуск ряда бесщеточных ин­дукторных генераторов для легковых автомобилей, которые поставляются в запчасти и имеются в про­даже. Для автомобилей ВАЗ этот завод выпускает ин­дукторный генератор с пятифазным статором.

Однако следует заметить, что по таким параметрам, как КПД, масса и габариты, индукторные генераторы пока уступают генераторам с контактными кольцами.

5.5. Выпрямители автомобильных генераторов

Любой современный автомобильный генератор переменного тока обязательно содержит мощное по­лупроводниковое выпрямительное устройство, вмон­тированное непосредственно в корпус генератора.

Выпрямитель генератора выполняет функцию преобразования синусоидального напряжения, вы­рабатываемого генератором, в постоянное напря­жение бортовой сети автомобиля.

Простейшее звено выпрямительного устройст­ва — это мощный полупроводниковый диод, который обладает односторонней проводимостью электричес­кого тока. Через такой диод одна полуволна синусои­дального напряжения проходит, а другая отсекается. Получается однополупериодное выпрямление одно­фазного синусоидального напряжения.

При выпрямлении многофазной (например, 3-х фазной) системы напряжений, которую вырабаты­вает современный автомобильный генератор, для двухполупериодной схемы на каждую фазу требует­ся по два диода.

Комбинацией полупроводниковых диодов можно создать различные схемы выпрямителей (рис. 5.4): а — однополупериодную; б — двухполупериодную; в — двухполупериодную мостовую; г — двухполупе­риодную многофазную.

Наибольшее распространение в автомобильных генераторах переменного тока получили двухполупериодные 3-х фазные выпрямители, собранные по схеме Ларионова (рис. 5.4, г). В этой схеме для каж­дой фазы генератора имеет место четырехдиодная мостовая сборка (см. красную часть схемы рис. 5.4, г). Такая схема выпрямляет оба полуперио­да в системе линейных синусоидальных напряжений:

и_ф1 = u_t sin cot

и_ф2 = u₂ sin (cot - 120°)

и_ф3 = u₃ sin (cot - 240°).

По постоянному току схема Ларионова работает на одну общую нагрузку R_H.

Обмотки статора генератора при этом могут быть включены как "звездой" (рис. 5.5), так и "треуголь­ником" (рис. 5.6).

Следует заметить, что когда максимальный ток в одной фазе генератора превышает допустимый ток для одного диода, то каждое плечо выпрямительного моста может содержать два параллельно включенных диода. Тогда в силовой диодной сборке на три фазы в выпрямителе Ларионова устанавливаются 12 диодов.

Все полупроводниковые диоды, которые выпуска­ются специально для автомобильных генераторов, имеют корпусную таблеточную конструкцию. Для удоб­ства сборки на радиаторной плате генератора диоды прямой полярности имеют на корпусе положительный электрод, а диоды отрицательной полярности — отри­цательный электрод.

В некоторых генераторах для питания обмотки возбуждения применяется отдельная группа из 3-х до­полнительных диодов малой мощности прямого на­правления (зеленые диоды на рис. 5.5). Это исключает оазряд аккумуляторной батареи полным током обмот­ки возбуждения при включенном зажигании, но при неработающем двигателе внутреннего сгорания. К дополнительной диодной сборке подключается и кон­трольная лампа HL генератора (рис. 5.5).

В автомобильных генераторах с обмотками стато-оа, включенными по схеме "звезда", в лучах звезды имеют место третьи гармоники синусоидальных фаз­ных напряжений. Энергия этих гармоник может быть добавлена к общей энергии генератора. Для этой це-\и между нулевой точкой "звезды" и выводами (+) (-) генератора устанавливаются два дополнительных си-\овых диода (красные диоды на рис. 5.5). Мощность пэнератора при этом увеличивается на 12...15%.

Автомобильные генераторы переменного тока со встроенным выпрямителем часто называют вентиль­ными генераторами. Многофазный выпрямитель вен­тильного генератора дает высокую частоту и малую амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения.

На рис. 5.6, б приведены временные диаграммы фазных напряжений U_ab, U_bc, U_ca для 3-х фазного статора и их совместное действие на общую нагруз­ку R_H со стороны постоянного напряжения генерато­ра (огибающая L).

Следует также заметить, что в современных ав­томобильных генераторах большой мощности (Рг0,9кВт) чаще применяется схема включения обмоток статора "треугольником". При этом линей­ный ток в плече выпрямителя больше тока в фазной обмотке на величину V 3, что позволяет применять более тонкий провод для фазных обмоток. Кроме то­го, значительно упрощается схема контрольной лам­пы генератора (рис. 5.6, а).

Подавляющее большинство современных авто­мобильных генераторов несут на своем корпусе ми­кроэлектронный (интегральный) регулятор напря­жения.

1