Принцип работы и устройство современного автомобильного генератора

В стандартном исполнении в автомобиле существуют два источника питания – генератор и аккумулятор. Разница между ними заключается в том, что АКБ накапливает электроэнергию, а автомобильный генератор ее вырабатывает. То есть это устройство преобразует механическую энергию от двигателя в электрическую с целью дальнейшего питания всех потребителей и заряда аккумулятора.

Функции генератора

При запуске двигателя пусковой ток на стартер подается от аккумулятора. Но сам аккумулятор не вырабатывает энергию, а только ее накапливает и потом отдает. Если использовать для питания всех потребителей только АКБ, то она быстро разрядится. Автомобильный генератор производит электроэнергию, заряжает АКБ и питает бортовую сеть автомобиля во время работы двигателя (при достижении им определенных оборотов вращения коленчатого вала).

Автомобильный генератор

Генератор начинает вырабатывать электрический ток начиная с частоты вращения холостого хода, однако, на оптимальный режим работы он выходит при достижении двигателем 1600-1800 об/мин и более.

Виды генераторов

Выделяют два вида автомобильных генераторов:

• постоянного тока;
• переменного тока.

Первый вид генераторов в настоящее время уже не используется. Такие устройства устанавливались на старых моделях автомобилей (ГАЗ-51, Победа и др.). Они имеют много недостатков, такие как:

• малая мощность и эффективность;
• необходимость в постоянном контроле и обслуживании;
• небольшой срок службы.

Сейчас применяются генераторы переменного тока. Главное их отличие в том, что вне зависимости от режима работы двигателя автомобильную сеть питает постоянный ток. Это достигается благодаря полупроводниковому выпрямителю.

Устройство генератора переменного тока

Работу любого генератора можно сравнить с электродвигателем, который работает в обратном режиме, то есть не потребляет, а вырабатывает ток. По типу конструкции современные генераторы делятся на два вида: компактный и традиционный. Они имеют общее устройство, но различаются в компоновке корпуса, вентилятора, выпрямительного узла и приводного шкива. Также у современных устройств имеется три фазы.

Устройство генератора

Генератор состоит из следующих основных элементов:

• привод со шкивом, подшипниками и валом;
• ротор с обмоткой возбуждения и контактными кольцами;
• статор с сердечником и обмоткой;
• корпус, состоящий из двух крышек;
• регулятор напряжения;
• выпрямительный блок или диодный мост;
• щеточный узел.

Разберем каждый элемент устройства отдельно и подробно.

Корпус

В корпусе находятся все основные элементы генератора. Он состоит из двух крышек (передняя и задняя). Крышки соединяются между собой болтами. Для изготовления крышек используют легкие сплавы алюминия, которые не намагничиваются и хорошо отводят тепло. В крышках есть вентиляционные отверстия и крепежные фланцы.

В задней крышке установлен диодный мост и щеткодержатель со щетками. Также в задней крышке расположен выводной контакт, по которому ток поступает от генератора.

Привод

Вращение от коленчатого вала передается на шкив генератора и вращает ротор. Частота вращения шкива больше частоты вращения коленвала в 2-3 раза. Крутящий момент от двигателя передается посредством ременной передачи. Могут использоваться поликлиновый и клиновый ремень в зависимости от конструкции. Поликлиновый ремень считается более универсальным и современным.

Ротор

На валу ротора находится обмотка возбуждения, которая создает магнитное поле и, по сути, представляет собой обычный электромагнит. Обмотка находится между двух полюсных половин (сердечников), необходимых для регулирования и направления магнитного поля. Каждая из половин имеет по шесть треугольных выступов, называемых клювами. Также на валу ротора расположены два медных контактных кольца. Иногда они изготавливаются из стали или латуни. Через контактные кольца на обмотку возбуждения поступает питание от аккумулятора. Контакты обмотки припаяны к кольцам.

Ротор генератора

На переднем конце вала ротора находится приводной шкив, а на другом крепится крыльчатка вентилятора. Их может быть две. Они нужны для охлаждения внутренних деталей генератора. Также на обоих концах ротора установлены необслуживаемые шариковые подшипники.

Статор

Конструктивно статор имеет форму кольца. Это основная деталь, служащая для создания переменного тока от магнитного поля ротора. Состоит из обмотки и сердечника. В свою очередь, сердечник состоит из соединённых стальных пластин, в которых образуются 36 пазов. В пазы навивается три обмотки, которые образуют трехфазное соединение. Может быть две схемы соединения обмоток: «звезда» и «треугольник». По схеме «звезда» концы каждой из трех обмоток соединены в одной точке. По схеме «треугольник» концы обмоток выводятся отдельно.

Выпрямительный блок или диодный мост

Выпрямительный блок выполняет задачу по преобразованию переменного тока генератора в постоянный, который необходим для питания бортовой сети автомобиля. Другими словами, он выдает напряжение стабильной и одинаковой величины.

Диодный мост

Блок также называют диодным мостом, который состоит из двух радиаторных пластин (положительной и отрицательной) и диодов. На каждую фазу приходится по два диода. Сами диоды герметично вмонтированы в пластины. Диодный мост имеет форму подковы.

С обмотки статора ток поступает на диодный мост, затем «выпрямляется», и подается на выводной контакт на задней крышке.

Через диоды ток проходит только в одном направлении, при этом отсекаются токи обратной полярности. Диодный мост может находиться в корпусе генератора, а может быть вынесен за корпус. Но чаще всего он крепится на внутренней стороне задней крышки.

Регулятор напряжения

Регулятор поддерживает напряжение генератора в определенных пределах. В современных моделях применяются полупроводниковые электронные регуляторы напряжения. Они устанавливаются сверху блока щеткодержателей.

Регулятор напряжения и щеточный узел

Когда двигатель работает на больших оборотах, то напряжение на обмотке статора может доходить до 16В. Такое напряжение не должно поступать в бортовую сеть. Чтобы это исключить, регулятор напряжения, получая ток от АКБ, будет снижать его значение. Малый ток на обмотке ротора будет создавать такое же малое магнитное поле. Это значит, что на обмотке статора будет понижаться напряжение.

Щеточный узел

Щеточный узел в современных генераторах объединен с регулятором напряжения в один неразборный механизм. Он передает ток возбуждения на медные контактные кольца ротора. Это простая конструкция, которая состоит из щеткодержателя, двух графитовых щеток и прижимающих пружин.

Принцип работы

Теперь разберем подробнее работу генератора переменного тока в автомобиле. При включении зажигания, на щеточный узел подается ток от аккумуляторной батареи. Через щеточный узел он попадает на медные контактные кольца, а затем на обмотку возбуждения ротора. Напомним, что ротор, по сути, является электромагнитом, который создает магнитное поле. Коленчатый вал через шкив и ременную передачу начинает вращать ротор. Вокруг ротора расположен статор, который от вращения начинает вырабатывать переменный ток. Когда вращение ротора достигает определенной частоты, обмотка возбуждения питается от самого генератора.

Через диодный мост переменный ток “выпрямляется” и преобразуется в постоянный, необходимый для питания бортовой сети. Так автомобильный генератор обеспечивает питание потребителей и подзаряжает аккумулятор. Регулятор напряжения изменяет работу обмотки возбуждения при возрастании частоты вращения ротора. Таким образом поддерживается стабильная нагрузка.

В салоне автомобиля на приборной панели есть контрольная лампа генератора, которая показывает состояние устройства. Например, лампа может загореться при обрыве ремня. Тогда питание сети будет идти только через аккумулятор. Продолжительность работы в этом случае будет зависеть от уровня заряда АКБ.

Параметры генератора

Работу генератора оценивают по нескольким параметрам:

• номинальный ток и номинальное напряжение;
• номинальная частота возбуждения;
• частота самовозбуждения;
• коэффициент полезного действия (КПД).

Номинальное напряжение для бортовой сети автомобиля от генератора 12В или 24В. Токоскоростная характеристика показывает зависимость силу тока от частоты вращения генератора.

Характеристика генератора

Напряжение генератора можно измерить мультиметром. При всех выключенных потребителях без нагрузки на холостом ходу мультиметр должен показывать напряжение в пределах 14,3В – 15,5В. Если напряжение после запуска двигателя свыше 14В, то это может говорить о разряде АКБ и зарядке его генератором. При поочередном включении потребителей (фары, подогрев, кондиционер и т.д.) напряжение уменьшается примерно на 0,2 после каждого включения. Но в итоге напряжение не должно снижаться ниже 12,8В. Если значение меньше, то аккумулятор начнет разряжаться. Если напряжение, наоборот, сильно высокое (14В и выше), то это может привести к выходу АКБ из строя. При этом на выходе самого аккумулятора напряжение должно быть в пределах 12,6В – 12,7В.

Напряжение генератора под нагрузкой может отличаться от номинальных значений 12В. После включения всех потребителей тока значение должно быть в пределах 13,5В – 14В. Если ниже, то это может указывать на неисправность устройства. Допустимым пределом считается 13В.

На картинке ниже показана подробная схема подключения генератора в автомобиле.

Схема подключения генератора

Мощность автогенератора

Если включить все энергоемкие приборы в автомобиле, то генератор может не справляться с нагрузкой и часть энергии будет отдавать аккумулятор.

Чтобы рассчитать мощность генератора достаточно воспользоваться простой формулой из школьного курса P = I * U, где Р – мощность, I – сила тока, U – напряжение.

Мы узнали, что напряжение на выходе генератора должно быть в районе 13,5В – 14,2В. Сила тока у разных моделей может отличаться. В среднем это от 80А до 140А. Возьмем среднее значение в 100А.

По формуле получаем 13,5В*100А = 1 350 Вт или 1,35 КВт. Это и есть мощность генератора, которая измеряется в Ваттах. Нужно также учитывать, что это максимальное значение, которое достигается при определенных оборотах двигателя, как правило, от 3000 об/мин и выше. На холостом ходе выдаваемая мощность равняется 75% от максимально возможной. Считается, что для автомобиля хватает 80А. Если применить более мощный автогенератор, то бортовая сеть может не справиться с нагрузкой. Нужно это учитывать. Большая мощность не всегда идет на пользу.

Основные неисправности

Устройство довольно надежное и должно работать продолжительное время, но некоторые компоненты могут выходить из строя по разным причинам. Неисправности могут иметь механический или электрический характер.

Механические неисправности

Главной возможной поломкой может быть обрыв приводного ремня. В этом случае вращение от коленвала на ротор не будет передаваться. Всю нагрузку на себя берет аккумулятор, который начнет разряжаться. Это покажет контрольная лампа в салоне автомобиля. Чтобы избежать обрыва ремня, нужно периодически проверять его состояние и натяжение.

Также может случиться простой износ графитовых щеток. В этом случае надо менять весь щеточный узел.

Электрические неисправности

Неполадки с электрикой в генераторе случаются нередко, и заметить их трудно. Может возникнуть замыкание в обмотках возбуждения ротора или статора, обрыв обмотки. Может выйти из строя регулятор напряжения, что чревато большими проблемами для всей электроники и АКБ. Также случается так называемый пробой диодного моста по различным причинам. Нельзя отключать генератор или АКБ во время работы двигателя. Также нужно следить за надежностью соединений, чистить клеммы и т.д.

Каждому водителю нужно знать устройство и принцип работы автомобильного генератора. Это поможет избежать многих проблем, которые могут возникнуть с устройством. Нужно регулярно следить за компонентами генератора. Проверять натяжение и состояние приводного ремня, крепление устройства, напряжение и другое. При правильной эксплуатации устройство прослужит исправно долгие годы.

БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

Студенческий блог для электромеханика. Обучение и практика, новости науки и техники. В помощь студентам и специалистам

26.07.2013

Система генератор — двигатель

Для широкого и плавного регулирования частоты вращения электродвигателя постоянного тока применяется система генератор — двигатель (Г — Д). Основной принцип этой системы заключается в изменении приложенного к якорю двигателя напряжения при неизменном напряжении цепи возбуждения.

Система Г—Д (рис. 1) состоит из двигателя постоянного тока с независимым возбуждением М2, непосредственно связанного с рабочим механизмом (исполнительный двигатель). Он питается электрической энергией от генератора G, приводимого во вращение двигателем M1. Обмотки возбуждения генератора LG и двигателя LM2 получают питание от независимого источника постоянного тока с неизменным напряжением.

Первичный двигатель M1, вращающий якорь генератора G, представляет собой механический или электрический двигатель, причем приводимый им генератор не требует ни реверсирования, ни регулирования частоты вращения.

Основным требованием, предъявляемым к первичному двигателю, является жесткость его механической характеристики, поэтому механические двигатели снабжают всережимными регуляторами частоты вращения, а электрические выбирают с жесткой характеристикой. Итак, первичный двигатель вращается с n = const и не реверсируется

Исполнительный двигатель управляется изменением значения и направления тока в обмотках возбуждения LG и LM2.

Механическая характеристика исполнительного двигателя в си-стеме Г—Д подобна механическим характеристикам двигателя с независимым возбуждением.

Естественная механическая характеристика 0 (см. рис. 2.3) возможна при номинальной частоте вращения генератора и отсутствии добавочных резисторов в цепях возбуждения генератора и исполнительного двигателя.

Ее наклон несколько больше, чем характеристики двигателя, работающего от сети, так как к сопротивлению якоря двигателя добавляется сопротивление якоря генератора.

При увеличении сопротивления реостата R1 уменьшаются ток возбуждения генератора и его э.д.с. Частота вращения двигателя М2 при этом уменьшится (характеристика 3).

Увеличение сопротивления реостата R2 вызывает уменьшение магнитного потока двигателя М2, частота вращения его увеличится (характеристика 2).

Двигатель реверсируется изменением направления тока в обмотке возбуждения генератора, при этом меняется направление его э. д. с. и тока в цепи якоря двигателя (магнитный поток двигателя остается неизменным).

Механические характеристики системы Г—Д жесткие. Для предотвращения поломок механизма необходимо ограничивать максимальный момент двигателя М2, что достигается смягчением характеристик.

Существуют следующие способы смягчения механических характеристик исполнительного двигателя: применение исполнительного электродвигателя со смешанным возбуждением; применение генератора со смешанным возбуждением и встречно включенной последовательной обмоткой.

Использование последовательной обмотки у исполнительного двигателя (рис. 2, а) позволяет получить более мягкие характеристики (рис. 2, б) по сравнению с характеристиками двигателя только с независимым возбуждением. Однако этот способ имеет недостаток, заключающийся в том, что при реверсировании двигателя изменяется направление тока в обмотке LM2.2 и она начинает противодействовать обмотке LM2.1, размагничивая двигатель. Во избежание этого последовательную обмотку включают не непосредственно в цепь якоря, а через мостовой полупроводниковый выпрямитель U, обеспечивающий постоянное направление тока в ней.
Применение размагничивающей обмотки генератора лишено указанного недостатка, поэтому используется наиболее часто.

Принцип смягчающего действия размагничивающей обмотки LG2 (рис. 3, а) заключается в следующем: с увеличением нагрузки исполнительного двигателя ток якоря увеличивается, размагничивающее действие обмотки возрастает, э.д.с. генератора и частота вращения двигателя уменьшаются.

Механические характеристики показаны на рис. 3, б. Искривленная форма характеристик 0,1,3 объясняется насыщением генератора. При насыщенном генераторе размагничивающее влияние обмотки меньше, чем при ненасыщенном, в начале участка характеристики более жесткие, а затем при больших нагрузках насыщение исчезает и характеристики становятся круче. Если же ток независимой обмотки возбуждения генератора невелик и насыщение отсутствует, характеристика становится прямой (характеристика 2).

При изменении направления тока в независимой обмотке возбуждения генератора меняется направление тока в якоре и последовательной обмотке возбуждения; таким образом, размагничивающее действие последовательной обмотки сохраняется.

Торможение исполнительного двигателя в системе Г — Д выполняют всеми методами, рассмотренными в статье «Регулирование частоты вращения, пуск, реверсирование и торможение электродвигателей постоянного тока».

Преимущества системы Г — Д:

• возможность плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне до 16:1;
• быстрый разгон исполнительного двигателя без помощи пускового реостата, т. е. с минимальными потерями энергии;
• легкий пуск первичного двигателя, вращающего невозбужденный генератор;
• быстрое и четкое торможение исполнительного электродвигателя.

Недостатки системы Г — Д:

• низкий к.п.д. всей системы, вызванный многократным преобразованием энергии;
• большие массы, стоимость и габаритные размеры, инерционность.

Следует отметить, что снижение к. п. д. в значительной мере компенсируется возможностью экономичного управления исполнительным электродвигателем при его пуске и регулировании частоты вращения. Эта экономия энергии особенно заметна в электроприводах, требующих частых пусков и реверсов двигателя.

Вместо системы Г — Д целесообразно использовать систему управляемый выпрямитель — двигатель постоянного тока (УВ—Д), силовая цепь которой приведена на рис. 4.

К якорю двигателя М приложено выпрямленное напряжение, регулируемое с помощью полупроводникового выпрямителя VI — V6, собранного по мостовой схеме. Силовая цепь выпрямителя состоит из трех тиристоров VI — V3 и трех неуправляемых диодов V4 — V6. Управление осуществляют изменением фазы открытия тиристоров.

Система УВ — Д имеет по сравнению с системой Г—Д следующие преимущества: отсутствует вращающийся преобразователь; высокий к.п.д. (к.п.д. выпрямителя 0,96 — 0,99); малая инерционность.