Интернет магазин автотоваров 0-800-501-442 (бесплатно по Украине), (044) 2-016-016
order@zipavto.com
Обратный звонок    
 
05.10.2016

 

Автомобильный генератор. Устройство и принцип работы. Часть 1.

Автомобильный генератор – это устройство, которое преобразует получаемую от двигателя механическую энергию в электрическую. А совместно с регулятором напряжения называется генераторной установкой. Генератор переменного тока установлен на всех современных автомобилях. Принцип работы и его устройство одинаково для всех автомобилей, отличия имеются только в  качестве изготовления, габаритах и расположении соединительных узлов.

Во время запуска двигателя стартер потребляет электроэнергию, при этом сила тока достаточно велика (достигает сотни ампер), это вызывает падение напряжения аккумулятора. Таким образом, сразу же после запуска двигателя, генератор станет основным источником энергоснабжения.

Источником постоянной подзарядки аккумулятора, в процессе работы двигателя и является генератор, который обеспечивает требуемый ток.  Если бы генератор не работал, то мы бы наблюдали быструю разрядку аккумулятора. После подзарядки аккумулятора разность его напряжения и генератора становится небольшой. Это приводит к снижению зарядного тока.

Генератор был создан в 1832 году, французскими учеными братьями Пикси. Первая конструкция была далека от совершенства, и ею было очень трудно пользоваться. Для его работы нужно было вращать тяжелый магнит, создающий на двух проволочных катушках переменный ток. Данный генератор имел устройство для выравнивания тока. Чтобы увеличить мощность ученые стали увеличивать количество магнитов и катушек.  В этой связи генератором «нового поколения» стал агрегат Эмиля Штерера, который был оснащен тремя мощными магнитами и шестью катушками, вращающимися вокруг вертикальной оси.

Последующее развитие связано с применением электромагнитов (с 1851-1867 г.), что повлияло на увеличение мощности генератора. В данной конструкции питание обмотки электромагнита проводилось от автономного генератора тока с постоянными магнитами.

Первые автомобили были оборудованы коллекторными генераторами постоянного тока, где требовался регулярный контроль и обслуживание.

 В тот период когда появились диодные выпрямители, появилась так же возможность использовать синхронные генераторы переменного тока. Новые генераторы обладали заметными преимуществами: были гораздо легче и намного надежнее, при тех же показателях мощности и стабильном токе на выходе.

В настоящее время на автомобилях установлены трехфазные электрические генераторы переменного тока. В них в роли выпрямителя присутствует устройство трехфазного типа.

Подобный генератор отличается завидной прочностью, большим рабочим ресурсом, при этом небольшой массой и габаритами, с малым уровнем шума.

 

Требования к генератору:

- параметры генератора должны быть такими, чтобы при любых режимах движения автомобиля не было быстрого разряда аккумуляторной батареи;

- напряжение в бортовой сети должно быть стабильным, невзирая на изменения частоты вращения и нагрузки. Здесь имеется ввиду чувствительности аккумуляторной батареи к степени стабильности напряжения. Если слишком низкое напряжение, то происходит недозаряд батареи, что проявляется в затрудненном запуске двигателя. Если же слишком высокое напряжение, то происходит перезаряд батареи и как следствие, слишком быстрый выход ее из строя.

 

Основные части генератора:

- шкив – создан для передачи механической энергии от двигателя к валу генератора с помощью ремня;

 - корпус генератора устроен из двух крышек: передней и задней - созданных для крепления статора, для установки генератора на двигателе и размещения подшипников ротора. На задней крышке размещены выпрямитель, щеточный узел, регулятор напряжения, внешние выводы для подключения к системе электрооборудования.

- ротор – стальной вал со стальными втулками, между которыми находится обмотка возбуждения. Выводы обмотки соединяются с контактными кольцами.

- статор – пакет состоящий из стальных листов, имеющий форму трубы. В его пазах располагается трехфазная обмотка, в ней вырабатывается мощность генератора.

- сборка с выпрямительными диодами –состоит из шести мощных диодов, которые запрессованы по три штуки в положительный и отрицательный теплоотводы.

- регулятор напряжения – поддерживает напряжение бортовой сети в заданных пределах, при перепадах электрической нагрузки, частоты вращения ротора и перепадах температуры окружающей среды.

- щеточный узел – конструкция из пластмассы, в которую установлены подпружиненные щетки. Эти щетки имеют контакт с кольцами ротора.

- защитная крышка диодного модуля.

Основой работы генератора является эффект электромагнитной индукции. Катушку из медного провода пронизывает магнитный поток, при изменении магнитного потока на выводах катушки появится напряжение. Это напряжение пропорционально скорости изменения магнитного потока.  Таким образом для образования магнитного потока нужно пропустить через катушку электрический ток. А для того чтобы получить переменный ток, нужен  источнике переменного магнитного поля и катушка, с которой станет сниматься переменное напряжение.

Источник переменного магнитного поля – это ротор, состоящий  из обмотки возбуждения с полюсной системой, вала и контактных колец.

 

 

С помощью аккумуляторной батареи через обмотку ротора для его первоначального намагничивания пропускают небольшой ток. Сила тока должна быть не большой, чтобы не происходила разрядка аккумуляторной батареи. Так же важно, чтобы сила тока не была малой, чтобы генератор запустился на холостых оборотах двигателя.

Мощность контрольной лампы  предположительно должна составлять 3Вт. После достижения напряжения рабочей величины происходит потухание лампы и возбуждение происходит от генератора.

С обмоток статора снимается выходное напряжение. Ротор вращается и напротив катушек статора можно наблюдать появление «северного» и «южного» полюсов ротора. Магнитный поток меняет свое направление  в катушке статора и вызывает в ней переменное напряжение.

Частота напряжения напрямую зависит от частоты вращения ротора генератора и числа его пар полюсов.

Статор состоит из обмотки, выводов обмотки и магнитопровода.

 

Статорная обмотка трехфазная. Состоит из трех отдельных обмоток или фаз, намотанных на магнитопровод. Токи данной обмотки и напряжение смещены относительно друг друга на треть периода (120 электрических градуса).

Фазовые обмотки могут быть соединены в форме звезды или в форме треугольника. При соединении «треугольник», ток в каждой обмотке в 2 раза меньше тока который отдает генератор. При этом ток в обмотках типа «треугольник» меньше, чем ток в обмотках соединенных в «звезду», а генератор вырабатывает при этом одинаковый ток. Потому в генераторах большой мощности применяется соединения типа «треугольник». Это связано с тем, что можно наматывать обмотку более тонким проводом и это является более технологичным.

Чтобы магнитный поток обмотки не рассеивался в пространстве, а подводился к обмотке статора необходимо размещение катушек в стальной конструкции, то есть в магнитопроводе.

Сам магнитопровод изготовлен из стальных пластин. Это необходимо для уменьшения потери мощности и во избежание нагрева статора. Связано это с тем, что переменное магнитное поле наводится так же в магнитопроводе статора, помимо прямой задачи – образования магнитного поля в катушках.

Бортовая сеть требует присутствие постоянного напряжения. Для этой цели обмотка статора питает бортовую сеть авто через выпрямитель. Выпрямитель для трехфазной системы состоит из шести силовых полупроводниковых диодов. Три из них имеют соединение с «плюсом»  генератора, а три – с «минусом» так называемой массы. Диоды находятся в открытом состоянии, когда они не могут оказывать существенного сопротивления току при приложении к ним напряжения в прямом направлении, а в обратном напряжении не пропуская ток.

 Бывает так, что выпрямительный диод – это просто полупроводниковый кремниевый загерметизированный переход, а не привычная конструкция.

 

Сборка с выпрямительными диодами: силовые диоды, дополнительные диоды, теплоотвод.

 

Производители могут заменять диоды силового моста стабилизаторами. Это делают для того, чтобы защитить электронные узлы автомобиля от всплесков напряжения. Стабилизатор отличается тем, что в обратном направлении  не пропускает ток только до определенной величины напряжения, до так называемого «напряжения стабилизации» (составляющего 25-30В).  Уже при достижении напряжения в 30В стабилизаторы принимаются пропускать ток в обратном направлении. Однако при определенных пределах изменения силы тока напряжение на выводе «плюс» генератора остается неизменным. То есть - безопасным для электронных узлов.

У большинства генераторов обмотка возбуждения подключена к выпрямителю, который собран на трех диодах.  Данное подключение обмотки возбуждения исключает протекание через нее тока разряда аккумуляторной батареи при выключенном двигателе. Диоды выпрямителя, работая аналогично, питают выпрямленным током обмотку. В выпрямитель обмотки возбуждения входят шесть диодов, три из которых являются общими с силовым выпрямителем (диоды «минус»). Ток отданный генератором в нагрузку выше, чем ток возбуждения. Для диодов обмотки возбуждения применяются малогабаритные слаботочные диоды, на ток до 2А.

Для увеличения мощности генератора применяют дополнительное плечо выпрямителя.

Напряжение генератора зависит от частоты вращения ротора, другими словами, магнитного потока, созданного обмоткой. И как следствие – от силы тока в обмотке и величины тока отданного генератором. Большая частота вращения и сила тока возбуждения прямо пропорциональна напряжению генератора. Но, чем больше сила тока его нагрузки, тем меньше напряжение.

 

Регулятор напряжения.

Его функцией является стабилизация напряжения при изменении частоты вращения и нагрузки, за счет воздействия на ток возбуждения. Вибрационные, а затем контактно-транзисторные регуляторы на сегодняшний день вытеснены электронными.

Конструкции полупроводниковых электронных регуляторов могут быть разными, но принцип работы у всех регуляторов идентичный.

Разумеется, можно изменить ток в цепи возбуждения путем устройства дополнительного резистора. Такой метод использовался в вибрационных регуляторах напряжения, но имел существенный минус, связанный с потерей мощности в цепи резистора и всвязи с этим не применяется в электронных регуляторах.

В современных электронных регуляторах изменение тока возбуждения производится путем прохождения тока, либо отсутствие его в обмотке возбуждения от питающей сети. При этом имеет значение относительная продолжительность времени прохождения тока по обмотке возбуждения. Если нужно уменьшение силы тока возбуждения для стабилизации напряжения уменьшается время включения обмотки возбуждения, если нужно увеличить – увеличивается.

Существенной недоработкой варианта включения регулятора, приведенного выше есть то, что на выводе D+ генератора, регулятор поддерживает напряжение. Остальные потребители питаются от аккумуляторной батареи и заведены на вывод В+. В такой цепи при включенном регуляторе падение напряжения от генератора к аккумуляторной батарее не имеет коррекции, дабы компенсировать это падение.

 В приведенной ниже схеме эти недостатки упразднены, здесь напряжение на входную цепь регулятора подается от узла, где его нужно стабилизировать, как правило на выводе В+ генератора.

 

Ну и наконец, более усовершенствованная схема стабилизации напряжения. Последнее поколение регуляторов напряжения имеют конструктивно встроенные термокомпенсации, таким образом, изменение напряжения  на пути к аккумуляторной батарее имеет свойство изменять напряжение, в зависимости от температуры воздуха в подкапотном пространстве для оптимизации заряда АКБ. То есть температура воздуха влияет на напряжение, подводимое к аккумуляторной батарее, причем величина термокомпенсации достигает 0,001В на 1°С.