Принцип действия

Принцип действия, конструкция и характеристики генераторных установок

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, например, по синусоидальному закону, то в катушке с числом витков w_к появляется ЭДС

, (3.1)

где – мгновенное значение магнитной индукции в воздушном зазоре между ротором и статором, Тл; l – активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, м; – скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с; D – внутренний диаметр сердечника статора; n – угловая скорость вращения ротора, мин^-1; – длина поверхности расточки статора; р – число пар полюсов; – полюсное деление.

Тогда выражение (3.1) можно записать

, (3.2)

а так как частота (Гц) ЭДС е_к равна

,

то выражение (3.2) примет вид

. (3.3)

При синусоидальном законе распределения магнитной индукции максимальное значение ЭДС катушки Е_кmax равно

.

При этом , следовательно переходя к действующему значению ЭДС получим

.

Произведение полюсного деления на активную длину одной пазовой стороны обмотки статора l представляет собой площадь магнитного потока одного полюса. Тогда , т.е. равно основному магнитному потоку статора. Учитывая это и то, что получим

. (3.4)

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, которая образует обмотку возбуждения, электри­ческий ток. 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.

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 частоты 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 двигателя, 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, протекающие в этих обмотках, являются фазными, 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 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 меньше, 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 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».

Выпрямитель содержит для трехфазной системы шесть силовых полупровод­никовых диодов, три из которых VD1, VD3, VD5 соединены с выводом «+» гене­ратора, а три – VD2, VD4, VD6 – с выводом «–» («массой»). Однако стремление повысить мощность генератора привело к увеличению числа диодов выпрями­теля до восьми и применению дополнительного плеча выпрямителя на диодах VD7, VD8, показанного на рис. 3.1 пунктиром.

Такая схема выпрямителя может иметь место только при соединении обмоток статора в «звезду», так как дополни­тельное плечо запитывается от «нуле­вой» точки «звезды».

Подключение обмотки возбуждения к собственному выпрямителю на дио­дах VD9…VD11 препятствует протека­нию через нее тока разряда аккумуля­торной батареи при неработающем двигателе автомобиля.

Полупроводниковые диоды нахо­дятся в открытом состоянии и не ока­зывают существенного сопротивления прохождению тока при приложении к ним напряжения в прямом направле­нии и практически не пропускают ток при обратном напряжении.

Рис. 3.1. Принципиальная схема генераторной установки: U_ф, U_л, U_d – соответственно фазное, линейное и выпрямительное напряжения; 1,2,3 – обмотки трех фаз статора; 4 – диоды си­лового выпрямителя; 5 – аккумуляторная бата­рея; 6 – нагрузка: 7 – диоды выпрямителя обмот­ки возбуждения; 8 – обмотка возбуждения; 9 – регулятор напряжения

По графику фазных напряжений (рис. 3.1) можно определить, какие ди­оды открыты, какие закрыты в данный момент времени. Фазное напряжение U_ф1 действует в обмотке первой фазы, U_ф2 – второй, U_ф3 – третьей. Эти на­пряжения изменяются по кривым, близким к синусоиде, и в одни момен­ты времени они положительны, в дру­гие отрицательны.

Если положительное направление напряжения в фазе принять по стрел­ке, направленной к нулевой точке об­мотки статора, а отрицательное от нее, то, например, для момента времени t₁, когда напряжение второй фазы отсут­ствует, первой фазы – положительно, а третьей – отрицательно, направле­ние напряжений фаз соответствует стрелкам на рис. 3.1. Ток через обмот­ки, диоды и нагрузку будет протекать в направлении этих стрелок. При этом открыты диоды VD1, VD4. Рассмотрев лю­бые другие моменты времени, легко убедиться, что диоды силового выпрямите­ля переходят из открытого состояния в закрытое и обратно таким образом, что ток в нагрузке имеет только одно направление – от вывода «+» генераторной установки к ее выводу «–», т.е. в нагрузке протекает постоянный (выпрямлен­ный) ток. Диоды выпрямителя обмотки возбуждения работают аналогично, пи­тая выпрямленным током эту обмотку. В выпрямитель обмотки возбуждения входят также 6 диодов, но три из них – VD2, VD4, VD6 являются общими с силовым вы­прямителем. Ток в обмотке возбуждения значительно меньше, чем ток, отдава­емый генератором в нагрузку. Поэтому в качестве диодов VD9…VD11 применя­ются малогабаритные слаботочные диоды, рассчитанные на ток не более 2 А.

Рис. 3.2. Представление фазного напряжения U_ф в виде суммы синусоид первой U₁, и треть­ей U₃ гармоник

Плечо выпрямителя, содержащее диоды VD7, VD8, вступает в работу только в том случае, если фазные напряжения генератора отличаются от синусоиды, что и имеет место в реальных генераторах. Напряжение любой формы можно представить в виде суммы синусоид, которые называются гармоническими со­ставляющими или гармониками – первой, частота которой совпадает с частотой фазного напряжения, и высших, главным образом третьей, частота которой в три раза выше, чем первой. Представление реальной формы фазного напряже­ния в виде суммы двух гармоник, первой и третьей, показано на рис. 3.2.

Из электротехники известно, что в линейном напряжении, т.е. в том напряже­нии, которое проводами подводится к выпрямителю и выпрямляется, третья гармоника отсутствует. Это объясняется тем, что третьи гармоники всех фазных напряжений совпадают по фазе, т.е. одновременно достигают одинаковых зна­чений и при этом взаимно уравновешивают и взаимно уничтожают друг друга в линейном напряжении.

Таким образом, третья гармоника напряжения в фазном напряжении при­сутствует, а в линейном – нет. Следовательно, мощность, развиваемая третьей гармоникой фазного напряжения, не может быть использована потре­бителем. Чтобы потребители могли использовать эту мощность, добавле­ны диоды VD7 и VD8, подсоединенные к нулевой точке обмоток фаз, т.е. к точке, где сказывается действие фазного напряжения. Таким образом, диоды VD7, VD8 выпрямляют только напряжение третьей гармоники фаз­ного напряжения. Применение этих диодов увеличивает номинальную мощность генератора (на 10…15%).

Как видно на рис. 3.1, выпрямленное напряжение носит пульсирующий ха­рактер. Применение дополнительного плеча на диодах VD7, VD8 усугубляет глубину пульсации. Однако наличие аккумуляторной батареи, которая является своеобразным фильтром, сглаживает напряжение в бортовой сети авто­мобиля. При этом ток в самой батарее пульсирует.

Дата добавления: 2014-12-27