Лекция 3. Генераторные установки

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Система электроснабжения обеспечивает электрической энергией всех потребителей, размещённых на автомобиле. Источниками электрической энергии являются генератор и аккумуляторная батарея, включенные параллельно.

Когда ДВС не работает, функции источника выполняет аккумуляторная батарея. Она же должна обеспечить надёжный пуск двигателя. После пуска двигателя роль источника переходит к генератору. Теперь он должен обеспечивать электроснабжение всех потребителей и заряд аккумуляторной батареи.

Автомобильные генераторы работают в режиме переменных частот вращения и нагрузок, изменяющихся в широких пределах. Чтобы поддерживать напряжение генератора на заданном уровне, в состав системы электроснабжения включён регулятор напряжения. Совокупность генератора и регулятора напряжения называют генераторной установкой. Структурная схема системы электроснабжения приведена на рис. 3.1.

В системе рис. 3.1 питание потребителей обеспечивает генератор, если U_г ≥ Е_б. Даже на холостом ходу двигателя генератор должен развивать мощность, достаточную для электроснабжения наиболее важных потребителей. Стабильность напряжения, в широком диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала ДВС и нагрузок, обеспечивается регулятором.

Превышение напряжения сверх допустимых пределов является причиной перезаряда аккумуляторной батареи с последующим выходом её из строя. Кроме того, увеличение напряжения на 10% сверх номинального снижает срок службы ламп примерно на 50%. Пониженное напряжение вызывает недозаряд батареи.

Генераторные установки рассчитаны на номинальное напряжение 14 и 28 В. Напряжение 28 В характерно для автомобилей с дизелем. Однако на дизельных автомобилях, например, на автомобиле ЗИЛ 5301 («Бычок») возможна и двухуровневая система: 14 В непосредственно на генераторе для электроснабжения основных потребителей, 28 В – на выходе трансформаторно-выпрямительного блока, необходимого для подзарядки аккумуляторной батареи.

Генераторные установки выполняются по однопроводной схеме, в которой с корпусом соединен отрицательный полюс системы. Питание бортовой сети осуществляется постоянным током. Поэтому до 60-х годов в качестве источника электрической энергии применяли генераторы постоянного тока. В настоящее время применяются генераторы переменного тока, снабженные полупроводниковым выпрямителем. Такие генераторы получили название вентильных. Использование вентильных генераторов позволяет при равной мощности повысить надёжность, уменьшить в 1,8 ÷ 2,5 раза массу и размеры, примерно в 3 раза – расход меди.

Для питания отдельных вспомогательных устройств, например, реле блокировки стартера, трансформаторно-выпрямительного блока систем на два уровня, тахометра и др. используется переменный ток генератора. В последнее время наблюдается тенденция использовать переменный ток и для управления работой регулятора напряжения самой генераторной установки.

2. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ВЕНТИЛЬНОГО ГЕНЕРАТОРА

Автомобильный генератор переменного тока получает механическую энергию от ДВС через ременную передачу. Как и обычный генератор, он имеет неподвижную (статор) и вращающуюся (ротор) части. Неподвижная часть состоит из магнитопровода и рабочей обмотки (обмотки статора). Вращающаяся часть (ротор) содержит обмотку возбуждения с полюсной системой, вал и контактные кольца.

Питание обмотки возбуждения осуществляется от аккумуляторной батареи или от самого генератора. В последнем случае генератор работает в режиме самовозбуждения. Однако для самовозбуждения необходима достаточно большая частота вращения ротора. Поэтому цепь обмотки возбуждения подключают к аккумуляторной батарее через контрольную лампу мощностью 2 ÷ 3 Вт. Небольшой ток, поступающий через эту лампу в обмотку возбуждения, обеспечивает возбуждение генератора на низких частотах вращения ротора.

После возбуждения в рабочей обмотке генератора наводится ЭДС, частота которой f определяется частотой вращения ротора n и числом пар полюсов p:

.

У большинства автомобильных генераторов рабочие обмотки имеют шесть пар полюсов, поэтому частота тока в герцах меньше частоты вращения ротора, измеряемой в мин^-1, в 10 раз. Если передаточное число ременной передачи обозначить i, то частота переменного тока, выраженная через частоту вращения коленчатого вала двигателя n_дв , определяется выражением:

.

Выражение показывает, что по частоте переменного тока можно измерять частоту вращения коленчатого вала двигателя. Это используют в схемах подключения тахометров, а также для формирования сигналов управления различных устройств автоматики.

Схема генераторной установки приведена на рис. 3.2, а. В состав схемы входят обмотка статора, выпрямитель D₁ ÷ D₈, обмотка возбуждения (ОВ), выпрямитель в цепи ОВ D₉ ÷ D₁₁, регулятор напряжения, аккумуляторная батарея Е_б и нагрузка R_н. Обмотка статора – трехфазная. Обмотки фаз часто называют фазами генератора. Фазы генератора, как правило, соединяют в «звезду», так как при этом линейное напряжение в раз больше фазного. Токи и напряжения фаз имеют равные частоты и амплитуды, но смещены друг относительно друга по фазе на 120º (рис. 3.2, б).

Выпрямитель в цепи нагрузки D₁ ÷ D₈ – трехфазный двухполупериодный. Выпрямленное напряжение пульсирующее, с кратностью пульсаций m = 6, средним значением выпрямленного напряжения

и коэффициентом пульсаций К_п = 0,057.

Наличие аккумуляторной батареи сглаживает пульсации напряжения в бортовой сети автомобиля. При этом ток в самой батарее пульсирует. Диоды D₇, D₈ образуют дополнительное плечо выпрямителя в цепи нейтрального провода. Это позволяет увеличить номинальную мощность генератора.

Обмотка возбуждения подключена к собственному выпрямителю на диодах D₉ ÷ D₁₁. Эти диоды препятствуют протеканию через ОВ тока аккумуляторной батареи при неработающем двигателе.

3. КОНСТРУКЦИЯ ГЕНЕРАТОРОВ

Конструкция генераторов включает статор, ротор, систему охлаждения, щеточный и вентильный узлы, подшипниковые узлы и привод.

Отечественные и зарубежные генераторы имеют во многом одинаковую конструкцию. В основу конструкции положена клювообразная полюсная система ротора (рис. 3.3). Такая система позволяет создать многополюсную систему с помощью одной обмотки возбуждения.

Катушечная ОВ наматывается на каркас или непосредственно на втулку ротора. После намотки ОВ пропитываются специальным лаком, что повышает их механическую и электрическую прочность, улучшает теплоотвод. Полюсные половины при сборке напрессовываются на вал ротора под давлением, чтобы уменьшить паразитные воздушные зазоры по торцам втулки, ухудшающие характеристики генератора.

У генераторов легковых автомобилей значительную проблему представляет магнитный шум генератора. Для уменьшения шума клювы полюсной системы имеют небольшие скосы по краям. Некоторые фирмы применяют специальное немагнитное противошумное кольцо, расположенное под остриями клювов и приваренное к ним. Кольцо не даёт клювам приходить в колебание и излучать звук.

Отечественные генераторы оборудованы цилиндрическими медными кольцами, к которым припаяны выводы обмотки возбуждения. В зарубежных образцах встречаются кольца из латуни или нержавеющей стали. Встречаются также кольца, расположенные по торцу вала.

По организации системы охлаждения генераторы разделяют на два типа – традиционной конструкции, с вентилятором на приводном шкиве (рис. 3.4, а) и компактной конструкции, с двумя вентиляторами у торцевых поверхностей полюсных половин ротора (рис. 3.4, б).

Компактная конструкция отличается наличием вентиляционных отверстий на цилиндрических частях крышек и усиленное оребрение. Малый диаметр внутренних вентиляторов позволяет увеличить частоту вращения ротора, поэтому такие генераторы часто называют высокоскоростными. Именно эта конструкция находит все более широкое распространение.

Для автомобилей с высокой температурой воздуха в моторном отсеке или работающих в условиях повышенной запылённости применяют конструкцию рис. 3.4, в с поступлением заборного воздуха через кожух с патрубком и воздуховод.

В зависимости от размещения щёточного узла различают генераторы с внутренним или с наружным размещением. В последнем случае контактные кольца ротора имеют малый диаметр (при сборке они должны пройти через внутренний диаметр подшипника задней крышки) и защищаются специальным пластмассовым кожухом. Малый диаметр колец способствует повышению ресурса щёток.

Практически все отечественные генераторы снабжаются внутренними щёточными и выпрямительными узлами. Разрез генератора 37.3701, устанавливаемого на автомобилях ВАЗ-2108 и др., представлен на рис. 3.5. В этом генераторе щёточный узел встроен в регулятор напряжения. У генераторов автомобилей «Москвич» наоборот, регулятор встроен в щёточный узел, а генератор автомобиля «Волга» работает с вынесенным регулятором напряжения.

Щёточный узел – это пластмассовая деталь, в которой устанавливаются щётки. В отечественных генераторах применяются щётки двух типов – электрографитные (в генераторах 37.3701, Г222 и др.) и меднографитные (в генераторах 16.3701, 58.3701 и др.). Электрографитные щётки обеспечивают меньший износ колец, но имеют повышенное сопротивление контакта с кольцами, что ухудшает выходные характеристики генератора.

Выпрямительные узлы выпускаются в двух конструктивных вариантах. В первом варианте это пластины – теплоотводы, в которые запрессовываются или к которым припаиваются диоды (могут быть загерметизированы кремниевые переходы). Во втором варианте выпрямительный узел – это сильно оребрённые конструкции, к которым припаиваются диоды таблеточного типа. Конструкция выпрямительных блоков некоторых генераторов приведены на рис. 3.6.

Статор генератора устанавливается между крышками, причем, посадочные места крышек контактируют с наружной поверхностью пакета стартера. Чем глубже статор утоплен в крышке, тем меньше вероятность перекоса подшипников, установленных в крышках. В отечественных генераторах статор представляет пакет из стальных листов толщиной 0,5 ÷ 1 мм. Более прогрессивной технологией является навивка пакета из ленты или набор его из стальных подковообразных сегментов.

Статоры практически всех современных генераторов имеют 36 пазов для укладки обмотки. Пазы изолируют плёнкоэлектрокартоном, полиэтилентерефталатной плёнкой или напылением изоляции. Обмотки выполняются по волновой сосредоточенной, волновой распределённой или петлевой распределённой схемам, проводами ПЭТ-200, ПЭТД-180, ПЭТВМ, ПЭСВ-3 и др. У распределённой обмотки секция разбивается на две полусекции, исходящие из одного паза, причем одна полусекция отходит влево, другая – вправо. Петлевая обмотка имеет секции или полусекции в виде катушек с лобовыми соединениями по обе стороны пакета статора.

Соединение фаз производится, как правило, в «звезду». В генераторах повышенной мощности применяют соединение в «треугольник» или две «звезды» параллельно. После намотки обмотки пропитываются специальным лаком.

Крепёжные лапы и натяжное ухо отливаются вместе с крышками. Отечественные генераторы обычно имеют две лапы. Отличием генераторов ВАЗ является применение шпильки вместо натяжного уха. Зарубежные генераторы легковых автомобилей, а также отечественные генераторы компактной конструкции крепятся к двигателю за одну лапу.

Подшипниковые узлы генераторов – это, как правило, радиальные шариковые подшипники со встроенными уплотнениями и одноразовой закладкой смазки.

Привод генераторов осуществляется клиновым или поликлиновым ремнем через шкив, установленный на валу ротора. Передаточное число для клиновых ремней не превышает 2,5, а для поликлиновых – 3.

3.1. БЕСКОНТАКТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Бесконтактные генераторы обладают повышенной надёжностью и долговечностью, т. к. у них отсутствует щёточно-контактный узел, а обмотка возбуждения неподвижна. Такие генераторы называют индукторными. Отечественная промышленность выпускает бесконтактный генератор 2102.3701 для установки на автомобилях КамАЗ и Урал, а также 955.3701 (рис. 3.8, а) – со смешанным магнито-электромагнитным возбуждением. Последний выполнен с использованием традиционной конструкции тракторных генераторов. К недостаткам бесконтактных генераторов относится несколько большая масса и габариты.

Упрощенная схема индукторного генератора приведена на рис. 3.7. Обмотка возбуждения 1 размещается на втулке 2, которая приварена к крышке 4. Ротор 5 выполнен в виде звездочки, жестко закреплен на валу 3. На зубцах статора 6 закрепляются катушки рабочей обмотки.

К обмотке возбуждения приложено напряжение стороннего источника, например, аккумуляторной батареи. Ток, протекающий под действием напряжения, создает постоянный по величине и направлению магнитный поток. Направление силовых линий магнитного поля и магнитная цепь показаны на рис. 3.7 пунктирными линиями и стрелками.

Изменение магнитного потока получают при вращении якоря за счет изменения магнитного сопротивления воздушного зазора между зубцами статора и ротора. Магнитный поток максимальный, когда оси зубцов статора и ротора совпадают, и минимальный, когда совпадают зубец статора и впадина ротора. Таким образом, рабочую обмотку генератора пересекает пульсирующий магнитный поток, вызывающий ЭДС переменного тока. Зубец и впадина ротора образуют пару полюсов, поэтому частота тока генератора определяется выражением

,

где z_s – число зубцов ротора.

Разрез генератора 955.3701 приведен на рис 3.8. Ротор этого генератора представляет собой стальную шестилучевую звездочку. Между зубцами ротора размещены постоянные магниты.

На зубцах статора размещена рабочая обмотка, соединённая в пятиугольник. Передняя крышка стальная. В ней располагается индуктор со втулкой, закреплённый за фланец к крышке. На втулке индуктора размещена обмотка возбуждения, намотанная на каркас. Между втулкой индуктора и втулкой ротора имеется воздушный зазор.

На стальную крышку надет под­шипниковый щит с натяжным ухом и лапой, расположение которых позволяет применять генератор на любых автомобилях ВАЗ. Выпрямительный блок размещен во внутренней полости задней крышки. Регулятор напряжения под пластмассовым кожухом расположен на наружной поверхности задней крышки.

4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК

Способность генераторной установки обеспечивать электропитанием потребителей электроэнергии на автомобиле во всех режимах его работы характеризует токоскоростная характеристика (ТСХ), т. е. зависимость силы тока, отдаваемого генератором в нагрузку, от частоты вращения его ротора при постоянном напряжении на выводах генератора (рис. 3.9). На рис 3.9 ось ординат имеет деления в относительных единицах тока I_отд / I_н и КПД – ŋ, причем, I_отд – отдаваемый ток, I_н – номинальный ток, n₀ – начальная частота вращения ротора, n_мин – минимальная частота, соответствующая оборотам холостого хода ДВС, а n_н – номинальная частота. Характеристики снимаются при номинальном напряжении – 14 В.

Генераторная установка должна самовозбуждаться при частоте вращения коленчатого вала двигателя ниже числа оборотов холостого хода. Проверка на самовозбуждение должна проводиться при работе генераторной установки в комплекте с аккумуляторной батареей.

Величина КПД зависит от конструкции генератора – толщины пластин пакета статора, от способа их изоляции друг от друга, от величины сопротивления обмоток и, главным образом, от мощности генератора. Чем мощнее генератор, тем выше его КПД. Обычно максимальное значение КПД вентильных генераторов не превышает 50 ÷ 60%.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

3.1. Приведите структурную схему системы электроснабжения и определите назначение ее функциональных узлов.

3.2. Почему вентильные генераторы вытеснили генераторы постоянного тока?

3.3. Какой технический прием позволяет обеспечить самовозбуждение вентильного генератора при низкой частоте вращения ротора?

3.4. Какие функции выполняют диоды D9 ÷ D10 в схеме рис. 3.2?

3.5. В чем заключаются достоинства и недостатки клювообразной системы ротора автомобильного генератора?

3.6. На рис. 3.4 приведены генераторы с различными системами охлаждения. Можно ли считать их взаимозаменяемыми?

3.7. В чем заключаются достоинства и недостатки щеточных узлов с внутренним и внешним размещением?

3.8. В отечественных генераторах применяются электрографитные и меднографитные щетки. Чем следует руководствоваться при выборе щеток?

3.9. В чем заключаются преимущества и недостатки индукторных генераторов?

3.10. Какими параметрами конструкции генератора определяется его КПД?

Дата добавления: 2015-05-06