Тюнинг источников питания

Основным направлением совершенствования источников электропитания легкового автомобиля (аккумуляторная батарея, генератор) является их замена на более эффективные в соответствии с потребностями автовладельца или необходимостью. Кроме замены источников электропитания на более мощные, существуют и другие методы повышения их эффективности или продления срока службы.

Аккумулятор в автомобиле выполняет три основные функции: запускает двигатель, помогает генератору, когда тот не справляется с нагрузкой, питает некоторые электрические устройства, когда двигатель не работает (например, сигнализацию, магнитолу и пр.)

Цель тюнинга аккумулятора – повышение эффективности выполнения указанных функций, а также увеличение продолжительности его работы. Основной показатель, характеризующий аккумуляторную батарею (АКБ) его емкость, выраженная в ампер-часах (Aч). Она характеризует способность аккумулятора давать определенный ток в течение определенного времени. Например, емкость 50 ампер-час означает, что аккумулятор может давать ток в 1 ампер в течение 50 часов (или в 2 ампера в течение 25 часов и т.д.). Существенными являются также такие показатели как пусковая и резервная мощность. Пусковая мощность — величина максимальной выходной мощности, которую аккумулятор может выдавать в течение 30 секунд, при температуре минус 18 градусов С. Этот показатель характеризует способность аккумулятора запускать холодный двигатель. Резервная мощность показывает интервал времени (в минутах), в течение которого аккумулятор способен давать ток 25А (т.е. в течение какого времени он сможет подменять собой вышедший из строя генератор).

Наиболее часто осуществляют замену аккумуляторной батареи на более мощную. При выборе аккумулятора большей емкости необходимо учитывать тот факт, что значительное превышение емкости относительно штатного аккумулятора может привести к тому, что он не будет полностью заряжаться. А постоянный «недозаряд» приведет к быстрому снижению емкости. Поэтому источник энергии емкостью 75 Ач может прослужить меньше, чем родной емкостью 55 Ач. Неполный заряд аккумулятора может быть вызван слабым генератором и, дополнительно, низкими оборотами двигателя (ниже 2500 – 3000 об/мин) при движении в пробках.

Избежать этого возможно, если «дозаряжать» АКБ после каждой поездки от зарядного устройства, что очевидно не всегда удобно. Можно одновременно с аккумулятором заменить генератор на более мощный. Но лучше это делать в случае, если необходимо повысить общую мощность электросети автомобиля, о чем будет сказано ниже. А если такой необходимости нет, то заменять аккумулятор лучше на батарею, емкость которой превышает штатную не более чем на 10 Ач.

Другим направлением тюнинга данного источника энергии, продлевающим длительность его нормальной эксплуатации, является размещение аккумулятора на удалении от горячего двигателя. Проблема вызвана тем, что электролит аккумулятора при температуре 100 градусов С закипает. Даже если температура только приближается к этой отметке, срок службы батареи все равно сокращается в три-четыре раза.

Избежать перегрева АКБ от двигателя можно, если поместить его, например, в багажнике автомобиля. При этом надо позаботиться о надежном креплении аккумулятора, так как повышенная вибрация также является одной из основных причин износа батареи. Кроме того необходимо подобрать требуемую толщину провода от аккумулятора к стартеру с учетом того, что стартерный ток достигает сотен ампер. Существуют и другие решения уберечь аккумулятор от перегрева. Например, подобрать батарею с двойным корпусом, где между стенками циркулирует воздух. Однако такие аккумуляторы в массовом количестве не производятся.

В основе работы генератора лежит эффект электромагнитной индукции -возникновение электродвижущей силы (ЭДС) в контуре, через который проходит магнитный поток. Генерируемая при этом ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока (закон электромагнитной индукции Фарадея). Т.е. если катушку, например, из медного провода, пронизывает магнитный поток, то при его изменении (изменении магнитного потока) на выводах катушки появляется переменное электрическое напряжение. И, наоборот, для образования магнитного потока достаточно пропустить через катушку электрический ток.

В генераторе автомобиля (как, в основном и в любых других генераторах), для получения переменного электрического тока используется катушка, по которой протекает постоянный (от аккумулятора или от самого генератора) электрический ток, образуя магнитный поток. Эта катушка называется обмоткой возбуждения, которая с некоторыми другими деталями (валом, контактными кольцами) образует ротор генератора, его важнейшую вращающуюся часть.

Магнитный поток пронизывает другие катушки, называемые обмоткой статора, которые помещены в пазы стальной системы (пакета железа) - магнитопровода. Эта обмотка с его магнитопроводом образует собственно статор генератора, его важнейшую неподвижную часть, в которой и образуется электрический ток.

При вращении ротора напротив катушек обмотки статора появляются попеременно "северный", и "южный" полюсы ротора, т. е. направление магнитного потока, пронизывающего катушку, меняется, что и вызывает появление в ней переменного напряжения. Частота этого напряжения f зависит от частоты вращения ротора генератора N и числа его пар полюсов р:

f=p*N/60

В основном все генераторы имеют шесть "южных" и шесть "северных" полюсов в магнитной системе ротора. В этом случае частота f в 10 раз меньше частоты вращения ротора генератора. Поскольку свое вращение ротор генератора получает от коленчатого вала двигателя, то по частоте переменного напряжения генератора можно измерять частоту вращения коленчатого вала двигателя. Для этого у генератора делается вывод обмотки статора, к которому и подключается тахометр. При этом напряжение на входе тахометра имеет пульсирующий характер, т. к. он оказывается включенным параллельно диоду силового выпрямителя генератора. С учетом передаточного числа i ременной передачи от двигателя к генератору частота сигнала на входе тахометра f_т связана с частотой вращения коленчатого вала двигателя N_дв соотношением:

f=p*N_дв(i)/60

При числе пар полюсов равному шести (р=6, в большинстве случаев) приведенное выше соотношение упрощается f_т = N_дв (i)/10.

Бортовая сеть автомобиля требует подведения к ней постоянного напряжения, а на выходе обмотки статора напряжение переменное. Поэтому обмотка статора питает бортовую сеть автомобиля через выпрямитель, встроенный в генератор.

Обмотка статора генератора состоит из трех частей, называемых обмотками фаз или просто фазами, напряжение и токи в которых смещены друг относительно друга на треть периода, т. е. на 120 электрических градусов, как это показано на рис. 4.1. Фазы могут соединяться в "звезду" или "треугольник". При этом различают фазные и линейные напряжения и токи. Фазные напряжения U_ф действуют между концами обмоток фаз, а токи I_ф протекают в этих обмотках. Линейные же напряжения U_л действуют между проводами, соединяющими обмотку статора с выпрямителем. В этих проводах протекают линейные токи I_л. Естественно, выпрямитель выпрямляет те величины, которые к нему подводятся, т. е. линейные.

Такая система построения генератора позволяет осуществлять его тюнинг (в первую очередь повышение его мощности) двумя методами. Во-первых, изменять схему соединения обмоток статора (в "звезду" или "треугольник") и, при необходимости, увеличивать число витков фазных обмоток. Во-вторых, увеличивать количество полупроводниковых диодов в выпрямителе генератора.

Первый метод. При соединении в "треугольник" фазные токи (на величину √3) 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 с целью повышения мощности применяют соединение в "треугольник", т. к. при меньших токах обмотки можно наматывать более тонким проводом, что технологичнее. Однако линейные напряжения у "звезды" больше фазного(также на величину √3), в то время как у "треугольника" они равны и для получения такого же выходного напряжения, при тех же частотах вращения "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 параллельных обмоток, каждая из которых соединена в "звезду", т. е. получается "двойная звезда".

Второй метод. Выпрямитель для трехфазной системы содержит шесть силовых полупроводниковых диодов, три из которых: VD1, VD3 и VD5 соединены с выводом "плюс" генератора, а другие три: VD2, VD4 и VD6 с выводом "минус" ("массой"). При необходимости форсирования мощности генератора применяется дополнительное плечо выпрямителя на диодах VD7, VD8, показанное на рис.4.1. пунктиром. Такая схема выпрямителя может иметь место только при соединении обмоток статора в "звезду", т. к. дополнительное плечо запитывается от "нулевой" точки "звезды".

У многих генераторов обмотка возбуждения подключается к собственному выпрямителю, собранному на диодах VD9—VD11.Такое подключение обмотки возбуждения 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. По графику фазных напряжений (см. рис.1) можно определить, какие диоды открыты, а какие закрыты в данный момент. Фазные напряжения 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, показанным на рис. 1. Ток через обмотки, диоды и нагрузку будет протекать в направлении этих стрелок. При этом открыты диоды VD1 и VD4. Рассмотрев любые другие моменты времени легко убедиться, что в трехфазной системе напряжения, возникающего в обмотках фаз генератора, 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 "—" ("массе"), т. е. в нагрузке протекает постоянный (выпрямленный) ток.

Диоды выпрямителя обмотки возбуждения работают аналогично, питая выпрямленным током эту обмотку. Причем в выпрямитель обмотки возбуждения тоже входят 6 диодов, но три из них VD2, VD4, VD6 общие с силовым выпрямителем. Так в момент времени t₁ открыты диоды VD4 и VD9, через которые выпрямленный ток и поступает в обмотку возбуждения. Этот ток значительно меньше, чем ток, отдаваемый генератором в нагрузку. Поэтому в качестве диодов VD9—VD11 применяются малогабаритные слаботочные диоды на ток не более 2А (для сравнения, диоды силового выпрямителя допускают протекание токов силой до 25...35А).

Остается рассмотреть принцип работы плеча выпрямителя, содержащего диоды VD7 и VD8. Если бы фазные напряжения изменялись чисто по синусоиде, эти диоды вообще не участвовали бы в процессе преобразования переменного тока в постоянный. Однако в реальных генераторах форма фазных напряжений отличается от синусоиды. Она представляет собой сумму синусоид, которые называются гармоническими составляющими или гармониками. Частота первой гармоники совпадает с частотой фазного напряжения, частоты высших гармоник соответственно выше.

Представление реальной формы фазного напряжения в виде суммы двух гармоник (первой и третьей) показано на рис.4.103

Из электротехники известно, что в линейном напряжении, т. е. в том напряжении, которое 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 взаимоуничтожают друг друга в линейном напряжении. Таким образом, третья гармоника в фазном напряжении присутствует, а в линейном - нет. Следовательно, мощность, развиваемая третьей гармоникой фазного напряжения, не может быть использована потребителями. Чтобы 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, эти диоды выпрямляют только напряжение третьей гармоники фазного напряжения. Применение этих диодов увеличивает мощность генератора на 5...15% при частоте вращения более 3000 мин-1.

Выпрямленное напряжение, как это показано на рис.4.1, носит пульсирующий характер. Эти пульсации можно использовать для диагностики выпрямителя. Если пульсации идентичны — выпрямитель работает нормально, если же картинка на экране осциллографа имеет нарушение симметрии — возможен отказ диода. Проверку эту следует производить при отключенной аккумуляторной батарее. Следует обратить внимание на то, что под термином "выпрямительный диод", не всегда скрывается привычная конструкция, имеющая корпус, выводы и т. д. иногда это просто полупроводниковый кремниевый переход, загерметизированный на теплоотводе.

Применение в регуляторе напряжения электроники и особенно, микроэлектроники, т. е. применение полевых транзисторов или выполнение всей схемы регулятора напряжения на монокристалле кремния, потребовало введения в генераторную установку элементов защиты ее от всплесков высокого напряжения, возникающих, например, при внезапном отключении аккумуляторной батареи, сбросе нагрузки. Такая защита обеспечивается тем, что диоды силового моста заменены стабилитронами. Отличие стабилитрона от выпрямительного диода состоит в том, что при воздействии на него напряжения в обратном направлении он не пропускает ток лишь до определенной величины этого напряжения, называемого напряжением стабилизации. Обычно в силовых стабилитронах напряжение стабилизации составляет 25... 30 В. При достижении этого напряжения стабилитроны "пробиваются ", т. е. начинают пропускать ток в обратном направлении, причем в определенных пределах изменения силы этого тока напряжение на стабилитроне, а, следовательно, и на выводе "+ " генератора остается неизменным, не достигающем опасных для электронных узлов значений. Свойство стабилитрона поддерживать на своих выводах постоянство напряжения после "пробоя "используется и в регуляторах напряжения.

Дата добавления: 2014-01-04