Генератор - один из главных элементов электрооборудования автомобиля, обеспечивающий одновременное питание потребителей и подзаряд аккумуляторной батареи.
Принцип действия устройства построен на превращении механической энергии, которая поступает от мотора, в напряжение.
В комплексе с регулятором напряжения узел называется генераторной установкой.
В современных автомобилях предусмотрен агрегат переменного тока, в полной мере удовлетворяющий всем заявленным требованиям.
Устройство генератора
Элементы источника переменного тока спрятаны в одном корпусе, который также является основой для статорной обмотки.
В процессе изготовления кожуха применяются легкие сплавы (чаще всего алюминия и дюрали), а для охлаждения предусмотрены отверстия, обеспечивающие своевременный отвод тепла от обмотки.
В передней и задней части кожуха предусмотрены подшипники, к которым и крепится ротор - главный элемент источника питания.
В кожухе помещаются почти все элементы устройства. При этом сам корпус состоит из двух крышек, расположенных с левой и с правой стороны - около приводного вала и контрольных колец соответственно.
Две крышки объединяются между собой с помощью специальных болтов, изготовленных из алюминиевого сплава. Этот металл отличается незначительной массой и способностью рассеивать тепло.
Не менее важную роль играет щеточный узел, передающий напряжение на контактные кольца и обеспечивающий работу узла.
Изделие состоит из пары графитных щеток, двух пружин и щеткодержателя.
Также уделим внимание элементам, расположенным внутри кожуха:
Какие требования предъявляются к автомобильному генератору?
К генераторной установке автомобиля выдвигается ряд требований:
- Напряжение на выходе устройства и, соответственно, в бортовой сети должно поддерживаться в определенном диапазоне, вне зависимости от нагрузки или частоты вращения коленвала.
- Выходные параметры должны иметь такие показатели, чтобы в любом из режимов работы машины АКБ получала достаточное напряжение заряда.
При этом каждый автовладелец должен особое внимание уделять уровню и стабильности напряжения на выходе. Это требование вызвано тем, что аккумулятор чувствителен к подобным изменениям.
Например, в случае снижения напряжения ниже нормы АКБ не заряжается до необходимого уровня. В итоге возможны проблемы в процессе пуска мотора.
В обратной ситуации, когда установка выдает повышенное напряжение, аккумулятор перезаряжается и быстрее ломается.
Принцип работы автомобильного генератора, особенности схемы
Принцип действия генераторного узла построен на эффекте электромагнитной индукции.
В случае прохождения магнитного потока через катушку и его изменения, на выводах появляется и меняется напряжение (в зависимости от скорости изменения потока). Аналогичным образом работает и обратный процесс.
Так, для получения магнитного потока требуется подать на катушку напряжение.
Выходит, что для создания переменного напряжения требуются две составляющие:
- Катушка (именно с нее снимается напряжение).
- Источник магнитного поля.
Не менее важным элементом, как отмечалось выше, является ротор, выступающий в роли источника магнитного поля.
У полюсной системы узла присутствует остаточный магнитный поток (даже при отсутствии тока в обмотке).
Этот параметр небольшой, поэтому способен вызвать самовозбуждение только на повышенных оборотах. По этой причине по обмотке ротора пропускают сначала небольшой ток, обеспечивающий намагничивание устройства.
Упомянутая выше цепочка подразумевает прохождение тока от АКБ через лампочку контроля.
Главный параметр здесь - сила тока, которая быть в пределах нормы. Если ток будет завышенным, аккумулятор быстро разрядится, а если заниженным - возрастет риск возбуждения генератора на ХХ мотора (холостых оборотах).
С учетом этих параметров подбирается и мощность лампочки, которая должна составлять 2-3 Вт.
Как только напряжение достигает требуемого параметра, лампочка гаснет, а обмотки возбуждения питаются от самого автомобильного генератора. При этом источник питания переходит в режим самовозбуждения.
Снятие напряжения производится со статорной обмотки, которая выполнена в трехфазном исполнении.
Узел состоит 3-х индивидуальных (фазных) обмоток, намотанных по определенному принципу на магнитопроводе.
Токи и напряжения в обмотках смещены между собой на 120 градусов. При этом сами обмотки могут собираться в двух вариантах - «звездой» или «треугольником».
Если выбрана схема «треугольник», фазные токи в 3-х отмотках будут в 1,73 раза меньше, чем общий ток, отдаваемый генераторной установкой.
Вот почему в автомобильных генераторах большой мощности чаще всего применяется схема «треугольника».
Это как раз объясняется меньшими токами, благодаря которым удается намотать обмотку проводом меньшего сечения.
Такой же провод можно использовать и в соединениях типа «звезда».
Чтобы созданный магнитный поток шел по назначению, и направлялся к статорной обмотке, катушки находятся в специальных пазах магнитопровода.
Из-за появления магнитного поля в обмотках и в статорном магнитопроводе, появляются вихревые токи.
Действие последних приводит к нагреву статора и снижению мощности генератора. Для уменьшения этого эффекта при изготовлении магнитопровода применяются стальные пластины.
Выработанное напряжение поступает в бортовую сеть через группу диодов (выпрямительный мост), о котором упоминалось выше.
После открытия диоды не создают сопротивления, и дают току беспрепятственно проходить в бортовую сеть.
Но при обратном напряжении I не пропускается. Фактически, остается только положительная полуволна.
Некоторые производители автомобилей для защиты электроники меняют диоды на стабилитроны.
Главной особенностью деталей является способность не пропускать ток до определенного параметра напряжения (25-30 Вольт).
После прохождения этого предела стабилитрон «пробивается» и пропускает обратный ток. При этом напряжение на «плюсовом» проводе генератора остается неизменным, что не несет риски для устройства.
К слову, способность стабилитрона поддерживать на выводах постоянное U даже после «пробоя» применяется в регуляторах.
В результате после прохождения диодного моста (стабилитронов) напряжение выпрямляется, становится постоянным.
У многих типов генераторных установок обмотка возбуждения имеет свой выпрямитель, собранный из 3-х диодов.
Благодаря такому подключению, протекание тока разряда от АКБ исключено.
Диоды, относящиеся к обмотке возбуждения, работают по аналогичному принципу и питают обмотку постоянным напряжением.
Здесь выпрямительное устройство состоит из шести диодов, три их которых являются отрицательными.
В процессе работы генератора ток возбуждения ниже параметра, который отдает автомобильный генератор.
Следовательно, для выпрямления тока на обмотке возбуждения достаточно диодов с номинальным током до двух Ампер.
Для сравнения силовые выпрямители имеют номинальный ток до 20-25 Ампер. Если требуется увеличить мощность генератора, ставится еще одно плечо с диодами.
Режимы работы
Чтобы разобраться в особенностях функционирования автомобильного генератора, важно понять особенности каждого из режимов:
- В процессе пуска двигателя главным потребителем электрической энергии выступает стартер. Особенностью режима является создание повышенной нагрузки, что приводит к уменьшению напряжения на выходе АКБ. Как следствие, потребители берут ток только с аккумулятора. Вот почему при таком режиме батарея разряжается с наибольшей активностью.
- После завода двигателя автомобильный генератор переходит в режим источника питания. С этого момента устройство дает ток, который необходим для питания нагрузки в автомобиле и подзаряда АКБ. Как только аккумулятор набирает требуемую емкость, уровень зарядного тока снижается. При этом генератор продолжает играть роль главного источника питания.
- После подключения мощной нагрузки, например, кондиционера, обогрева салона и прочих, скорость вращения ротора замедляется. В этом случае автомобильный генератор уже не способен покрыть потребности автомобиля в токе. Часть нагрузки перекладывается на АКБ, который работает в параллель с источником питания и начинает постепенно разряжаться.
Регулятор напряжения - функции, типы, контрольная лампа
Ключевым элементом генераторной установки является регулятор напряжения - устройство, поддерживающее безопасный уровень U на выходе статора.
Такие изделия бывают двух типов:
- Гибридные - регуляторы, электрическая схема которых включает в себя как электронные приборы, так и радиодетали.
- Интегральные - устройства, в основе которых лежит тонкопленочная микроэлектронная технология. В современных автомобилях наибольшее распространение получил именно этот вариант.
Не менее важный элемент - контрольная лампа, смонтированная на приборной панели, по которой можно делать вывод о наличии проблем с регулятором.
Зажигание лампочки в момент пуска мотора должно быть кратковременным. Если же она горит постоянно (когда генераторная установка в работе), это свидетельствует о поломке регулятора или самого узла, а также необходимости ремонта.
Тонкости крепления
Фиксация генераторной установки производится при помощи специального кронштейна и болтового соединения.
Сам узел крепится в передней части двигателя, благодаря специальным лапам и проушинам.
Если на автомобильном генераторе предусмотрены специальные лапы, последние находятся на крышках мотора.
В случае применения только одной фиксирующей лапы, последняя ставится только на передней крышке.
В лапе, установленной в задней части, как правило, предусмотрено отверстие с установленной в нем дистанционной втулкой.
Задача последней заключается в устранении зазора, созданного между упором и креплением.
Крепление генератора Audi A8.
А так агрегат крепиться на ВАЗ 21124.
Неисправности генератора и способы их устранения
Электрооборудование автомобиля имеет свойство ломаться. При этом наибольшие проблемы возникают с АКБ и генератором.
В случае выхода из строя любого из этих элементов эксплуатация ТС в нормальном режиме работы становится невозможной или же авто оказывается вовсе обездвиженным.
Все поломки генератора условно делятся на две категории:
- Механические . В этом случае проблемы возникают целостностью корпуса, пружин, ременным приводом и прочими элементами, которые не связаны с электрической составляющей.
- Электрические . Сюда относятся неисправности диодного моста, износ щеток, замыкание в обмотках, поломки реле регулятора и прочие.
Теперь рассмотрим список неисправностей и симптомы более подробно.
1. На выходе недостаточный уровень зарядного тока:
2. Вторая ситуация.
Когда автомобильный генератор выдает необходимый уровень тока, но АКБ все равно не заряжается.
Причины могут быть разными:
- Низкое качество протяжки контакта «массы» между регулятором и основным узлом. В этом случае проверьте качество контактного соединения.
- Выход из строя реле напряжения - проверьте и поменяйте его.
- Износились или зависли щетки - замените или очистите от грязи.
- Сработало защитное реле регулятора из-за наличия замыкания на «массу». Решение - отыскать место повреждения и убрать проблему.
- Прочие причины - замасливание контактов, поломка регулятора напряжения, витковое замыкание в обмотках статора, плохое натяжение ремня.
3. Генератор работает, но издает повышенный шум.
Вероятные неисправности:
- Замыкание между витками статора.
- Износ места для посадки подшипника.
- Послабление шкивной гайки.
- Разрушение подшипника.
Ремонт генератора автомобиля всегда должен начинаться с точной диагностики проблемы, после чего причина устраняется путем профилактических мер или замены вышедшего из строя узла.
Практика эксплуатации показывает, что поменять автомобильный генератор несложно, но для решения задачи требуется соблюдать ряд правил:
- Новое устройство должно иметь аналогичные токоскоростные параметры, как и у заводского узла.
- Энергетические показатели должны быть идентичными.
- Передаточные числа у старого и нового источника питания должны совпадать.
- Устанавливаемый узел должен подходить по размерам и с легкостью крепится к мотору.
- Схемы нового и старого автомобильного генератора должны быть одинаковыми.
Учтите, что устройства, смонтированные на автомобилях зарубежного производства, фиксируются не так, как отечественного, к примеру, как на генератор TOYOTA COROLLA 
и Лада Гранта 
.
Следовательно, если менять иностранный агрегат изделием отечественного производства, придется установить новое крепление.
В завершение рассказа об автомобильных генераторах стоит выделить ряд советов, что необходимо, а чего нельзя делать автовладельцам в процессе эксплуатации.
Главный момент - установка, в процессе которой важно с предельным вниманием подойти к подключению полярности.
Если ошибиться в этом вопросе, выпрямительное устройство поломается и возрастает риск возгорания.
Аналогичную опасность несет и пуск двигателя при некорректно подключенных проводах.
Чтобы избежать проблем в процессе эксплуатации, стоит придерживаться ряда правил:
- Следите за чистотой контактов и контролируйте исправность электрической проводки автомобиля. Отдельное внимание уделите надежности соединения. В случае применения плохих контактных проводов уровень бортового напряжения выйдет за допустимый предел.
- Следите за натяжкой генератора. В случае слабого натяжения источник питания не сможет выполнять поставленные задачи. Если же перетянуть ремень, это чревато быстрым износом подшипников.
- Отбрасывайте провода от генератора и АКБ при выполнении электросварочных работ.
- Если контрольная лампочка загорается и продолжает гореть после пуска мотора, выясните и устраните причину.
Отдельное внимание стоит уделить реле-регулятору, а также проверке напряжения на выходе источника питания. В режиме заряда этот параметр должен быть на уровне 13,9-14,5 Вольт.
Кроме того, время от времени проверяйте износ и достаточность усилия щеток генератора, состояние подшипников и контактных колец.
Высота щеток должна измеряться при демонтированном держателе. Если последний износился до 8-10 мм, требуется замена.
Что касается усилия пружин, удерживающих щетки, оно должно быть на уровне 4,2 Н (для ВАЗ). При этом осматривайте контактные кольца - на них не должно быть следов масла.
Также автовладелец должен запомнить и ряд запретов, а именно:
- Не оставляйте машину с подключенной АКБ, если имеются подозрения поломки диодного моста. В противном случае аккумулятор быстро разрядится, и возрастает риск воспламенения проводки.
- Не проверяйте правильность работы генератора путем перемыкания его выводов или отключения АКБ при работающем двигателе. В этом случае возможна поломка электронных элементов, бортового компьютера или регулятора напряжения.
- Не допускайте попадания технических жидкостей на генератор.
- Не оставляйте включенным узел в случае, если клеммы АКБ были сняты. В противном случае это может привести к поломке регулятора напряжения и электрооборудования авто.
- Своевременно проводите .
Зная особенности работы генератора, нюансы его конструкции, основные неисправности и тонкости ремонта, можно избежать многих проблем с проводкой и АКБ.
Помните, что генератор - сложный узел, требующий особого подхода к эксплуатации.
Важно постоянно следить за ним, своевременно проводить профилактические мероприятия и замену деталей (при наличии такой необходимости).
При таком подходе источник питания и сам автомобиль прослужат очень долго.
Если в статье есть видео и оно не проигрывается, выделите любое слово мышью, нажмите Ctrl+Enter, в появившееся окно введите любое слово и нажмите "ОТПРАВИТЬ". Спасибо.
В настоящее время для вырабатывания электрической энергии применяются в основном синхронные генераторы. Асинхронные машины используются чаще всего как двигатели.
Генераторы, производящие переменный ток, в общем случае состоят из неподвижной обмотки — статора и подвижной – ротора.
Отличие синхронной машины от асинхронной состоит в том что в первых магнитное поле статора вращается одновременно с движением ротора, а в асинхронных либо опережает либо запаздывает от поля в ротора.
Широкое распространение синхронных машин обусловлено их качественными параметрами. Синхронные генераторы вырабатывают высокостабильное напряжение, пригодное для подключения широкого спектра электроприборов.
При КЗ в нагрузке или большой потребляемой мощности, по обмоткам статора протекает значительный ток, который может привести к выходу генератора из строя. Для таких машин обязательно наличие охлаждения – на вал ротора помещают турбину, охлаждающую всю конструкцию.
В виду этого синхронные генераторы чувствительны к условиям окружающей среды.
Асинхронные генераторы в большинстве случаев имеют закрытый корпус и нечувствительны к большому пусковому току энергопотребителей.
Однако для их работы нужен внешний мощный подмагничивающий ток. В целом асинхронные генераторы вырабатывают нестабильное напряжение. Достаточно широко такие генераторы распространены как источники энергии для сварочных аппаратов.
Синхронные генераторы распространены как преобразователи механической энергии в электрическую на гидростанциях, ТЭЦ, в качестве бытовых бензо- и дизельгенераторов, в качестве бортовых источников энергии на транспорте.
Статоры синхронного и асинхронного генератора не отличаются друг от друга по конструкции.
Сердечник статора состоит из нескольких пластин электротехнической стали, изолированных между собой и собранных в единую конструкцию (Рис. 1). На пазы с внутренней стороны статора устанавливаются катушки обмоток.
Для каждой фазы обмотка включает в себя две катушки, установленные напротив друг друга и соединенные последовательно. Такая схема обмоток называется двухполюсной.
Всего на статоре установлено три катушечные группы (Рис. 2), со сдвигомв 120 градусов. Фазовые группы соединены между собой в «звездой» или «треугольником». Встречаются катушечные группы с большим числом полюсов. Угол
сдвига катушки относительно друг друга рассчитывается в общем случае по формуле (2π/3)/n, где n–количество полюсов обмотки.
Ротор генератора представляет собой электромагнит, возбуждающий в статоре переменное магнитное поле. Для малогабаритных генераторов небольшой мощности зачастую на роторе расположены обычные магниты
.
Ротор синхронного генератора нуждается во внешнем возбудителе – генераторе постоянного тока, в простейшем случае установленному на том же валу что и ротор.
Возбудитель должен обеспечивать изменение тока в роторе для регулирования режима работы и возможность быстрого гашения магнитного поля при аварийном отключении.
Роторы различаются на явнополюсные и не явнополюсные. Конструкция явнополюсных роторов (Рис. 3)состоит из полюсов электромагнитов 1, образованных полюсными катушками 2, соединенными с сердечником 3. Возбуждение на обмотку подается через кольцевые контакты 4.
Такие роторы применяются при небольшой частоте вращения, например в гидротурбинах. При более быстром вращении вала, возникают значительные центробежные силы, которые могут разрушить ротор.
В этом случае используют не явнополюсные роторы (Рис. 4). Не явнополюсный ротор содержит пазы 1, образованные в сердечнике 2. В пазах закрепляются роторные обмотки (на Рис. 4 условно не показаны). Внешнее возбуждение также передается через контакты 3. Таким образом, ротор с неявными полюсами представляет собой статор «наизнанку».
Магнитное двухполюсное поле вращающего ротора можно заменить аналогичным полем постоянного магнита, вращающегося с угловой скоростью ротора. Направление тока в каждой обмотке определяется по правилу буравчика.
Если ток, например направлен от начала обмотки А к точке X, то такой ток будет условно принят за положительный (Рис. 5). При вращении ротора в обмотке статора возникает переменный ток, со сдвигом по фазе в 2 π/3.
Для привязки изменения тока фазы А к графику рассмотрим вращение по часовой стрелки. В начальный момент времени, магнитное поле ротора не создает ток в катушечной группе фазы А, (Рис. 6, положение а).
В обмотке фазы B действует отрицательный (от конца обмотки к началу), а в обмотке фазы С – положительный токи. При дальнейшем вращении ротор сдвигается на 90 градусов вправо (Рис.6, б). Ток в обмотке А занимает максимальное положительное значение, а в фазовых обмотках Bи С – промежуточное отрицательное.
Магнитное поле ротора сдвигается еще на четверть периода, ротор сдвинут на угол в 180 градусов(Рис. 6, в). Ток в обмотке А снова достигает нулевого значения, в обмотке В положительный, в обмотке фазы С – отрицательный.
При дальнейшим вращении ротора в точке фазовый ток обмотке А достигает максимального отрицательного значения, ток в обмотках В и С – положительный (Рис. 6, г). Дальнейшее вращение ротора повторяет все предыдущие фазы.
Синхронные генераторы предназначены для подключения нагрузки с большим коэффициентом мощности (cosϕ>0.8). При росте индуктивной составляющей нагрузки возникает эффект размагничивания ротора, приводящий к снижению напряжения на выводах.
Для его компенсации, приходится увеличивать ток возбуждения, приводящий к увеличению температуры обмоток. Емкостная нагрузка напротив, увеличивает подмагничивание ротора и увеличивает напряжение.
Однофазные генераторы достаточно мало распространены в промышленности. Для получения однофазного тока фазовые обмотки трехфазного соединяют в общую цепь. При этом возникают небольшие потери по мощности по сравнению с трехфазным включением.
Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное.
Если над сердечником с надетой на него катушкой будет вращаться постоянный магнит, то магнитное поле вокруг катушки будет непрерывно меняться и вследствие явление электромагнитной индукции в ней будет возникать переменный индукционный ток. На этом принципе работает индукционный генератор переменного тока, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую.
|
Схема индукционного генератора переменного тока, применяемого на велосипедах, изображена на рисунке 24.5. При вращении восьмиполюсного постоянного магнита - ротора 1 в обмотке статора 2 возникает ЭДС. Присоединенная к концам 3 и 4 обмотки, электрическая лампочка 5 находится под напряжением. На рисунке 24.6 показан поперечный разрез промышленного генератора. Неподвижная часть генератора, т. е. статор 1, представляет собой станину, набранную из листов магнитомягкой электротехнической стали. На статоре имеется обмотка из толстого медного провода. Вращающаяся часть генератора - ротор 2 представляет собой электромагнит, обмотка 3 которого питается от специального генератора постоянного тока - возбудителя. При вращении ротора магнитное поле, пронизывающее обмотку статора, периодически меняется, за счет чего в ней индуцируется переменная ЭДС индукции. На тепловых электростанциях для вращения ротора используются паровые турбины . |
Переменный ток обладает рядом свойств, аналогичных свойствам постоянного тока, однако некоторые его свойства отличны от свойств постоянного тока.
Так, протекая по проводникам, переменный ток их нагревает (как и постоянный). Это свойство используется в электронагревательных приборах и электрических лампах накаливания.
Вокруг проводников, по которым проходит переменный ток, обязательно существует магнитное поле, но оно, как и ток, переменно. У электромагнита, питаемого переменным током от сети, 50 раз в одну секунду меняется полярность концов магнитопровода (сердечника).
Нетрудно убедиться, что коллекторный двигатель с последовательным возбуждением может работать при питании его переменным током. Такие двигатели используются во многих бытовых приборах (пылесос, соковыжималка, вентилятор и др.). Действительно, при изменении полярности полюсов индуктора одновременно меняется направление тока в якоре, поэтому якорь продолжит вращение в том же направлении.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Каков принцип работы индукционного генератора?
2. Какие свойства переменного тока вы знаете?
3. Каковы устройства индукционного турбо- и гидрогенератора? Объясните по рисункам.
4. Почему у ротора турбогенератора одна пара полюсов, а у гидрогенератора - много?
Упражнения
1. Докажите, что гидрогенератор Братской ГЭС вырабатывает переменный ток частотой, равной 50 Гц. Его ротор, вращающийся с частотой 125 об/мин, имеет 24 пары полюсов.
2. Сколько пар полюсов должно быть у гидрогенератора, если его ротор вращается с частотой 5 об/с? Частота индуцируемого тока 50 Гц.
3. Докажите, что магнитоэлектрические приборы непригодны для измерений в цепях переменного тока, а электромагнитные и электродинамические - пригодны.
4. На рисунке изображен график, взятый с экрана осциллографа. Каждая клетка по горизонтали соответствует 0,01 с, а по вертикали - 20 В. Определите напряжение и частоту электрического тока.
Принцип работы генератора автомобиля понять совсем не сложно, если рассмотреть основные узлы этого важного устройства транспортного средства, которое превращает получаемую от мотора машины механическую энергию в электрическую.
Схема автомобильного генератора – из чего состоит генератор автомобиля?
Данный узел автомобиля необходим для зарядки и обеспечения электрооборудования при двигателе ТС необходимым ему электрическим питанием. Как правило, находится генератор в передней части автомобильного двигателя. На сегодняшний день существует два конструктивных варианта исполнения интересующего нас устройства:
- стандартная;
- компактная.
И первая и вторая конструкции имеют ряд общих элементов. К таковым относят следующие механизмы:
- щеточный узел;
- регулятор напряжения;
- статор;
- выпрямительное устройство;
- корпус;
- ротор.
Разница же между стандартным и компактным генератором заключается в том, какую конструкцию имеет их корпус, приводной шкив, выпрямительный узел и вентилятор.
Кроме того, они имеют разные геометрические размеры, что зависит не только от их устройства, но еще и от фирмы-производителя. При этом работа автомобильного генератора остается неизменной, какой бы вид ему не придали инженеры-конструкторы.
Принцип работы генератора автомобиля – как именно он работает?
Функционирование интересующего нас устройства базируется на явлении электромагнитной индукции. Суть ее в следующем. Когда магнитный поток проходит через медную катушку, на ее выводах образуется напряжение. Оно по своей величине пропорционально скорости, с которой этот самый поток изменяется.
А для того, чтобы магнитный поток смог образоваться, согласно эффекту индукции, следует пропустить электроток через катушку. По сути, если требуется получить электрический переменный ток, достаточно иметь под рукой:
- катушку (переменное напряжение будет сниматься именно с нее);
- источник магнитного переменного поля.
Указанным источником в современном транспортном средстве является вращающийся ротор, состоящий из вала, полюсной системы и контактных колец. А вот другой важный элемент – статор – нужен для формирования электротока (переменного). Статор состоит из сердечника, который набирается из стальных пластин, и обмотки.
Принцип работы автомобильного генератора – принципиальная элеткросхема узла
Недостаточно знать, как устроен генератор автомобиля в общем, если вы хотите полностью разобраться с принципом его работы. Надлежит, кроме того, изучить электросхему генераторного узла, которая включает в себя такие компоненты:
- включатель зажигания;
- «массу»;
- щеточный узел;
- конденсатор, предназначенный для подавления помех;
- диоды обмотки;
- плюсовой выход механизма;
- диоды выпрямителя (силового) – отрицательные и положительные;
- питание обмотки;
- регулятор напряжения;
- обмотки статора;
- сигнальную лампу (она подает сигнал о неисправности описываемого устройства).
А вот теперь легко понять, как работает автомобильный генератор. При повороте ключа в замке зажигания через контактные кольца и щеточный механизм ток подается на обмотку возбуждения. В ней наводится необходимое поле (магнитное), что приводит в движение ротор, который начинает перемещать
Термин «генерация» в электротехнику пришел из латинского языка. Он обозначает «рождение». Применительно к энергетике можно сказать, что генераторами называют технические устройства, занимающиеся выработкой электроэнергии.
При этом надо оговориться, что производить электрический ток можно за счет преобразования различных видов энергии, например:
химической;
световой;
тепловой и других.
Исторически сложилось так, что генераторами называют конструкции, которые преобразуют кинетическую энергию вращения в электричество.
По виду вырабатываемой электроэнергии генераторы бывают:
1. постоянного тока;
2. переменного.
Физические законы, которые позволяют создавать современные электрические установки для выработки электроэнергии за счет преобразований механической энергии, открыты учеными Эрстедом и Фарадеем.
В конструкции любого генератора реализуется , когда происходит наводка электрического тока в замкнутой рамке за счет пересечения ее вращающимся магнитным полем, которое создается в упрощенных моделях бытового использования или обмотками возбуждения на промышленных изделиях повышенных мощностей.
При вращении рамки изменяется величина магнитного потока.
Электродвижущая сила, наводимая в витке, зависит от скорости изменения магнитного потока, пронизывающего рамку в замкнутом контуре S, и прямо пропорциональна его значению. Чем быстрее осуществляется вращение ротора, тем выше величина вырабатываемого напряжения.
Для того чтобы создать замкнутый контур и отвести с него электрический ток, потребовалось создать коллектор и щеточный узел, обеспечивающий постоянный контакт между вращающейся рамкой и стационарно расположенной частью схемы.
За счет конструкции подпружиненных щеток, прижимающихся к коллекторным пластинам, происходит передача электрического тока на выходные клеммы, а с них дальше он поступает в сеть потребителя.
Принцип работы простейшего генератора постоянного тока
При вращении рамки вокруг оси ее левая и правая половинки циклически проходят около южного или северного полюса магнитов. В них каждый раз происходит смена направлений токов на противоположное так, что у каждого полюса они протекают в одну сторону.
Для того чтобы в выходной цепи создавался постоянный ток, на коллекторном узле создано полукольцо для каждой половинки обмотки. Прилегающие к кольцу щетки снимают потенциал только своего знака: положительный или отрицательный.
Поскольку полукольцо вращающейся рамки разомкнуто, то в нем создаются моменты, когда ток достигает максимального значения или отсутствует. Чтобы поддерживать не только направление, но и постоянную величину вырабатываемого напряжения, рамку изготавливают по специально подготовленной технологии:
у нее используют не один виток, а несколько - в зависимости от величины запланированного напряжения;
число рамок не ограничивается одним экземпляром: их стараются сделать достаточным количеством для оптимального поддержания перепадов напряжения на одном уровне.
У генератора постоянного тока обмотки ротора располагают в пазах . Это позволяет сокращать потери наводимого электромагнитного поля.
Конструктивные особенности генераторов постоянного тока
Основными элементами устройства являются:
внешняя силовая рама;
магнитные полюса;
статор;
вращающийся ротор;
коммутационный узел со щётками.
Корпус изготавливают из стальных сплавов или чугуна для придания механической прочности общей конструкции. Дополнительной задачей корпуса является передача магнитного потока между полюсами.
Полюса магнитов крепят к корпусу шпильками или болтами. На них монтируют обмотку.
Статор , называемый еще ярмом или остовом, изготавливают из ферромагнитных материалов. На нем размещают обмотку катушки возбуждения. Сердечник статора оснащен магнитными полюсами, образующими его магнитное силовое поле.
Ротор имеет синоним: якорь. Его магнитопровод состоит из шихтованных пластин, снижающих образование вихревых токов и повышающих КПД. В пазы сердечника заложены обмотки ротора и/или самовозбуждения.
Коммутационный узел со щетками может иметь разное количество полюсов, но оно всегда кратно двум. Материалом щеток обычно используют графит. Коллекторные пластины изготавливают из меди, как наиболее оптимального металла, подходящего по электрическим свойствам проводимости тока.
Благодаря использованию коммутатора на выходных клеммах генератора постоянного тока образуется сигнал пульсирующего вида.
Основные типы конструкций генераторов постоянного тока
По типу питания обмотки возбуждения различают устройства:
1. с самовозбуждением;
2. работающие на основе независимого включения.
Первые изделия могут:
использовать постоянные магниты;
или работать от внешних источников, например, аккумуляторных батарей, ветряной установки…
Генераторы с независимым включением работают от собственной обмотки, которая может быть подключена:
последовательно;
шунтами или параллельным возбуждением.
Один из вариантов подобного подключения показан на схеме.
Примером генератора постоянного тока может служить конструкция, которая раньше часто применялась на автомобильной технике. Ее устройство такое же, как у асинхронного двигателя.
Подобные коллекторные конструкции способны работать в режиме двигателя или генератора одновременно. За счет этого они получили распространение в существующих гибридных автомобилях.
Процесс образования якорной реакции
Она возникает в режиме холостого хода при неправильной настройке усилия прижатия щеток, создающее неоптимальный режим их трения. Это может привести к снижению магнитных полей или возникновению пожара из-за повышенного образования искр.
Способами ее снижения являются:
компенсации магнитных полей за счет подключения дополнительных полюсов;
настройка сдвига положения коллекторных щеток.
Преимущества генераторов постоянного тока
К ним относят:
отсутствие потерь на гистерезис и образование вихревых токов;
работа в экстремальных условиях;
пониженный вес и маленькие габариты.
Принцип работы простейшего генератора переменного тока
Внутри этой конструкции используются все те же детали, что и у предыдущего аналога:
магнитное поле;
вращающаяся рамка;
коллекторный узел со щетками для отвода тока.
Основное отличие заключается в устройстве коллекторного узла, который создан так, что при вращении рамки через щетки постоянно создается контакт со своей половинкой рамки без циклической смены их положения.
За счет этого ток, сменяющийся по законам гармоники в каждой половинке, полностью без изменений передается на щетки и далее через них в схему потребителя.
Естественно, что рамка создана намоткой не из одного витка, а рассчитанного их количества для достижения оптимального напряжения.
Таким образом, принцип работы генераторов постоянного и переменного тока общий, а отличия конструкции заключаются в изготовлении:
коллекторного узла вращающегося ротора;
конфигурации обмоток на роторе.
Конструктивные особенности промышленных генераторов переменного тока
Рассмотрим основные части промышленного индукционного генератора, у которого ротор получает вращательное движение от рядом расположенной турбины. В конструкцию статора включен электромагнит (хотя магнитное поле может создаваться набором постоянных магнитов) и обмотка ротора с определённым числом витков.
Внутри каждого витка индуктируется электродвижущая сила, которая последовательно складывается в каждом из них и образует на выходных зажимах суммарное значение напряжения, выдаваемого на схему питания подключенных потребителей.
Чтобы повысить на выходе генератора амплитуду ЭДС используют специальную конструкцию магнитной системы, выполненную из двух магнитопроводов за счет применения специальных сортов электротехнической стали в виде шихтованных пластин с пазами. Внутри их смонтированы обмотки.
В корпусе генератора расположен сердечник статора с пазами для размещения обмотки, создающей магнитное поле.
Вращающийся на подшипниках ротор тоже имеет магнитопровод с пазами, внутри которых смонтирована обмотка, получающая индуцируемую ЭДС. Обычно для размещения оси вращения выбирается горизонтальное направление, хотя, встречаются конструкции генераторов с вертикальным расположением и соответствующей конструкцией подшипников.
Между статором и ротором всегда создается зазор, необходимый для обеспечения вращения и исключения заклинивания. Но, в то же время в нем происходит потеря энергии магнитной индукции. Поэтому его стараются делать минимально возможным, оптимально учитывая оба этих требования.
Расположенный на одном валу с ротором возбудитель является электрогенератором постоянного тока, обладающим относительно небольшой мощностью. Его назначение: питать электроэнергией обмотки силового генератора в состоянии независимого возбуждения.
Подобные возбудители применяют чаще всего с конструкциями турбинных или гидравлических электрогенераторов при создании основного либо резервного способа возбуждения.
На картинке промышленного генератора показано расположение коллекторных колец и щеток для съема токов с конструкции вращающегося ротора. Этот узел при работе испытывает постоянные механические и электрические нагрузки. Для их преодоления создается сложная конструкция, которая при эксплуатации требует периодических осмотров и выполнения профилактических мероприятий.
Чтобы снизить создаваемые эксплуатационные затраты применяется другая, альтернативная технология, при которой тоже используется взаимодействие между вращающимися электромагнитными полями. Только на роторе располагают постоянные или электрические магниты, а напряжение снимают со стационарно расположенной обмотки.
При создании подобной схемы такую конструкцию могут называть термином «альтернатор». Она применяется в синхронных генераторах: высокочастотных, автомобильных, на тепловозах и судах, установках электрических станций энергетики для производства электроэнергии.
Особенности синхронных генераторов
Принцип действия
Название и отличительный признак действия заключен в создании жесткой связи между частотой переменной электродвижущей силы, наводимой в статорной обмотке «f» и вращением ротора.
В статоре вмонтирована трехфазная обмотка, а на роторе - электромагнит с сердечником и обмоткой возбуждения, запитанной от цепей постоянного тока через щеточный коллекторный узел.
Ротор приводится во вращение от источника механической энергии - приводного двигателя с одинаковой скоростью. Его магнитное поле совершает такое же движение.
В обмотках статора наводятся одинаковые по величине, но сдвинутые на 120 градусов по направлению электродвижущие силы, создающие трехфазную симметричную систему.
При подключении на концы обмоток цепей потребителей в схеме начинают действовать токи фаз, которые образуют магнитное поле, вращающееся точно так же: синхронно.
Форма выходного сигнала наводимой ЭДС зависит только от закона распределения вектора магнитной индукции внутри зазора между полюсами ротора и пластинами статора. Поэтому добиваются создания такой конструкции, когда величина индукции меняется по синусоидальному закону.
Когда зазор имеет постоянную характеристику, то вектор магнитной индукции внутри зазора создается по форме трапеции, как показано на графике линий 1.
Если же форму краев на полюсах исправить на косоугольную с изменением зазора до максимального значения, то можно добиться синусоидальной формы распределения, как показано линией 2. Этим приемом и пользуются на практике.
Схемы возбуждения синхронных генераторов
Магнитодвижущая сила, возникающая на обмотке возбуждения «ОВ» ротора, создает его магнитное поле. Для этого существуют разные конструкции возбудителей постоянного тока, основанные на:
1. контактном методе;
2. бесконтактном способе.
В первом случае
используется отдельный генератор, называемый возбудителем «В». Его обмотка возбуждения питается от дополнительного генератора по принципу параллельного возбуждения, именуемого подвозбудителем «ПВ».
Все роторы размещаются на общем валу. За счет этого они вращаются совершенно одинаково. Реостаты r1 и r2 служат для регулирования токов в схемах возбудителя и подвозбудителя.
При бесконтактном способе
отсутствуют контактные кольца ротора. Прямо на нем монтируют трехфазную обмотку возбудителя. Она синхронно вращается с ротором и передает через совместно вращающийся выпрямитель электрический постоянный ток непосредственно на обмотку возбудителя «В».
Разновидностями бесконтактной схемы являются:
1. система самовозбуждения от собственной обмотки статора;
2. автоматизированная схема.
При первом методе напряжение от обмоток статора поступает на понижающий трансформатор, а затем - полупроводниковый выпрямитель «ПП», вырабатывающий постоянный ток.
У этого способа первоначальное возбуждение создается за счет явления остаточного магнетизма.
Автоматическая схема создания самовозбуждения включает использование:
трансформатора напряжения ТН;
автоматизированного регулятора возбуждения АВР;
трансформатора тока ТТ;
выпрямительного трансформатора ВТ;
тиристорного преобразователя ТП;
блока защиты БЗ.
Особенности асинхронных генераторов
Принципиальное отличие этих конструкций состоит в отсутствие жесткой связи между частотами вращения ротора (nr) и индуцируемой в обмотке ЭДС (n). Между ними всегда существует разница, которую называют «скольжением». Ее обозначают латинской буквой «S» и выражают формулой S=(n-nr)/n.
При подключении нагрузки на генератор создается тормозной момент для вращения ротора. Он влияет на частоту вырабатываемой ЭДС, создает отрицательное скольжение.
Конструкцию ротора у асинхронных генераторов изготавливают:
короткозамкнутой;
фазной;
полой.
Асинхронные генераторы могут иметь:
1. независимое возбуждение;
2. самовозбуждение.
В первом случае используется внешний источник переменного напряжения, а во втором - полупроводниковые преобразователи или конденсаторы в первичной, вторичной или обоих видах схем.
Таким образом, генераторы переменного и постоянного тока имеют много общих черт в принципах построения, но отличаются конструктивным исполнением определённых элементов.
