Автомобиль хотя и работает на бензине, но содержит в себе множество устройств работающих от электричества. Главным источником электрической энергии в машине является автомобильный генератор . По сути дела это внутренняя электростанция, которая преобразует вращение двигателя внутреннего сгорания в электричество. Этим электричеством питаются все электроприборы автомобиля, в том числе за счет этого подзаряжается аккумуляторная батарея, также представляющая собой источник электричества при неработающем двигателе.
представлена на следующем рисунке.
G – генератор;
Ph1…Ph3 – обмотки трёхфазного статора;
VD+ – силовой выпрямитель, положительные диоды;
VD1- – силовой выпрямитель, отрицательные диоды;
C – конденсатор, выравнивающий высокочастотные всплески напряжения;
B+ – положительный силовой выход гeнeрaтopнoй устaнoвки;
VD1d+ – элементы oбмoтки вoзбуждeния;
Ex – вoзбуждающая обмотка;
VR – вольт-рeгулятop нaпpяжeния;
Accu – aккумулятoрнaя бaтaрeя;
+ – положительный выхoд aккумулятopнoй бaтaрeи;
IgnSw – переключатель зажигания;
H – индикaтop зapядa;
D+ – выxод "D+" гeнeрирующей устaнoвки;
DF – выхoд упрaвлeния возбуждающей oбмoткoй;
R – потребляющие устройства.
Схема подключения автомобильного генератора и принцип его работы аналогичен для любых автомобилей. Отличия связаны только с качеством производства, мощностью и компоновкой узлов в моторе. На все современные машины устанавливаются генераторные установки переменного тока, включающие сам и регулятор напряжения. Регулятор нормирует силу тока в обмотке вoзбуждeния, за счет этого варьируется мощность генераторной установки при неизменном напряжении на силовых выходных клеммах.
Современные автомобили дополнительно оснащаются электронным блоком на регуляторе напряжения, помощью чего бортовой компьютер контролирует величину нагрузки на генераторную установку.
В основе схемы автомобильного генератора лежит принцип электромагнитной индукции . Если катушку из медного провода вращать в магнитном поле, создаваемом постоянными магнитами или обмоткой возбуждения питаемой от аккумулятора, то в медном проводе образуется (индуцируется) электрический ток. Как правило, обмотка в которой генерируется рабочее напряжение электрического тока располагается в статоре. Обмотка возбуждения располагается на роторе (вращающемся вале).
Нажать Класс
Рассказать ВК
Уважаемые посетители, всем привет!!!
В этой теме Вы ознакомитесь с автомобильным генератором, на примере ваз 2115, то-есть, с его устройством, принципом работы, с электрической схемой и пояснением, которое будет дано к схеме.
В беседе со своими друзьями, каждый из нас объяснял что-то свое в том смысле, как именно следует правильно называть автомобильный генератор, — генератор переменного тока или же генератор постоянного тока. Если автомобильный генератор вырабатывает переменный ток, то каким образом ток будет питать потребители авто? Возникает вопрос, как правильно следует относить название генератора, к переменному или к постоянному?
Правильные ответы на различные вопросы, касающиеся автомобилей, Вы можете найти в соответствующей технической литературе. В настоящее время на автомобилях получили широкое распространение генераторы переменного тока. Впрочем, это можно понять по самой электрической схеме генератора.
Устройство автомобильного генератора
На этом рисунке, устройстве автомобильного генератора, расписано все подетально, — что и где находится.
Рассмотрим по позициям, что и как здесь устроено. Начнем с вала генератора. На валу генератора напрессованы:
- передний подшипник вала ротора (15);
- втулка ротора (23);
- полюсные наконечники ротора (21);
- втулка подшипника (26) вместе с задним подшипником вала ротора (25);
- изоляционные втулки, на которые напрессованы контактные кольца (27).
На роторе, между втулкой (23) и полюсными наконечниками ротора (21), на самой втулке, намотана обмотка возбуждения ротора (24). Два конца провода обмотки возбуждения ротора соединены с контактными кольцами (изолированными друг от друга). Напряжение снимается с контактных колец за счет прикасания щеток, установленных в щеткодержателе (28). Одна щетка автомобильного генератора соединена с корпусом генератора (массой), а вторая щетка соединена с выводом Ш. Дальнейшее пояснение будет дано по электрической схеме генератора.
Принцип работы автомобильного генератора
Принцип работы автомобильного генератора простой, — как и для всех электрических машин, как их принято называть в целом. Первоначально, при запуске автомобильного двигателя, обмотка возбуждения генератора получает питание от аккумуляторной батареи 5 (рис. 3) и в дальнейшем, во время работы двигателя, данная обмотка питается от выпрямителя 2 (рис. 3). Здесь возникает вопрос: Почему обмотка возбуждения (см. рис. 3) во время работы двигателя получает питание от выпрямителя (2)?
Привод автомобильных генераторов осуществляется от коленвала двигателя, способом ременной передачи. При вращении ротора магнитные силовые линии обмотки возбуждения пересекают обмотку статора, тем самым, в обмотке статора наводится электродвижущая сила — ЭДС. Таким образом, на концах обмоток статора изначально выдается переменное напряжение, которое впоследствии преобразовывается в постоянное, — за счет блока кремниевых диодов выпрямителя тока (позиция 2, рис. 3) и соответственно получается, что обмотка возбуждения ротора (при работе автомобильного двигателя) получает питание от выпрямителя.
Схема автомобильного генератора
Рассмотрим по позициям (рис. 2), из чего состоит схема:
- генератор переменного тока;
- ротор;
- обмотки статора, соединенные по схеме «звезда»;
- блок диодов выпрямителя;
- выключатель зажигания;
7. регулятор напряжения;
Как Вы заметили, в схеме пропущена шестая позиция, — это аккумуляторная батарея. Данная схема автомобильного генератора мною взята из интернета, с которой я не полностью согласен, в отношении позиций (2) и (7). Если далее пояснять, с чем я не согласен, то это будет выглядеть как неверное пояснение.
Рассмотрим другую схему из моих законспектированных записей, по которой можно дать более объективное пояснение. Итак, в схеме (рис. 3) автомобильного генератора переменного тока расставлены следующие пронумерованные позиции:
1-обмотка статора;
2-блок кремниевых диодов выпрямителя тока;
3-выключатель зажигания;
4-регулятор напряжения;
5-аккумуляторная батарея;
8-контактные кольца.
Между контактными кольцами расположена обмотка возбуждения ротора, то-есть, концы обмотки припаяны к контактным кольцам. Один конец обмотки контакта (7) соединен с массой автомобиля, второй конец обмотки возбуждения (8) соединен с регулятором напряжения (4).
Причем здесь два контакта с обозначением Ш, которые указаны в схеме рис.2 ? Вот именно с этим я и не согласен. Как объяснить, где здесь обмотка возбуждения ротора? Как объяснить, с чем соединена обмотка ротора по данной схеме?
Продолжим пояснение схемы (рис. 3). Генератор, как мы видим по схеме, имеет три вывода. Вывод Ш от щетки (8) соединен с выводом Ш регулятора напряжения (4), корпус регулятора напряжения соединен с массой. Провод от анодной группы выпрямителя (2) с отрицательной полярностью соединен с массой. Провод от катодной группы с положительной полярностью этого же выпрямителя соединен с нагрузкой, далее через разветвление, с аккумуляторной батареей и выключателем зажигания.
Каждая отдельная фаза от концов обмоток статора, обмотки которой соединены «звездой», присоединены к блоку кремниевых диодов выпрямителя, где каждая фаза соединена между двумя диодами с разной полярностью.
По схеме автомобильного генератора переменного тока и его принципу работы в общем то все должно быть понятно. Пояснение для этой схемы дано на основании прочитанной технической литературы и законспектированных материалов. Более подробно описывать содержание, допустим, принципа работы блока выпрямителя, — это получится в целом не тема, а что-то иное.
Для питания бортовой сети транспортного средства предусмотрено два источника тока. И водителю очень важно разбираться в принципах работы автомобильного генератора, который наряду с аккумуляторной батареей, предназначен для обеспечения энергией электрооборудования машины.
К надёжности и стабильности устройств такого рода предъявляются жесткие требования.
В Российской Федерации производимое и используемое электрооборудование должно соответствовать ГОСТ Р 52230-2004. Документ устанавливает общие технические условия, которые распространяются и на стартерные аккумуляторы автомобилей. Упомянутый национальный стандарт полностью соответствует международным нормативам, что позволяет использовать на отечественных машинах компоненты иностранного производства.
На заре автомобилестроения и вплоть до 60-х годов прошлого века в бортовых сетях использовались генераторы постоянного тока - капризные и маломощные. С появлением полупроводниковых (селеновых и кремниевых) выпрямителей на машины стали ставить агрегаты переменного тока. Они втрое меньше по массе и при той же нагрузке обеспечивают более высокую стабильность выходного тока.
Для чего в автомобиле нужен генератор?
Генератор используется для поддержания в бортовой сети определенных напряжения и тока. Основное назначение генератора автомобиля состоит в обеспечении устойчивого питания электрооборудования при работающем двигателе – в частности, для:
- Заряда аккумулятора.
- Питания всех потребителей электрического тока в нормальных условиях.
- Питания потребителей совместно с АКБ при экстремальной эксплуатации.
Применение автомобильного генератора позволяет восстанавливать заряд аккумулятора, который расходуется на запуск двигателя при помощи стартера. При этом напряжение в бортовой сети пребывает в строго установленных пределах, превышающих электрохимический потенциал пластин батареи.
Разобравшись в вопросе, для чего нужен генератор в автомобиле, необходимо понять, что в случае отказа агрегата двигатель проработает еще какое-то время за счет аккумулятора. Продлить этот период можно, отключив все второстепенные потребители: вентилятор отопителя, кондиционер, аудиосистему. По исчерпании заряда батареи двигатель заглохнет.
Устройство и конструкция автомобильного генератора
Трехфазные электроагрегаты переменного тока, устанавливаемые на современных машинах, могут быть 2-х видов: стандартный и компактный. Общее устройство автомобильных генераторов 2-х видов одинаково - они состоят из следующих элементов:
- Шкива с валом и подшипниками.
- Ротора с контактными кольцами.
- Обмоток статора.
- Корпуса генератора.
- Регулятора напряжения.
- Выпрямительного устройства.
- Щеточного узла.
Конструкции автомобильных генераторов различаются только особенностями компоновки. При одинаковых электрических параметрах стандартные агрегаты значительно крупнее малоразмерных. Компактность обеспечивается за счет использования современных материалов и технологий.
Вот из чего состоит электрогенератор и какие функции выполняют его компоненты:
- Шкив обеспечивает передачу вращения от коленвала на ротор с помощью ремня.
- Корпус генератора имеет две крышки (переднюю, заднюю) и нужен для соединения элементов в единую конструкцию. На наружной поверхности размещены кронштейны, с помощью которых устройство крепится на двигателе.
- Ротор представляет собой вал, на котором установлены обмотки возбуждения и контактные кольца из электротехнической меди.
- Статор включает в себя магнитопровод из пакета стальных пластин, в которых вырезаны фигурные пазы. В них уложены трехфазные обмотки из одножильного медного провода, где и генерируется ток.
- Регулятор напряжения изготавливается в виде отдельного блока или комбинируется со щеточным узлом. Основное назначение - управление работой генератора путем изменения тока в обмотке возбуждения.
- Выпрямительное устройство по схеме Ларионова состоит из двух частей: алюминиевых теплоотводов, в каждый из которых запрессовано по три силовых диода. Вентили обеспечивают преобразование переменного напряжения в постоянное, что используется в бортовой сети для питания электрооборудования.
- Передача напряжения на обмотку возбуждения производится через специальный узел и цилиндрические контактные кольца. Щетки делаются из специальных сортов графита и устанавливаются в держателе с направляющими, изготовленными из диэлектриков. Для обеспечения плотного контакта они подпружинены, а напряжение на них подается по проводу, запрессованному в основание.
Разбираясь с устройством генератора современного автомобиля, следует выделить в нем механическую и электрическую часть. Первая (к которой относятся шкив и два подшипника ротора) обеспечивает его вращение в корпусе. Вторая часть собственно генерирует электрический ток для запитывания бортовой сети. Описываемая схема автомобильного генератора впервые была применена в изделиях американской фирмы «Невиль» в 1946 году. Такими устройствами комплектовались военные машины и автобусы.
Основные параметры генератора
Основные номинальные параметры определяются исходя из технических требований к конструкции конкретной модели транспортного средства:
- Напряжение. В соответствии с ГОСТ 52230-2004 выбирается из диапазона от 7,14 и до 28 В.
- Ток отдачи.
- Частота возбуждения и самовозбуждения.
Токоскоростная характеристика определяет зависимость номинального тока генератора от частоты его вращения. Напряжение в бортовой сети легковых и коммерческих автомобилей, а также автобусов составляет 12 В, особо мощных и специальных машин - 24 В. Максимальный ток отдачи определяется при частоте вращения ротора в 6 000 мин-1.
Еще одна важнейшая характеристика данного агрегата - КПД. Для современных моделей этот показатель находится на уровне 50-60%.
Как работает автомобильный генератор?
Устройство начинает функционировать только после запуска двигателя стартером, который запитывается напрямую от аккумуляторной батареи. Ключевой принцип работы генератора автомобиля состоит в преобразовании механической энергии в электрическую. На коленчатом валу силового агрегата установлен шкив, который раскручивает через ременную передачу установленный на необслуживаемых подшипниках ротор.
Питание обмотки возбуждения, расположенной на вращающемся якоре, осуществляется от аккумулятора через щеточный узел и контактные кольца. Для защиты батареи от саморазряда подключение производится через специальный выпрямитель, состоящий из трех диодов. Величина напряжения в этой цепи регулируется электронным или электромеханическим стабилизатором, интегрированным или выполненным в виде отдельного устройства.
Вращающийся якорь создает электромагнитные поля, которые индуцируют в обмотках статора переменный ток. Он поступает на выпрямитель, представляющий собой блок диодов. В него входят шесть вентилей: по три отрицательных и положительных. Они обеспечивают преобразование фазного напряжения в линейное. Соединение обмоток генератора осуществляется по схеме «треугольника» или «звезды». В первом случае величина тока в 1,7 раза ниже, нежели во втором. Треугольник применяется на моделях авто повышенной мощности.
Описываемый принцип действия автомобильного генератора обеспечивает поддержание в бортовой сети напряжения в диапазоне от 13,9 до 14,5 В. Точная величина зависит от частоты вращения коленчатого вала и уровня нагрузки. Потребители (например, аккумулятор) к электроагрегату подключаются через вывод «В+».
Для чего в генераторе регулятор напряжения?
При изменении частоты оборотов коленчатого вала и соответственно ротора в бортовой сети могут возникнуть скачки напряжения, которые негативно сказываются на работе потребителей. Скачки устраняются за счет ограничения тока возбуждения, передаваемого через щетки с регулятора напряжения на ротор. Управление осуществляется путем изменения времени подключения обмотки якоря в зависимости от нагрузки на бортовую сеть.
Если возникает неисправность регулятора или повреждение щеточного узла и контактных колец, возможен недозаряд или перезаряд аккумуляторной батареи. Длительная эксплуатация машины с таким дефектом приведет к выходу из строя АКБ.
Неисправность генератора можно определить по индикатору на панели приборов. Горение лампочки заряда аккумулятора после запуска говорит о недостаточном напряжении в сети, а мигание указывает на превышение.
Заключение
Даже самое общее представление об устройстве и принципах работы автомобильного генератора может помочь избежать неисправностей электрооборудования. Генератор начинает работать после запуска двигателя и выполняет функции основного источника тока в автомобиле.
В процессе эксплуатации автомобиля необходимо тщательно следить за натяжением приводного ремня, которое влияет на положение генератора. На ряде современных автомобилей агрегат закреплен прочно, и изношенный клиновый или поликлиновый ремень необходимо сразу менять. Поддержание генератора в исправном состоянии позволит избежать крупных трат на капитальный ремонт авто.
Автомобильный генератор – очень важный элемент машины и без него запуск просто будет невозможен. Так что рассмотрим его характеристики, схему подключения и принцип работы, а также неисправности и пути их устранения.
Устройство и принцип работы
Главная задача этого агрегата – преобразование механической энергии в электрическую, а это зарядка аккумулятора и обеспечение питанием всего оборудования. Генератор автомобиля расположен в передней части двигателя и заводится посредством коленчатого вала. Рассмотрим, какова схема этой установки. Ротор, создающий магнитное поле, представляет собой вал с обмоткой возбуждения, каждая половина которой размещена в противоположных полюсных половинах. Контактные (токосъемные) кольца питают обмотку генератора. Ротор приводится в движение ременными передачами привода. Конструкция статора предполагает наличие сердечника и обмотки, он вырабатывает ток переменного значения, который посредством колец потечет дальше по цепи. Но сначала нужно снять заряд с рамки. Чтобы ток возбуждения попадал на кольца, применяется щеточный узел.
Двигаемся дальше. Выпрямительный блок занимается преобразованием переменного (синусоидального) напряжения, которое вырабатывается генератором автомобиля, и получает характеристику постоянного типа. Он представляет собой пластины, где расположены диоды (6 штук). В некоторых случаях схема подключения обмотки возбуждения содержит еще одну отдельную пару. В этом случае ток не может протекать через аккумулятор при незаведенном движке. А подсоединив обмотку по типу «звезда» и дополнительные силовые диоды (2 шт.), можно увеличить мощность устройства на 15%.
Поддержание напряжения автомобильного генератора в заданных пределах осуществляется посредством регулятора. Он влияет на частоту и продолжительность импульсов тока. Схема регулятора состоит из датчиков и исполнительных элементов. Они определяют, сколько обмотка возбуждения должна быть включена в сеть. При неисправности регулятора исчезает стабилизация подаваемого на АКБ напряжения. Основная часть конструктивных элементов генератора расположена в корпусе, который производится из алюминиевого сплава. Он легкий, быстро рассеивает тепло, отчего температура не достигает критических отметок, и немагнитный.
Типы и характеристики
Существует два основных типа автомобильных генераторов – постоянного и переменного тока. Первые активно использовались до 1960 года. Сегодня агрегаты постоянного тока также встречаются, но только не в легковых авто. В них магнитное поле создается на обмотке статора, а ток снимается неподвижными щетками с силовой обмотки якоря. Схема генератора постоянного тока предусматривает параллельное подключение этих элементов.
Автомобильные генераторы переменного тока были изобретены в 1946 году. Их схема и были рассмотрены выше. Достоинства агрегата переменного тока – меньший вес и габариты, повышенная надежность и срок службы. Самым заметным конструкционным отличием двух типов генераторов являются токосъемные кольца. В устройстве постоянного тока с рамки снимают заряд контактные полукольца (2 штуки). В случае же переменного тока это несколько иначе. На обоих концах рамки разместились полноценные токосъемные кольца. Конечно, эти контактные пластинки не определяют весь принцип работы, но вносят существенный вклад.
Для автомобиля важна мощность. И как раз генератор переменного тока при всех прочих равных условиях имеет этот показатель выше, чем его конкурент.
Разобравшись с устройством автомобильных генераторов, изучим технические характеристики. За обеспечение всех потребителей электроэнергией при разных режимах работы мотора отвечает токоскоростная характеристика (ТСХ). Это зависимость максимального значения тока от частоты вращения ротора при условии постоянного напряжения. Также важно знать, сколько ампер выдает установка автомобильного генератора. Этот показатель колеблется в пределах от 55 до 120 А в зависимости от марки авто. Если же проверка показывает недостаток ампер, то это явный признак неисправности агрегата.
Еще существует внешняя, регулировочная, нагрузочная характеристики и показатель холостого хода. Первая – зависимость выпрямленного (постоянного) напряжения (U d) от тока нагрузки (I н), вторая – I в (возбуждения) от I н. Третья показывает отношение U d к I в, и последнее значение определяется зависимостью ЭДС от I в при частоте вращения постоянного характера.
Проверка неисправного генератора
Сколько поломок, столько и решений, например, в одном случае в генераторе поможет замена диодов, а в другом – куда более значимых деталей. Перечислим основные поломки. Если из строя вышла цепь (обрывы, замыкания и иные нарушения), то делается проверка, сколько ампер и какое напряжение выдает генератор вашего автомобиля, а потом подбирается решение. Также причиной поломки может послужить выход из строя графитовых щеток, регулятора либо моста диодов. Все это легко поменять своими руками.
Особенно важна исправность регулятора, потому что он отвечает за интенсивность зарядки АКБ в зависимости от того, сколько градусов составляет температура под капотом. Это термокомпенсация. Так определяется, сколько вольт будет оптимально для батареи при заданных условиях. Существует тип регулятора с ручным сезонным переключением, тогда даже отрицательная температура не страшна.
Повышенный шум выдает дефекты подшипниковых узлов, в том числе недостаточное количество смазки. Также это может быть износ сепараторов, дорожек качения, проворачивание наружных колец и т. д. Кроме того, при «воющих» звуках в кратчайшие сроки анализируется схема подключения проблемного автомобильного генератора, так как причина может крыться в межвитковом замыкании статорных обмоток либо же тягового реле. Плохие контакты тоже провоцируют появление посторонних звуков, их проверка и вовсе занимает пару минут.
Рабочая температура исправного генератора автомобиля может достигать 90 °С. А если наблюдается перегрев, то либо имеется неисправность моста диодов, либо проверьте, сколько электроприборов в сети, не много ли? Если температура перевалила за норму, изоляция фазной обмотки статора темнеет или даже «закипает». Также о поломках свидетельствует и слабый заряд аккумулятора или же его полное отсутствие, некорректная работа индикации и электрооборудования, слабая искра и чрезмерно большое напряжение. Важно помнить, что чем выше температура агрегата, тем меньше напряжение, такое допускать нежелательно
.
Замена токосъемных колец, диодов и прочий ремонт
Как видим, проблем немало, и для более тщательной диагностики нужно представлять, как можно измерить напряжение генератора автомобиля, амперы и другие его показатели, об этом и поговорим ниже. Начнем с того, что завод-изготовитель выдает паспорт на технические характеристики, в том числе ток, напряжение, мощность и год выпуска агрегата. Если же проверка покажет несоответствие, то необходим ремонт. Также полезна диагностика и в том случае, когда вы приобретаете поддержанный агрегат.
Как узнать мощность, напряжение и ток (амперы) генератора автомобиля, подскажут на любом СТО. Для этого служит специальный стенд, некоторые автовладельцы даже собирают его сами. Например, проверка работоспособности генератора осуществляется с помощью вольтметра. Его показатели должны находиться в пределах 14,8 В. Условия теста регулятора – заведенный двигатель и частота оборотов 3 тысячи в минуту. Согласитесь, организовать это несложно.
Токосъемные кольца приходится менять часто. Благо сделать это можно самостоятельно. Важно только правильно приобрести комплект колец, помогает специальная маркировка. Но даже если вы имеете номер оригинальной запчасти, возьмите в магазин старые кольца, чтобы на месте сверить товар. Сколько приходится слышать об ошибках продавцов или даже каталогов!
Итак, чтобы осуществить замену токосъемных колец генератора, следует демонтировать ротор, снять пластиковый кожух и освободить выводы обмотки. Так освободится подход к хвостовику с кольцами. Теперь производим замену. При этом следите, чтобы при установке колец контакты не остались в пазах, тогда их нужно будет выковырять острым предметом, например, гвоздем. Далее аккуратно забиваем хвостовик молотком. Последним шагом при обновлении колец загибаем контакты и возвращаем на место кожух.
Чтобы поменять диоды, используемые в автомобильном генераторе, нужно демонтировать и разобрать мост. Для этого раскручиваем болтовое соединение и высверливаем все имеющиеся заклепки. Так освободится доступ к пластине, на которой и расположены диоды. Снять их можно ключом на «14». Установить новые диоды после этого вряд ли окажется трудным.
В отечественных авто можно улучшить показатели мощности автомобильного генератора самостоятельно. Заменяют обмотку ротора проводом большего сечения, усиливая ток подмагничивания. Нужно демонтировать старую проволоку, очистить и обезжирить катушки, намотать новый провод и зачистить концы. Затем производится проверка, нет ли короткого замыкания. Далее изолируются все выходы и рабочая обмотка пропитывается специальным раствором, потом припаиваются соединительные провода. В результате получаем тип автомобильного генератора повышенной мощности в домашних условиях.
Устройство автомобильного генератора
По конструктивному исполнению генераторные установки можно разделить на две группы:
- генераторы традиционной конструкции с вентилятором у приводного шкива,
- генераторы компактной конструкции с двумя вентиляторами во внутренней полости генератора.
Обычно "компактные" генераторы оснащаются приводом с повышенным передаточным отношением через поликлиновый ремень и поэтому по принятой у некоторых фирм терминологии, называются высокоскоростными генераторами.
По компоновке щеточного узла различают:
- генераторы, у которых щеточный узел расположен во внутренней полости генератора между полюсной системой ротора и задней крышкой,
- генераторы, где контактные кольца и щетки расположены вне внутренней полости (рис. 1). В этом случае генератор имеет кожух, под которым располагается щеточный узел, выпрямитель и, как правило, регулятор напряжения.
Рис. 1. Генератор переменного тока
Генератор переменного тока содержит статор с обмотками , зажатыми между двумя крышками — передней, со стороны привода, и задней, со стороны контактных колец . Крышки, отлитые из алюминиевых сплавов, имеют вентиляционные окна, через которые воздух продувается вентилятором сквозь генератор.
Основные требования к автомобильным генераторам
1. Генератор должен обеспечивать бесперебойную подачу тока и обладать достаточной мощностью, чтобы:
- одновременно снабжать электроэнергией работающих потребителей и заряжать АКБ;
- при включении всех штатных потребителей электроэнергии на малых оборотах двигателя не происходил сильный разряд аккумуляторной батареи;
- напряжение в бортовой сети находилось в заданных пределах во всем диапазоне электрических нагрузок и частот вращения ротора.
2. Генератор должен иметь достаточную прочность, большой ресурс, небольшие массу и габариты, невысокий уровень шума и радиопомех.
Принцип действия генератора
В основе работы генератора лежит эффект электромагнитной индукции. Если катушку, например, из медного провода, пронизывает магнитный поток, то при его изменении на выводах катушки появляется переменное электрическое напряжение. И наоборот, для образования магнитного потока достаточно пропустить через катушку электрический ток.
- Таким образом, для получения переменного электрического тока требуются катушка, по которой протекает постоянный электрический ток, образуя магнитный поток, называемая обмоткой возбуждения и стальная полюсная система, назначение которой — подвести магнитный поток к катушкам, называемым обмоткой статора, в которых наводится переменное напряжение.
Эти катушки помещены в пазы стальной конструкции, магнитопровода (пакета железа) статора. Обмотка статора с его магнитопроводом образует статор генератора (рис. 3, поз. 1) - неподвижную часть, в которой образуется электрический ток, а обмотка возбуждения с полюсной системой и некоторыми другими деталями (валом, контактными кольцами ) - ротор , вращающуюся часть.
Питание обмотки возбуждения может осуществляться от самого генератора. В этом случае генератор работает на самовозбуждении . При этом остаточный магнитный поток в генераторе, т. е. поток, который образуют стальные части магнитопровода при отсутствии тока в обмотке возбуждения, невелик и обеспечивает самовозбуждение генератора только на слишком высоких частотах вращения. Поэтому в схему генераторной установки, там где обмотки возбуждения не соединены с аккумуляторной батареей, вводят такое внешнее соединение, обычно через лампу контроля работоспособного состояния генераторной установки.
- Ток, поступающий через эту лампу в обмотку возбуждения после включения выключателя зажигания и обеспечивает первоначальное возбуждение генератора. Сила этого тока не должна быть слишком большой, чтобы не разряжать аккумуляторную батарею, но и не слишком малой, т. к. в этом случае генератор возбуждается при слишком высоких частотах вращения, поэтому фирмы-изготовители оговаривают необходимую мощность контрольной лампы — обычно 2...3 Вт.
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
За редким исключением генераторы зарубежных фирм, также как и отечественные, имеют шесть "южных" и шесть "северных" полюсов в магнитной системе ротора. В этом случае частота f в 10 раз меньше частоты вращения я 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 т =p*n дв (i)/ 60
Конечно, в случае проскальзывания приводного ремня это соотношение немного нарушается и поэтому следует следить, чтобы ремень всегда был достаточно натянут.
При р =6 , (в большинстве случаев) приведенное выше соотношение упрощается f т =n дв (i) /10 . Бортовая сеть требует подведения к ней постоянного напряжения. Поэтому обмотка статора питает бортовую сеть автомобиля через выпрямитель , встроенный в генератор.
Обмотка статора генераторов зарубежных фирм, как и отечественных — трехфазная. Она 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 0 (рис. 2). 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 J л . Естественно, выпрямитель выпрямляет те величины, которые к нему подводятся, т. е. линейные.
Рис. 2. Схема генератора переменного тока с выпрямителем
Статор генератора (рис. 3) набирается из стальных листов толщиной 0.8...1 мм, но чаще выполняется навивкой "на ребро". Такое исполнение обеспечивает меньше отходов при обработке и высокую технологичность. При выполнении пакета статора навивкой ярмо статора над пазами обычно имеет выступы, по которым при навивке фиксируется положение слоев друг относительно друга. Эти выступы улучшают охлаждение статора за счет более развитой его наружной поверхности. Необходимость экономии металла привела и к созданию конструкции пакета статора, набранного из отдельных подковообразных сегментов. Скрепление между собой отдельных листов пакета статора в монолитную конструкцию осуществляется сваркой или заклепками.
Рис. 3. Статор генератора:
1 - сердечник, 2 - обмотка, 3 - пазовый клин, 4 - паз, 5 - вывод для соединения с выпрямителем
Практически все генераторы автомобилей массовых выпусков имеют 36 пазов, в которых располагается обмотка статора. Пазы изолированы пленочной изоляцией или напылением эпоксидного компаунда.
Рис. 4. Схема обмотки статора генератора:
А - петлевая распределенная, Б - волновая сосредоточенная, В - волновая распределенная
------- 1 фаза, - - - - - - 2 фаза, -..-..-..- 3 фаза
В пазах располагается обмотка статора, выполняемая по схемам (рис. 4) в виде петлевой распределенной (рис. 4,А) или волновой сосредоточенной (рис. 4,Б), волновой распределенной (рис. 4,В) обмоток. Петлевая обмотка отличается тем, что ее секции (или полусекции) выполнены в виде катушек с лобовыми соединениями по обоим сторонам пакета статора напротив друг друга. Волновая обмотка действительно напоминает волну, т. к. ее лобовые соединения между сторонами секции (или полусекции) расположены поочередно то с одной, то с другой стороны пакета статора. У распределенной обмотки секция разбивается на две полусекции, исходящие из одного паза, причем одна полусекция исходит влево, другая направо. Расстояние между сторонами секции (или полусекции) каждой обмотки фазы составляет 3 пазовых деления, т.е. если одна сторона секции лежит в пазу, условно принятом за первый, то вторая сторона укладывается в четвертый паз. Обмотка закрепляется в пазу пазовым клином из изоляционного материала. Обязательной является пропитка статора лаком после укладки обмотки.
Особенностью автомобильных генераторов является вид полюсной системы ротора (рис. 5). Она содержит две полюсные половины с выступами — полюсами клювообразной формы по шесть на каждой половине. Полюсные половины выполняются штамповкой и могут иметь выступы - полувтулки. В случае отсутствия выступов при напрессовке на вал между полюсными половинами устанавливается втулка с обмоткой возбуждения, намотанной на каркас, при этом намотка осуществляется после установки втулки внутрь каркаса.
Рис. 5. Ротор автомобильного генератора: а - в сборе; б - полюсная система в разобранном виде; 1,3- полюсные половины; 2 - обмотка возбуждения; 4 - контактные кольца; 5 - вал
Если полюсные половины имеют полувтулки, то обмотка возбуждения предварительно наматывается на каркас и устанавливается при напрессовке полюсных половин так, что полувтулки входят внутрь каркаса. Торцевые щечки каркаса имеют выступы-фиксаторы, входящие в межполюсные промежутки на торцах полюсных половин и препятствующие провороту каркаса на втулке. Напрессовка полюсных половин на вал сопровождается их зачеканкой, что уменьшает воздушные зазоры между втулкой и полюсными половинами или полувтулками, и положительно сказывается на выходных характеристиках генератора. При зачеканке металл затекает в проточки вала, что затрудняет перемотку обмотки возбуждения при ее перегорании или обрыве, т. к. полюсная система ротора становится трудноразборной. Обмотка возбуждения в сборе с ротором пропитывается лаком. Клювы полюсов по краям обычно имеют скосы с одной или двух сторон для уменьшения магнитного шума генераторов. В некоторых конструкциях для той же цели под острыми конусами клювов размещается антишумовое немагнитное кольцо, расположенное над обмоткой возбуждения. Это кольцо предотвращает возможность колебания клювов при изменении магнитного потока и, следовательно, излучения ими магнитного шума.
После сборки производится динамическая балансировка ротора, которая осуществляется высверливанием излишка материала у полюсных половин. На валу ротора располагаются также контактные кольца, выполняемые чаще всего из меди, с опрессовкой их пластмассой. К кольцам припаиваются или привариваются выводы обмотки возбуждения. Иногда кольца выполняются из латуни или нержавеющей стали, что снижает их износ и окисление особенно при работе во влажной среде. Диаметр колец при расположении щеточно - контактного узла вне внутренней полости генератора не может превышать внутренний диаметр подшипника, устанавливаемого в крышку со стороны контактных колец, т. к. при сборке подшипник проходит над кольцами. Малый диаметр колец способствует кроме того уменьшению износа щеток. Именно по условиям монтажа некоторые фирмы применяют в качестве задней опоры ротора роликовые подшипники, т.к. шариковые того же диаметра имеют меньший ресурс.
Валы роторов выполняются, как правило, из мягкой автоматной стали, однако, при применении роликового подшипника, ролики которого работают непосредственно по концу вала со стороны контактных колец, вал выполняется из легированной стали, а цапфа вала цементируется и закаливается. На конце вала, снабженном резьбой, прорезается паз под шпонку для крепления шкива. Однако, во многих современных конструкциях шпонка отсутствует. В этом случае торцевая часть вала имеет углубление или выступ под ключ в виде шестигранника. Это позволяет удерживать вал от проворота при затяжке гайки крепления шкива, или при разборке, когда необходимо снять шкив и вентилятор.
Щеточный узел - это пластмассовая конструкция, в которой размещаются щетки т.е. скользящие контакты. В автомобильных генераторах применяются щетки двух типов — меднографитные и электрографитные. Последние имеют повышенное падение напряжения в контакте с кольцом по сравнению с меднографитными, что неблагоприятно сказывается на выходных характеристиках генератора, однако они обеспечивают значительно меньший износ контактных колец. Щетки прижимаются к кольцам усилием пружин. Обычно щетки устанавливаются по радиусу контактных колец, но встречаются и так называемые реактивные щеткодержатели, где ось щеток образует угол с радиусом кольца в месте контакта щетки. Это уменьшает трение щетки в направляющих щеткодержателя и тем обеспечивается более надежный контакт щетки с кольцом. Часто щеткодержатель и регулятор напряжения образуют неразборный единый узел.
Выпрямительные узлы применяются двух типов - либо это пластины-теплоотводы, в которые запрессовываются (или припаиваются) диоды силового выпрямителя или на которых распаиваются и герметизируются кремниевые переходы этих диодов, либо это конструкции с сильно развитым оребрением, в которых диоды, обычно таблеточного типа, припаиваются к теплоотводам. Диоды дополнительного выпрямителя имеют обычно пластмассовый корпус цилиндрической формы или в виде горошины или выполняются в виде отдельного герметизированного блока, включение в схему которого осуществляется шинками. Включение выпрямительных блоков в схему генератора осуществляется распайкой или сваркой выводов фаз на специальных монтажных площадках выпрямителя или винтами. Наиболее опасным для генератора и особенно для проводки автомобильной бортовой сети является перемыкание пластинтеплоотводов, соединенных с "массой" и выводом "+" генератора случайно попавшими между ними металлическими предметами или проводящими мостиками, образованными загрязнением, т.к. при этом происходит короткое замыкание по цепи аккумуляторной батареи и возможен пожар. Во избежание этого пластины и другие части выпрямителя генераторов некоторых фирм частично или полностью покрывают изоляционным слоем. В монолитную конструкцию выпрямительного блока теплоотводы объединяются в основном монтажными платами из изоляционного материала, армированными соединительными шинками.
Подшипниковые узлы генераторов это, как правило, радиальные шариковые подшипники с одноразовой закладкой пластичной смазки на весь срок службы и одно или двухсторонними уплотнениями, встроенными в подшипник. Роликовые подшипники применяются только со стороны контактных колец и достаточно редко, в основном, американскими фирмами. Посадка шариковых подшипников на вал со стороны контактных колец - обычно плотная, со стороны привода - скользящая, в посадочное место крышки наоборот - со стороны контактных колец - скользящая, со стороны привода - плотная. Так как наружная обойма подшипника со стороны контактных колец имеет возможность проворачиваться в посадочном месте крышки, то подшипник и крышка могут вскоре выйти из строя, возникнет задевание ротора за статор. Для предотвращения проворачивания подшипника в посадочное место крышки помещают различные устройства - резиновые кольца, пластмассовые стаканчики, гофрированные стальные пружины и т. п.
Конструкцию регуляторов напряжения в значительной мере определяет технология их изготовления. При изготовлении схемы на дискретных элементах, регулятор обычно имеет печатную плату, на которой располагаются эти элементы. При этом некоторые элементы, например, настроечные резисторы могут выполняться по толстопленочной технологии. Гибридная технология предполагает, что резисторы выполняются на керамической пластине и соединяются с полупроводниковыми элементами - диодами, стабилитронами, транзисторами, которые в бескорпусном или корпусном исполнении распаиваются на металлической подложке. В регуляторе, выполненном на монокристалле кремния, вся схема регулятора размещена в этом кристалле. Гибридные регуляторы напряжения и регуляторы напряжения на монокристалле ни разборке, ни ремонту не подлежат.
Охлаждение генератора осуществляется одним или двумя вентиляторами, закрепленными на его валу. При этом у традиционной конструкции генераторов (рис. 7,а) воздух засасывается центробежным вентилятором в крышку со стороны контактных колец. У генераторов, имеющих щеточный узел, регулятор напряжения и выпрямитель вне внутренней полости и защищенных кожухом, воздух засасывается через прорези этого кожуха, направляющие воздух в наиболее нагретые места - к выпрямителю и регулятору напряжения. На автомобилях с плотной компоновкой подкапотного пространства, в котором температура воздуха слишком велика, применяют генераторы со специальным кожухом (рис. 7,б), закрепленным на задней крышке и снабженным патрубком со шлангом, через который в генератор поступает холодный и чистый забортный воздух. Такие конструкции применяются, например, на автомобилях BMW. У генераторов "компактной" конструкции охлаждающий воздух забирается со стороны как задней, так и передней крышек.
Рис. 7. Система охлаждения генераторов.
а - генераторы обычной конструкции; б - генераторы для повышенной температуры в подкапотном пространстве; в - генераторы компактной конструкции.
Стрелками показано направление воздушных потоков
Генераторы большой мощности, устанавливаемые на спецавтомобили, грузовики и автобусы имеют некоторые отличия. В частности, в них встречаются две полюсные системы ротора, насаженные на один вал и, следовательно, две обмотки возбуждения, 72 паза на статоре и т. п. Однако принципиальных отличий в конструктивном исполнении этих генераторов от рассмотренных конструкций нет.
Привод генераторов
Привод генераторов осуществляется от шкива коленчатого вала ременной передачей. Чем больше диаметр шкива на коленчатом валу и меньше диаметр шкива генератора (отношение диаметров называют передаточным отношением), тем выше обороты генератора, соответственно, он способен отдать потребителям больший ток.
Привод клиновым ремнем не применяется для передаточных отношений больше 1,7-3. Прежде всего это связано с тем, что при малых диаметpax шкивов клиновой ремень усиленно изнашивается.
На современных моделях, как правило, привод осуществляется поликлиновым ремнем. Благодаря большей гибкости он позволяет устанавливать на генераторе шкив малого диаметра и, следовательно, получать более высокие передаточные отношения, то есть использовать высокооборотные генераторы. Натяжение поликлинового ремня осуществляется, как правило, натяжными роликами при неподвижном генераторе.
Крепление генератора
Генераторы крепятся в передней части двигателя болтами на специальных кронштейнах. Крепежные лапы и натяжная проушина генератора находятся на крышках. Если крепление осуществляется двумя лапами, то они расположены на обеих крышках, если лапа одна - она находится на передней крышке. В отверстии задней лапы (если крепежные лапы - две) обычно имеется дистанционная втулка, устраняющая зазор между кронштейном двигателя и посадочным местом лапы.
Выпрямитель 1 содержит шесть диодов VD1 — VD6, образующих два пле-ча: в одном аноды трех диодов VD1 — VD3 соединены с выводом «+» генератора, а в другом катоды диодов VD4 — VD6 - с выводом «-». В принятой на автомобилях однопроводной схеме минусовой вывод соединен с массой. К выпрямителю подведены выводы фазных обмоток статора генератора (на рисунке показано соединение в звезду). Наведенные в обмотках фаз переменные напря-жения иф1 — ифз сдвинуты на 1/3 периода, что характерно для трехфазной системы.
Выпрямитель переменного тока
Диоды выпрямителя при изменении трехфазного напряжения во времени переходят из закрытого состояния в открытое, в результа-те ток нагрузки имеет только одно направление — от вывода «+» генератора к выводу «-».
Рис. 8. Схема генераторной установки (а) и диаграммы напряжений (б):
1-трехфазный мостовой выпрямитель; 2-дополнительный выпрями-тель; 3-регулятор напряжения
Как видно из рисунка 8 б, в момент времени 0, напряжение в об-мотке L1 отсутствует; в обмотке L3 положительное, а в обмотке L2 отрицательное. За положительное напряжение принято направле-ние стрелки к средней точке 0 обмотки статора. Вы-прямленный ток поступает к потребителям в направлении стрелок через находящиеся в открытом состоянии диоды VD3 и VD4.
В момент времени t1 напряжение в обмотке L2 отсутствует, в обмотке L1 положительное, а в обмотке L3 отрицательное. Вы-прямленный ток поступает к потребителям через диоды VD1 и VD5. В каждом плече выпрямителя в течение приблизительно 1/3 периода открыт один диод.
Линейное напряжение при соединении в звезду в 1,73 раза больше, чем при соединении в треугольник. Поэтому при соедине-нии в треугольник в обмотке статора должно быть больше витков, чем при соединении в звезду. Однако ток фазы при соединении в треугольник в 1,73 раза меньше, чем при соединении в звезду. Со-единение обмотки статора в треугольник для генераторов большой мощности позволяет выполнить ее из более тонкого провода.
Выпрямители некоторых генераторов имеют дополнительное плечо, соединенное со средней точкой 0 обмотки статора. Такая схема позволяет увеличить мощность генератора на 15…20% за счет действия третьих гармонических составляющих фазного на-пряжения.
Выпрямленное напряжение Ud имеет пульсирующий характер. Аккумуляторная батарея GB служит своеобразным фильтром, сглаживающим выпрямленное напряжение генератора, при этом ток батареи получается пульсирующим.
В вентильном генераторе диоды выпрямителя не проводят ток от аккумуляторной батареи к обмотке статора, в связи с чем отсут-ствует необходимость в реле обратного тока. Это значительно уп-рощает схему генераторной установки. При длительной стоянке автомобиля возможна разрядка аккумуляторной батареи на обмот-ку возбуждения. Поэтому в некоторых моделях автомобильных ге-нераторов обмотку возбуждения подсоединяют к дополнительному выпрямителю 2. Дополнительный выпрямитель выполнен на трех диодах VD7- VD9, аноды которых соединены с выводом Д. На об-мотку возбуждения в этом случае подается только напряжение от генератора через дополнительный выпрямитель 2 и плечо выпря-мителя 1 с диодами VD4-VD6.
Использование дополнительного выпрямителя имеет и негатив-ную сторону, связанную с самовозбуждением генератора. Генера-тор может самовозбудиться при наличии в нем остаточного маг-нитного потока и достаточно низком сопротивлении цепи возбуж-дения. Поэтому для появления напряжения в рабочем диапазоне частот вращения его ротора в схеме используется контрольная лампа HL обеспечивающая надежное возбуждение генератора.
Существенным недостатком щеточных генераторов, является наличие контактного узла, со-стоящего из электрических щеток и колец, через который к вращающейся обмотке возбуждения подводится ток. Узел этот подвержен изна-шиванию. Пыль, грязь, топливо и масло, попадая на контактный узел, быстро выводят его из строя.
Регуляторы напряжения
Регуляторы поддерживают напряжение генератора в определенных пределах для оптимальной работы электроприборов, включенных в бортовую сеть автомобиля. Все регуляторы напряжения имеют измерительные элементы, являющиеся датчиками напряжения, и исполнительные элементы, осуществляющие его регулирование.
В вибрационных регуляторах измерительным и исполнительным элементом является электромагнитное реле. У контактно-транзисторных регуляторов электромагнитное реле находится в измерительной части, а электронные элементы - в исполнительной части. Эти два типа регуляторов в настоящее время полностью вытеснены электронными.
Полупроводниковые бесконтактные электронные регуляторы, как правило, встроены в генератор и объединены со щеточным узлом. Они изменяют ток возбуждения путем изменения времени включения обмотки ротора в питающую сеть. Эти регуляторы не подвержены разрегулировке и не требуют никакого обслуживания, кроме контроля надежности контактов.
Регуляторы напряжения обладают свойством термокомпенсации - изменения напряжения, подводимого к аккумуляторной батарее, в зависимости от температуры воздуха в подкапотном пространстве для оптимального заряда АКБ. Чем ниже температура воздуха, тем большее напряжение должно подводиться к батарее и наоборот. Величина термокомпенсации достигает до 0,01 В на 1°С. Некоторые модели выносных регуляторов (2702.3702, РР-132А, 1902.3702 и 131.3702) имеют ступенчатые ручные переключатели уровня напряжения (зима/лето).
Принцип действия регулятора напряжения
В настоящее время все генераторные установки оснащаются полупроводниковыми электронными регуляторами напряжения, как правило встроенными внутрь генератора. Схемы их исполнения и конструктивное оформление могут быть различны, но принцип работы у всех регуляторов одинаков. Напряжение генератора без регулятора зависит от частоты вращения его ротора, магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения, а, следовательно, от силы тока в этой обмотке и величины тока, отдаваемого генератором потребителям. Чем больше частота вращения и сила тока возбуждения, тем больше напряжение генератора, чем больше сила тока его нагрузки - тем меньше это напряжение.
Функцией регулятора напряжения является стабилизация напряжения при изменении частоты вращения и нагрузки за счет воздействия на ток возбуждения. Конечно можно изменять ток в цепи возбуждения введением в эту цепь дополнительного резистора, как это делалось в прежних вибрационных регуляторах напряжения, но этот способ связан с потерей мощности в этом резисторе и в электронных регуляторах не применяется. Электронные регуляторы изменяют ток возбуждения путем включения и отключения обмотки возбуждения от питающей сети, при этом меняется относительная продолжительность времени включения обмотки возбуждения. Если для стабилизации напряжения требуется уменьшить силу тока возбуждения, время включения обмотки возбуждения уменьшается, если нужно увеличить — увеличивается.
Принцип работы электронного регулятора удобно продемонстрировать на достаточно простой схеме регулятора типа ЕЕ 14V3 фирмы Bosch, представленной на рис. 9:
Рис. 9. Схема регулятора напряжения EE14V3 фирмы BOSCH:
1 - генератор, 2 - регулятор напряжения, SA - замок зажигания, HL - контрольная лампа на панели приборов
Чтобы понять работу схемы, следует вспомнить, что, как было показано выше, стабилитрон не пропускает через себя ток при напряжениях, ниже величины напряжения стабилизации. При достижении напряжением этой величины, стабилитрон "пробивается" и по нему начинает протекать ток. Таким образом, стабилитрон в регуляторе является эталоном напряжения с которым сравнивается напряжение генератора. Кроме того известно, что транзисторы пропускают ток между коллектором и эмиттером, т.е. открыты, если в цепи "база - эмиттер" ток протекает, и не пропускают этого тока, т.е. закрыты, если базовый ток прерывается. Напряжение к стабилитрону VD2 подводится от вывода генератора "D+" через делитель напряжения на резисторах R1(R3 и диод VD1, осуществляющий температурную компенсацию. Пока напряжение генератора невелико и напряжение на стабилитроне ниже его напряжения стабилизации, стабилитрон закрыт, через него, а, следовательно, и в базовой цепи транзистора VT1 ток не протекает, транзистор VT1 также закрыт. В этом случае ток через резистор R6 от вывода "D+" поступает в базовую цепь транзистора VT2, который открывается, через его переход эмиттер - коллектор начинает протекать ток в базе транзистора VT3, который также открывается. При этом обмотка возбуждения генератора оказывается подключена к цепи питания через переход эмиттер - коллектор VT3.
Соединение транзисторов VT2 и VT3, при котором их коллекторные выводы объединены, а питание базовой цепи одного транзистора производится от эмиттера другого, называется схемой Дарлингтона. При таком соединении оба транзистора могут рассматриваться как один составной транзистор с большим коэффициентом усиления. Обычно такой транзистор и выполняется на одном кристалле кремния. Если напряжение генератора возросло, например, из-за увеличения частоты вращения его ротора, то возрастает и напряжение на стабилитроне VD2, при достижении этим напряжением величины напряжения стабилизации, стабилитрон VD2 "пробивается", ток через него начинает поступать в базовую цепь транзистора VT1, который открывается и своим переходом эмиттер - коллектор закорачивает вывод базы составного транзистора VT2, VT3 на "массу". Составной транзистор закрывается, разрывая цепь питания обмотки возбуждения. Ток возбуждения спадает, уменьшается напряжение генератора, закрываются стабилитрон VT2, транзистор VT1, открывается составной транзистор VT2,VT3, обмотка возбуждения вновь включается в цепь питания, напряжение генератора возрастает и процесс повторяется. Таким образом регулирование напряжения генератора регулятором осуществляется дискретно через изменение относительного времени включения обмотки возбуждения в цепь питания. При этом ток в обмотке возбуждения изменяется так, как показано на рис.10. Если частота вращения генератора возросла или нагрузка его уменьшилась, время включения обмотки уменьшается, если частота вращения уменьшилась или нагрузка возросла - увеличивается. В схеме регулятора (см. рис.9) имеются элементы, характерные для схем всех применяющихся на автомобилях регуляторов напряжения. Диод VD3 при закрытии составного транзистора VT2,VT3 предотвращает опасные всплески напряжения, возникающие из-за обрыва цепи обмотки возбуждения со значительной индуктивностью. В этом случае ток обмотки возбуждения может замыкаться через этот диод и опасных всплесков напряжения не происходит. Поэтому диод VD3 носит название гасящего. Сопротивление R7 является сопротивлением жесткой обратной связи.
Рис. 10. Изменение силы тока в обмотке возбуждения JB по времени t при работе регулятора напряжения:
tвкл, tвыкл - соответственно время включения и выключения обмотки возбуждения регулятора напряжения; n1 n2 - частоты вращения ротора генератора, причем n2 больше n1; JB1 и JB2 - средние значения силы тока в обмотке возбуждения
При открытии составного транзистора VT2, VT3 оно оказывается подключенным параллельно сопротивлению R3 делителя напряжения, при этом напряжение на стабилитроне VT2 резко уменьшается, это ускоряет переключение схемы регулятора и повышает частоту этого переключения, что благотворно сказывается на качестве напряжения генераторной установки. Конденсатор С1 является своеобразным фильтром, защищающим регулятор от влияния импульсов напряжения на его входе. Вообще конденсаторы в схеме регулятора либо предотвращают переход этой схемы в колебательный режим и возможность влияния посторонних высокочастотных помех на работу регулятора, либо, ускоряют переключение транзисторов. В последнем случае конденсатор, заряжаясь в один момент времени, разряжается на базовую цепь транзистора в другой момент, ускоряя броском разрядного тока переключение транзистора и, следовательно, снижая его нагрев и потери энергии в нем.
Из рис.9 хорошо видна роль лампы HL контроля работоспособного состояния генераторной установки (лампа контроля заряда на панели приборов автомобиля). При неработающем двигателе автомобиля замыкание контактов выключателя зажигания SA позволяет току от аккумуляторной батареи GA через эту лампу поступать в обмотку возбуждения генератора. Этим обеспечивается первоначальное возбуждение генератора. Лампа при этом горит, сигнализируя, что в цепи обмотки возбуждения нет обрыва. После запуска двигателя, на выводах генератора "D+" и "В+" появляется практически одинаковое напряжение и лампа гаснет. Если генератор при работающем двигателе автомобиля не развивает напряжения, то лампа HL продолжает гореть и в этом режиме, что является сигналом об отказе генератора или обрыве приводного ремня. Введение резистора R в генераторную установку способствует расширению диагностических способностей лампы HL. При наличии этого резистора в случае обрыва цепи обмотки возбуждения при работающем двигателе автомобиля лампа HL загорается. В настоящее время все больше фирм переходит на выпуск генераторных установок без дополнительного выпрямителя обмотки возбуждения. В этом случае в регулятор заводится вывод фазы генератора. При неработающем двигателе автомобиля, напряжение на выводе фазы генератора отсутствует и регулятор напряжения в этом случае переходит в режим, препятствующий разряду аккумуляторной батареи на обмотку возбуждения. Например, при включении выключателя зажигания схема регулятора переводит его выходной транзистор в колебательный режим, при котором ток в обмотке возбуждения невелик и составляет доли ампера. После запуска двигателя сигнал с вывода фазы генератора переводит схему регулятора в нормальный режим работы. Схема регулятора осуществляет в этом случае и управление лампой контроля работоспособного состояния генераторной установки.
Рис. 11. Температурная зависимость напряжения, поддерживаемого регулятором EE14V3 фирмы Bosch при частоте вращения 6000 мин-1 и силе тока нагрузки 5А
Аккумуляторная батарея для своей надежной работы требует, чтобы с понижением температуры электролита, напряжение, подводимое к батарее от генераторной установки, несколько повышалось, а с повышением температуры - уменьшалось. Для автоматизации процесса изменения уровня поддерживаемого напряжения применяется датчик, помещенный в электролит аккумуляторной батареи и включенный в схему регулятора напряжения. Но это удел только продвинутых автомобилей. В простейшем же случае термокомпенсация в регуляторе подобрана таким образом, что в зависимости от температуры поступающего в генератор охлаждающего воздуха напряжение генераторной установки изменяется в заданных пределах. На рис.11 показана температурная зависимость напряжения, поддерживаемая регулятором EE14V3 фирмы Bosch в одном из рабочих режимов. На графике указано также поле допуска на величину этого напряжения. Падающий характер зависимости обеспечивает хороший заряд аккумуляторной батареи при отрицательной температуре и предотвращение усиленного выкипания ее электролита при высокой температуре. По этой же причине на автомобилях, предназначенных специально для эксплуатации в тропиках, устанавливают регуляторы напряжения с заведомо более низким напряжением настройки, чем для умеренного и холодного климатов.
Работа генераторной установки на разных режимах
При пуске двигателя основным потребителем электроэнергии является стартер, сила тока достигает сотен ампер, что вызывает значительное падение напряжения на выводах аккумулятора. В этом режиме потребители электроэнергии питаются только от аккумулятора, который интенсивно разряжается. Сразу после пуска двигателя генератор становится основным источником электроснабжения. Он обеспечивает требуемый ток для заряда аккумулятора и работы электроприборов. После подзарядки аккумулятора разность его напряжения и генератора становится небольшой, что приводит к снижению зарядного тока. Источником электропитания по-прежнему является генератор, а аккумулятор сглаживает пульсации напряжения генератора.
При включении мощных потребителей электроэнергии (например, обогревателя заднего стекла, фар, вентилятора отопителя и т.п.) и небольшой частоте вращения ротора (малые обороты двигателя) суммарный потребляемый ток может быть больше, чем способен отдать генератор. В этом случае нагрузка ляжет на аккумулятор, и он начнет разряжаться, что можно контролировать по показаниям дополнительного индикатора напряжения или вольтметра.
При установке аккумуляторной батареи на автомобиль убедитесь в правильной полярности подключения. Ошибка приведет к немедленному выходу из строя выпрямителя генератора, может возникнуть пожар. Такие же последствия возможны при запуске двигателя от внешнего источника тока (прикуривании) при неправильной полярности подключения.
При эксплуатации автомобиля необходимо:
- следить за состоянием электропроводки, особенно за чистотой и надежностью соединения контактов проводов, подходящих к генератору, регулятору напряжения. При плохих контактах бортовое напряжение может выйти за допустимые пределы;
- отсоединить все провода от генератора и от аккумулятора при электросварке кузовных деталей автомобиля;
- следить за правильным натяжением ремня генератора. Слабо натянутый ремень не обеспечивает эффективную работу генератора, натянутый слишком сильно приводит к разрушению его подшипников;
- немедленно выяснить причину загорания контрольной лампы генератора.
Недопустимо производить следующие действия:
- оставлять автомобиль с подключенным аккумулятором при подозрении на неисправность выпрямителя генератора. Это может привести к полному разряду аккумулятора и даже к возгоранию электропроводки;
- проверять работоспособность генератора замыканием его выводов на "массу" и между собой;
- проверять исправность генератора путем отключения аккумуляторной батареи при работающем двигателе из-за возможности выхода из строя регулятора напряжения, электронных элементов систем впрыска, зажигания, бортового компьютера и т. д.;
- допускать попадание на генератор электролита, "Тосола" и т. д.