СИСТЕМА ЕНЕРГОПОСТАЧАННЯ АВТОМОБІЛЯ

2 Генераторні установки автомобілів

 

Генераторна установка – основне джерело електроенергії на автомобілі, що забезпечує живлення споживачів та заряджання акумуляторної батареї під час роботи двигуна.

Генератор (вентильний) – трифазна синхронна електрична машина змінного струму з електромагнітним збудженням та вбудованим випрямлячем на кремнієвих діодах (вентилях) і електронним регулятором напруги.

Регулятор напруги – пристрій, що підтримує напругу бортової мережі автомобіля в заданих межах при зміні електричного навантаження, частоти обертання ротора генератора і температури навколишнього середовища.

Під терміном генераторна установка розуміють комплекс елементів енергопостачання автомобіля, що складається з вентильного генератора обладнаного регулятором напруги.

Будова

На сьогодні застосовують такі типи генераторів змінного струму: з контактними кільцями й щітками, безконтактні, зокрема індукторні, стартер-генератори та інші з певними особливостями конструкції .

Найбільшого розповсюдження набули так звані вентильні генератори змінного струму з випрямлячем та інтегральним регулятором напруги (рис. 2.1).

Генератор

1 – гайка шківа; 2 – шайба; 3 – шків; 4 – крильчатка; 5 – передня кришка;

6, 8 – дистанційні втулки; 7 – передній підшипник; 9 – шайба; 10 – шпонка;

11 – вал ротора; 12 – ротор; 13 – контактні кільця; 14 – обмотка статора;

15 – статор; 16 – ізоляційна втулка діода випрямного блоку; 17 – пластина випрямного блоку; 18 – щітковий вузол; 19 – щітки; 20 – корпус регулятора напруги і щіткового вузла; 21 – задній підшипник; 22 – кришка заднього підшипника.

 

Рисунок 2.1 – Будова генераторної установки

 

Принцип дії генератора змінного струму ґрунтується на явищах електромагнітної індукції. Магнітний потік у генераторі (рис. 2.2) створюється обмоткою збудження під час протікання в ній постійного електричного струму.

 

N, S – магнітні полюси

Рисунок 2.2 – Схема автомобільного генератора змінного струму:

1 статор; 2 обмотка статора; 3 полюс ротора; 4 обмотка збудження; 5 щітки; 6 – випрямляч

 

Під час обертання ротора під кожним зубцем статора проходить навперемінно то північний, то південний полюс ротора. Магнітний потік протікає через зубці статора, змінюється за величиною й напрямом і перетинає провідники трифазної обмотки, закладеної в пази між зубцями, витках якої індукується змінний струм. Змінний струм генератора перетворюється на постійний за допомогою випрямляча, який має шість діодів (на частині рисунку 2.2 ліворуч), що створюють трифазну мостову схему.

Для забезпечення постійної напруги генератора, коли частота обертання ротора змінюється у широких межах (залежно від частоти обертання колінчатого валу ДВЗ), магнітний потік має змінюватися обернено пропорційно до частоти. Ця зміна досягається зміною сили струму збудження за допомогою регулятора напруги. У сучасних автомобілях застосовують регулятори напруги різних типів, які поділяють на безконтактні транзисторні та інтегральні, контактно-транзисторні, контактно-вібраційні (одно- або двоступеневі).

Недоліком регуляторів контактного типу є нестабільність регулювальної напруги та необхідність обслуговування. Найбільш поширеними є безконтактні транзисторні регулятори напруги виконані за інтегральними схемами у яких зазначений недолік усунений.

 

Интегральный регулятор напряжения 1702.3702-01

 

а

б

Рисунок 2.3 – Безконтактний транзисторний регулятор напруги:

а – загальний вигляд регулятора фірми «ВТН»;

б – принципова схема регулятора фірми «Бош»

 

Обмотка статора генераторів закордонних і вітчизняних генераторів, у більшості, трифазна. Вона складається з трьох частин, званих обмотками фаз або просто фазами, напруга і струми в яких зміщені один щодо одного на третину періоду, тобто на 120 електричних градусів, як це показано на рисунку 2.4. Фази можуть з'єднуватися в "зірку" або "трикутник". При цьому розрізняють фазні і лінійні напруги і струми. Фазні напруги Uф(АВС) діють між кінцями обмоток фаз. Фазні струми Iф протікають в цих обмотках, лінійні ж напруги Uл діють між провідниками, що сполучають обмотку статора з випрямлячем. У цих провідниках протікають лінійні струми Іл. Природно, що випрямляч випрямляє ті величини, які до нього підводяться, тобто лінійні.

Змінний струм генератора перетворюється на постійний за допомогою випрямляча, який має шість діодів (рис. 2.4, а), що створюють трифазну мостову схему. Перша група – це діоди VD1, VD3 і VD5, катоди яких з'єднані між собою, створюють позитивний полюс випрямленої напруги, друга група – діоди VD2, VD4 і VD6, аноди яких з'єднані між собою, створюють негативний полюс випрямленої напруги.

 

Рисунок 2.4 – Трифазний генератор: а схема генератора змінного струму з випрямлячем; б графік зміни напруги у часі

У кожний момент часу працюють два діоди – по одному з кожної групи. В першій групі струм проводить той діод, анод якого перебуває під найбільшим потенціалом; у другій групі струм проводить діод, катод якого перебуває під найменшим потенціалом.

Наприклад, в інтервалі часу tl...t2 струм протікає від фази А до фази В через діод VD1, що має найбільший потенціал аноду в першій групі, навантаження RH та діод VD4, який має найменший потенціал у другій групі. В момент tz замість діода VD4 починає працювати діод VD6, а діод VD1 проводить струм ще 1/6 періоду до моменту t3, потім на заміну діода VD1 приступає до роботи діод VD3. Отже, кожний діод пропускає струм протягом однієї третини періоду.

Трифазна мостова схема випрямлення струму забезпечує відносно невеликі пульсації випрямлення напруги. Так, випрямлена напруга визначається координатами між верхніми та нижніми дугами фазних напруг UA, UB та UС (рис. 2.4, б). Тому випрямлена напруга – Ud пульсуюча, і частота пульсації в 6 разів більша, ніж частота змінної напруги, тобто

 

fn = 6f= (6pn)/60 = 0,1 pn,

 

де fn, f – частота пульсацій та частота змінної напруги

pкількість пар полюсів

nчастота обертання ротора генератора,

Частота змінної напруги f залежить від частоти обертання ротора генератора n і числа його пар полюсів р:

 

f=pn/60

 

Генератори закордонних фірм, також як і вітчизняні, мають шість "південних" і шість "північних" полюсів в магнітній системі ротора. В цьому випадку частота f в 10 разів менше частоти обертання ротора генератора.

На рисунку 2.5 показаний вплив роботи регулятора на силу струму в обмотці збудження для двох частот обертання ротора генератора n1 і п2, причому частота обертання п2 більше, ніж п1. При більшій частоті обертання відносний час включення обмотки збудження в ланцюг живлення транзисторним регулятором напруги зменшується, середнє значення сили струму збудження зменшується, ніж і досягається стабілізація напруги.

Влияние работы регулятора на силу тока в обмотке возбуждения

Рисунок 2.5 – Зміна струму в обмотці збудження за різної частоти обертання ротора п(n2>n1), τувім і τвимк період часу увімкненого та вимкненого стану регулятора

 

 

Із зростанням навантаження напруга зменшується, відносний час включення обмотки збільшується, середнє значення сили струму зростає таким чином, що напруга генераторної установки залишається практично незмінною.

На рисунку 2.6 представлені типові регулювальні характеристики генераторної установки, що показують, як змінюється сила струму в обмотці збудження при незмінній напрузі і зміні частоти обертання або сили струму навантаження. Нижня межа частоти перемикання регулятора складає 25-30 Гц.

Регулировочные характеристики генераторной установки

Рисунок 2.6 – Залежності напруги генератора і сили струму обмотки збудження від: а – частоти обертання п, б – сили струму навантаження

График зависимости температурной компенсации

Рисунок 2.7 – Температурна залежність напруги, підтримуваної регулятором фірми Bosch при частоті обертання 6000 хв-1 і силі струму навантаження 5А.

 

Акумуляторна батарея для своєї надійної роботи вимагає, щоб з пониженням температури електроліту, напруга, що підводиться до батареї від генераторної установки, дещо підвищувалася, а з підвищенням температури – зменшувалося. Для автоматизації процесу зміни рівня підтримуваної напруги на деяких автомобілях застосовується датчик, поміщений в електроліт акумуляторної батареї і включений в схему регулятора напруги. У простому ж випадку термокомпенсация в регуляторі підібрана таким чином, що залежно від температури поступаючого в генератор охолоджуючого повітря напруга генераторної установки змінюється в заданих межах (рис. 2.7).

Характеристики генераторних установок

Основними технічними характеристиками генераторів є напруга, частота обертання ротора та потужність або сила струму при заданій напрузі.

Як правило, автомобілі з бензиновими двигунами мають генератори з номінальною напругою 14 В, а автомобілі з дизельними двигунами – генератори з напругою 28 В. Електричні характеристики генераторів змінного струму характеризують їхні якості і являють собою залежність будь-якого параметра від іншого, якщо решта незмінні.

Характеристика холостого ходу (рис. 2.8) – це залежність ЕРС генератора від струму збудження Е = f (Iз), при п = const; Ін = 0. За цією характеристикою визначається початкова частота обертання ротора генератора, при якій напруга генератора досягає розрахункового значення.

Рисунок 2.8Характеристика холостого ходу

 

 

Швидкісна характеристика – це залежність ЕРС генератора від частоти обертання його ротора (рис. 2.9). ЕРС генератора змінюється пропорційно частоті обертання ротора:

ЕГ = сФп,

де с – конструктивна стала величина; п – частота обертання ротора.

Напруга генератора – UГ = EГ - IГZо, де ІГ – струм генератора; Zo – повний опір генератора.

Рисунок 2.9 – Характеристика залежності ЕРС генератора змінного струму від числа обертів

 

Швидкісна регулювальна характеристика – це залежність струму збудження І3 від частоти обертання ротора – І3= f(n), при U = const і ІН = const (рис. 2.10). Оскільки автомобільним генераторам надається рух двигунами внутрішнього згоряння, то частота обертання їхніх колінчастих валів змінюється в широкому діапазоні. Швидкісна регулювальна характеристика показує, яким чином потрібно міняти струм збудження генератора, щоб напруга генератора залишалась незмінною при зміні частоти обертання ротора генератора.

Рисунок 2.10 – Швидкісна регулювальна характеристика

 

 

Зовнішня характеристика (рис. 2.11) – це залежність напруги генератора від струму навантаження UГ = f(IH) при постійній частоті обертання п = const і визначеному значенні струму збудження ІЗ,. Зниження напруги при збільшенні навантаження на генератор відбувається через спад напруги в активному та індуктивному опорі обмоток статора, розмагнічувальної дії реакці якоря, а також внаслідок спаду напруги у випрямному колі:UГ = EГ - IГzo-ΔUB

де zо– повний onip якоря; ΔUB спад напруги на випрямлячі.

Рисунок 2.11 – Зовнішня характеристика генератора

 

Струмошвидкісна характеристика (рис. 2.12) – це залежність струму навантаження генератора IH  від частоти обертання його якоря IH = f(п) UГ = const.

 

Рисунок 2.12 – Струмошвидкісна характеристика генераторів:

1 змінного струму; 2 постійного струму

 

Генераторам змінного струму властиві якості самообмеження максимальної сили струму навантаження, що запобігає нагріванню обмотки статора та діодів, а тому виключає потребу встановлення обмежувача струму.

Зі збільшенням сили струму навантаження збільшуватиметься магнітний потік статора, а внаслідок протидії магнітному потоку ротора (збудження) результуючий магнітний потік зменшуватиметься, що призводитиме до зниження ЕРС. Крім того, збільшення частоти обертання ротора супроводжується підвищенням частоти струму в котушках обмотки статора, що сприяє збільшенню індуктивного опору обмотки

Струм генератора змінного струму:

ІГГ/Zo

де Zo – повний опір; RГ – активний опір генератора; RH – опір навантаження; xL – індуктивний опір,

де f – частота струму; р – кількість пар полюсів; L – індуктивність; п – частота обертання ротора.

Тоді

За малої частоти обертання індуктивна складова опору Сх2п2 мала порівняно з активною складовою (RГ+RН)2 і нею можна знехтувати. При цьому струм зростатиме пропорційно частоті обертання:

Зі збільшенням частоти обертання індуктивна складова зростає й стає значно більшою, ніж активна складова, якою можна знехтувати. При цьому струм не залежить від частоти обертання:

 за

Отже, зі збільшенням частоти обертання ротора обмежується максимальна сила струму генератора.

 

Експлуатація генераторних установок, несправності, технічне обслуговування

Якщо розглядати несправності механічної частини генераторної установки, то найбільш поширеними є спрацювання, пошкодження, руйнування елементів: -  приводу (пасова передача, вал ротора та ін.); - щіткового вузла (щітки, контактні кільця); - корпусних деталей (кришки та ін.); - підшипникового вузла;

Несправності електричної та електронної частини зумовлені втратою чи відхиленням номінальних електричних характеристик: -  обрив; - недостатній контакт (окислення та ін.); - міжвиткове замикання в обмотках; - замикання на корпусні елементи; - несправність напівпровідникових елементів випрямного блоку та регуляторів напруги.

Під час експлуатації генераторні установки обслуговуються згідно переліку робіт відповідно регламенту технічного обслуговування. Після виявлення несправностей, під час перевірки генераторної установки на автомобілі чи стендових випробуваннях, приймається рішення про проведення ремонту агрегату.

Якість роботи генераторної установки впливає на стан і роботу всієї системи енергопостачання. Справність генераторної установки визначається за вихідними характеристиками під час різних видів діагностування та випробування.

Будова закордонних і вітчизняних генераторів є схожою, однак слід звернути увагу на технічні характеристики, особливості конструкції та виконання електросхем.

Перспективи розвитку генераторних установок

На сьогодні розвиток і удосконалення генераторних установок спричинений загальними вимогами такими як підвищення потужності (в тому числі шляхом збільшення напруги бортової мережі), зменшення масово-габаритних показників, збільшення ресурсу та зменшення обслуговування, забезпечення необхідних параметрів за різних режимів роботи (частота обертання, температура, прискорення, навантаження).

Більш надійні та довговічніші в роботі, безконтактні генератори які не мають контактних кілець та щіток, зокрема індукторні електромагнітні генератори, генератори з укороченими полюсами ротора (рис. 2.13).

Рисунок 2.13 – Безконтактний генератор: 1, 6 кришки;

2 випрямний блок; 3 вузол обмотки збудження; 4 статор;

5 ротор; 7 шків; 8 вентилятор

 

До вад належить дещо більша, ніж у контактних генераторів, маса за тієї ж самої потужності. Важко кріпити обмотку збудження, зменшується її жорсткість та міцність.

На автомобілях з дизельними двигунами може застосовуватися генераторна установка на два рівні напруги 14/28 В (рис. 2.14). Другий рівень 28 В використовується для зарядки акумуляторної батареї, що працює при пуску ДВЗ. Для, отримання другого рівня використовується електронний подвоювач напруги або трансформаторно-випрямний блок (ТВБ), як це показано на рис, 3.6, р. У системі на два рівні напруги, регулятор стабілізує тільки перший рівень напруги 14 В. Другий рівень виникає за допомогою трансформації і подальшого випрямляння ТВБ змінного струму генератора. Коефіцієнт трансформації трансформатора ТВБ близький до одиниці.

 

Рисунок 2.14 – Генераторна установка на два рівні напруги

 

Генераторні установки можуть бути виконані у комплексі з іншим обладнанням. Наприклад генератор-вакуумний насос (рис.2.15), стартер-генератор (рис.2.16), генератор-електродвигун (гібридна схема).

 Генератор дизельного двигателя Hyundai Elantra

Рисунок 2.15 – Генератор з вбудованим вакуумним насосом: 1 – статор; 2 – ротор; 3 – задня кришка; 4 – щітка; 5 – електронний регулятор напруги; 6 – випрямляч; 7 – шків; 8 – передня кришка; 9 – вакуумний насос

 

Рисунок 2.16 – Стартер-генератор фірми Bosch: кінематична схема (а) та загальний вигляд статора і ротора асинхронної електричної машини (в); схема (б) навісної установки стартер-генератора:

1 – стартер-генератор; 2 – ДВЗ; 3 – системи керування;

4 – асинхронна електромашина; 5 – КПП; 6 – зчеплення; 7 – пасова передача; 9 – електромашина з магнітною системою аналогічною класичному генератору змінного струму

Стабільність характеристик роботи генераторної установки досягається також використанням конструкційних особливостей, наприклад муфт вільного ходу в шківах генераторів для зменшення пульсацій приводу, застосування багаторядних клинових пасових передач, рідинне охолодження та ін.

Застосування в регуляторі напруги електроніки і особливо, мікроелектроніки, тобто застосування польових транзисторів або виконання всієї схеми регулятора напруги на монокристалі кремнію, вимагає введення в генераторну установку елементів захисту її від сплесків високої напруги, виникаючих, наприклад, при раптовому відключенні акумуляторної батареї, скиданні навантаження.

Такий захист забезпечується тим, що діоди силового моста замінені стабілітронами. Відмінність стабілітрона від випрямного діода полягає у тому, що при дії на нього напруги у зворотному напрямі він не пропускає струм лише до певної величини цієї напруги, званої напругою стабілізації. Звичайно в силових стабілітронах напруга стабілізації складає 25…30В. Досягши цієї напруги стабілітрони "пробиваються ", тобто починають пропускати струм у зворотному напрямі, причому в певних межах зміни сили цього струму напруга на стабілітроні, а, отже, і на виводі "+" генератора залишається незмінним, що не досягає небезпечних для електронних вузлів значень. Властивість стабілітрона підтримувати на своїх виводах постійність напруги після "пробою "використовується і в регуляторах напруги.