От чего зависит напряжение генератора

Генератор — необходимое устройство, которое применяется как в быту, так и на предприятиях для обеспечения энергией зданий и сооружений в случаях отключения основной электроэнергии. Генераторы бывают дизельные, бензиновые, газовые. Основное их отличие в топливе, которое они используют для своей работы. Давайте рассмотрим систему работы генератора на примере дизельного устройства и поймем, от чего зависит ток и напряжение в нем.

Принцип работы дизельного генератора

Генератор превращает механическую энергию в электрическую. Для того, чтобы электроэнергия появилась, необходимо вращать устройство двигателем. Обмотки вращаются вокруг магнита или самих себя, образуя электрическую силу, которая дает ток на выходе генератора. Любой генератор работает по принципу магнитной индукции, который предполагает появление электроэнергии в проводнике, который движется в магнитном поле. В процессе движения на концах провода возникает разность потенциалов, которая заставляет двигаться заряженные частички, создавая течение тока.

Устройство генератора

Для работы генератора необходимы:

• двигатель, который приводит его в действие;
• регулятор напряжения для стабильности напряжения, вырабатываемого устройством;
• система охлаждения;
• система смазки;
• зарядное устройство для аккумулятора и панель управления;
• глушитель шума.

Устройство двигателя

Двигатель — производит механическую энергию, которую преобразовывает, генератор. От мощности двигателя зависит мощность всей установки.

Если мощность двигателя небольшая, для его работы выгодно использовать бензин. Если же от генератора необходима высокая мощность, то для его запуска используют дизель или газ.

Любой генератор способен работать без заправки — 7 часов.

Напоминаем, на нашем сайте можно купить дизельные, бензиновые и газовые генераторы различного типа, мощности и назначения.

Напряжение, вырабатываемое генератором, зависит от трех параметров:

— частоты вращения ротора n_р;

— силы тока нагрузки I_н;

— магнитного потока Ф генератора.

Чем больше частота вращения ротора генератора, тем выше его напряжение, и чем больше нагрузка (больше значение тока I_н), тем меньше напряжение. Для нормальной работы потребителей необходимо, чтобы напряжение было стабильным независимо от режима работы генератора.

Регулятор напряжения, применяемый с автомобильными генераторами, для поддержания напряжения изменяет силу тока I_в в обмотке возбуждения. С повышением частоты вращения ротора n_р регулятор, стабилизируя напряжение, уменьшает силу тока I_в в обмотке возбуждения, а с ростом тока I_н нагрузки – увеличивается ток I_в (рис 4.5).

Зависимость напряжения генератора и тока в обмотке возбуждения от частоты вращения ротора (а) и тока нагрузки (б)

Система регулирования напряжения генераторной установки (рис.4.6) состоит из регулятора напряжения 1 и генератора 2, который является объектом регулирования. Регулятор, в свою очередь, содержит элементы сравнения 3, регулирующий 4 и измерительный 5. Измерительный элемент 5 воспринимает напряжение генератора U_d и преобразует его в сигнал U_изм , который в элементе сравнения 3 регулятора сравнивается с эталонным заданным значением U_эт. Разность между U_эт и U_изм пропорциональна отклонению напряжения генератора U_d от заданного значения. Если такое отклонение имеет место, то на выходе элемента сравнения 3 появится сигнал U₀. Этот сигнал поступит на вход регулирующего элемента 4, который начнет изменять силу тока возбуждения генератора, а следовательно, и напряжение на выходе генератора до тех пор, пока сигнал не станет равен нулю. При этом сигнал на выходе измерительного элемента равен эталонному значению, а напряжение на выходе генератора – заданному. Таким образом, при любой частоте вращения и нагрузке генератора в диапазоне работы регулятора напряжение генераторной установки практически постоянное.

Функциональная схема регулирования напряжения генератора

В реальных регуляторах эталоном может быть не обязательно электрическое напряжение, а любая достаточно постоянная физическая величина, например, сила натяжения пружины. В таком случае измерительный элемент должен преобразовывать напряжение генератора в пропорциональную ему величину той же физической сущности, что и эталонная величина.

Регуляторы напряжения отличаются только конструктивными признаками, в связи, с чем их подразделяют на бесконтактные, транзисторные, контактно-транзисторные и вибрационные.

4.1.4 Токоскоростная характеристика генератора.

Основными параметрами генера­тора являются напряжение U, частота вращения n_р ротора и мощ­ность Р (или значение тока, отдаваемого генератором при задан­ном напряжении). Номинальные значения напряжения генератора (14 и 28 В) стандартизованы. В связи с непрерывным изменением режима движения автомобиля, а следовательно частоты вращения вала и нагрузки, работа генератора характеризуется токоскоростной характеристикой — зависимостью силы тока l_d, которую может отдать генератор потребителям при заданном напряжении, от час­тоты вращения n_р ротора (рис. 4.7).

Токоскоростная характеристика генератора

Токоскоростная характеристика имеет характерные точки, к которым относятся:

— n₀ — начальная частота вращения без нагрузки. Поскольку обычно снятие характеристики начинают с тока нагрузки (около 2А, то эта точка получается экстраполяцией снятой характеристики до пересечения с осью абсцисс.

— n_ном — номинальная частота вращения, при которой вырабатывается номинальный ток I_ном. Эта частота вращения n_ном = 6000 мин -1 . I_ном — наибольшая сила тока, который генераторная установка должна выработать при частоте вращения n_ном.

— n_max — максимальная частота вращения. При этой частоте вращения генератор вырабатывает максимальную силу тока I_max. Обычно максимальная сила тока мало отличается от номинального I_ном (не более, чем на 10%).

— I_хд — ток отдачи генератора при частоте вращения, соответствующей минимальным устойчивым оборотам холостого хода двигателя. На современных генератоpax ток, отдаваемый в этом режиме, составляет 40-50% от номинального. В этом режиме генератор должен отдавать силу тока, необходимую для питания ряда важнейших потребителей, прежде всего зажигания в карбюраторных ДВС;

— I_dmax — максимальный (номинальный) ток отдачи при частоте вращения ротора 6000 об/мин

— частота вращения n_pн и сила тока I_dн в расчетном режиме (точка расчетного режима определяется в месте касания ТСХ касательной, проведенной из начала координат). Приблизительно расчетное значение силы тока может быть определено как 0,67 I_dmax Расчетному режиму соответствуют максимальный механический момент генератора и в области этого режима наблюдается наибольший нагрев узлов, так как с ростом частоты вращения растет ток генератора и, следовательно, нагрев его узлов, но одновременно возрастает и интенсивность охлаждения генератора вентилятором, расположенным на его валу. При больших частотах вращения над ростом интенсивности нагрева преобладает рост интенсивности охлаждения и нагрев узлов генератора уменьшается.);

Токоскоростная характеристика дает представление о самоограничении вентильного генератора. Вентильные генераторы характеризуются номинальной силой I_ном вырабатываемого тока, ко­торую определяют при частоте вращения ротора n_р=6000 мин Номинальная мощность автомобильного генератора равна произ­ведению номинальной силы тока на номинальное напряжение: Р_ном = I_номU_ном. При большей частоте вращения ротора ввиду конст­руктивных особенностей генератора ток не возрастает.

В технической документации на генераторы часто приводятся значения параметров лишь в отдельных характерных точках токоскоростной характеристики. К ним относится прежде всего точка, соответствующая частоте вращения л_р0 ротора в режиме холостого хода.

Генератор спроектирован так, что нагрев его обмоток, подшип­ников и полупроводниковых элементов при токе I_ном не опасен. Кроме того, узлы генератора нагреваются больше при токе, со­ставляющем примерно (2/3)I_ном. Это объясняется тем, что с увели­чением частоты вращения ротора одновременно возрастает ин­тенсивность охлаждения генератора вентилятором, расположен­ным на его валу. Поэтому в качестве промежуточной точки токоскоростной характеристики, как наиболее опасной по нагреву в вентильных генераторах, чаще всего указывается точка, соответ­ствующая току нагрузки (2/3) I_ном. У зарубежных генераторов и оте­чественных генераторов последних выпусков указывается еще ток при условной частоте вращения, соответствующей режиму холо­стого хода двигателя (1500 или 1800 мин" 1 ).

Значение тока генератора при определенной частоте вращения коленчатого вала двигателя зависит от передаточного числа ре­менной передачи привода генератора. Передаточные числа при­водов генераторов современных автомобилей находятся в преде­лах от 1,5 до 2,4 (большие передаточные числа возможны лишь при приводе генератора поликлиновым ремнем).

Токоскоростные характеристики определяются при температуре узлов генератора, практически равной температуре окружающего воздуха f = (23 ±5)°С и в нагретом состоянии. В последнем случае генератор предварительно нагревают при работе в заданном ре­жиме и температуре окружающего воздуха (23 ±5)°С.

Любой автомобиль имеет свою электрическую сеть, выполняющую несколько функций: запуск двигателя стартером, обеспечение стабильного образования разряда искр для воспламенения бензиновой смеси, звуковой и световой сигнализации, а также освещения и создания комфортных условий в салоне.

Для обеспечения электрической энергией потребителей автомобильной электрической сети предусмотрены два источника питания: генератор и аккумуляторная батарея, которая питает энергией бортовую сеть до момента запуска двигателя. Ее особенностью является неспособность выработки электрического тока, а только его удержания внутри себя, и отдачи потребителям при необходимости. Поэтому аккумуляторная батарея не сможет одна долго обеспечивать электроэнергией сеть автомобиля, так как быстро разрядится, отдав всю энергию. Чем чаще запускается двигатель, и используются мощные потребители тока, тем быстрее произойдет ее разряд.

Для восстановления заряда батареи и обеспечения электричеством остальных потребителей автомобиля применяется автомобильный генератор, который постоянно вырабатывает электроэнергию во время работы двигателя.

Виды автогенераторов

Существует два вида генераторов, применяемых на автомобилях.

1. Генератор постоянного тока на современных автомобилях не используется. Для его работы не требуется выпрямление тока. Ранее применялся на автомобилях Победа, ГАЗ-51 и некоторых других марках, выпущенных до 1960 года.
2. Генератор переменного тока широко применяется на автомобилях в настоящее время. Первые такие генераторы были разработаны в Америке в 1946 году. Это более надежная и современная конструкция. На выходе генератора встроен полупроводниковый выпрямитель.

Устройство и работа

Оба вида генераторов служат для выработки электрического тока, необходимого для эксплуатации автомобиля. Их устройство и принцип работы имеют отличительные особенности, так как они вырабатывают разные виды тока. Рассмотрим конструктивные особенности и принцип действия, которые имеет автомобильный генератор каждого вида.

Автомобильный генератор постоянного тока

Такой автомобильный генератор имеет много недостатков:

• Малая эффективность работы.
• Недостаточная мощность.
• Несовершенная схема подключения.
• Необходим постоянный контроль.
• Частое техническое обслуживание.
• Малый срок службы.

Аналогичные конструкции, включающие в себя коллектор, могут одновременно функционировать в режиме генератора или двигателя. В гибридных автомобилях они нашли широкое применение.

Их отличием от автогенераторов переменного тока является то, что создающие магнитное поле электромагниты абсолютно неподвижны. Электродвижущая сила находится во вращающихся обмотках ротора. Электрический ток снимается с полуколец, изолированных между собой. На каждой щетке имеется напряжение одной полярности.

Автомобильный генератор переменного тока

Это популярная модель современных автогенераторов. Любая конструкция автогенератора включает в себя обмотку, расположенную в неподвижном статоре, который зафиксирован между двумя крышками: задней и передней. Со стороны задней крышки находятся контактные кольца ротора. Со стороны передней крышки находится привод со шкивом. Автомобильный генератор расположен впереди двигателя и крепится с помощью болтового соединения на специальные кронштейны. Натяжная проушина и крепежные лапы расположены на крышках генератора.

Крышки генератора изготовлены литьем из алюминиевых сплавов. Они имеют окна для вентиляции корпуса генератора. В разных конструкциях такие окна могут выполняться как в торцевой части генератора, так и на цилиндрической части над обмотками статора.

На задней крышке закреплен щеточный узел, объединенный с регулятором напряжения, а также блок выпрямителя. Крышки генератора стягиваются длинными винтами, зажимая между собой корпус статора с обмотками.

Статор автогенератора состоит:

Статор изготавливается из листовой стали толщиной 1 мм. Для экономии металла конструкторы создали статор, состоящий из отдельных сегментов в виде подковы. Листы статора скреплены между собой в одну конструкцию с помощью заклепок или сварки. Все основные виды конструкций статора содержат 36 пазов, в которых находится обмотка. Пазы статора изолированы эпоксидным компаундом или специальной пленкой.

Ротор генератора состоит:

Автомобильный генератор имеет особенный вид системы полюсов ротора , состоящей из двух половин, имеющих выступы в виде клюва. На каждой половине имеется шесть полюсов, которые изготавливаются методом штамповки. Полюсные половины напрессовываются на вал. Между ними устанавливается втулка, на которой расположена обмотка возбуждения. Вал ротора обычно изготавливается из автоматной стали низкой твердости. Но при использовании роликового подшипника, который работает на конце вала со стороны задней крышки, вал изготавливают из твердой легированной стали, при этом цапфу вала подвергают закалке. Конец вала имеет резьбу, шпоночный паз для фиксации шкива.

В современных генераторах шпонка не применяется. Шкив фиксируется на валу усилием затяжки гайки. Для облегчения разборки на валу имеется шестигранный выступ для ключа, или углубление.

Щетки автогенератора расположены в щеточном узле и прижимаются к кольцам с помощью пружин.

Автомобильный генератор может оснащаться двумя типами щеток:

1. Меднографитовые.
2. Электрографитовые.

Второй тип обладает значительной потерей напряжения при контакте с кольцом. Это отрицательно влияет на выходные параметры генератора. Положительным моментом является длительный срок службы колец и щеток.

Узел выпрямления используется двух типов

1. Теплоотводящие пластины, в которые запрессованы силовые диоды выпрямителя.
2. Конструкция с большими ребрами охлаждения, на которые припаиваются таблеточные диоды.

Вспомогательный выпрямитель включает в себя диоды в пластиковом корпусе формой в виде горошины или цилиндра, а также могут изготавливаться отдельным герметичным блоком, подключаемым к схеме специальными шинами.

Большую опасность для автогенератора может вызвать короткое замыкание теплоотводящих пластин положительного и отрицательного полюса. Это может произойти из-за случайного попадания металлического предмета или токопроводящей грязи. При этом в цепи аккумулятора возникает замыкание, которое может привести к пожару. Чтобы этого не произошло, многие токопроводящие элементы выпрямителя покрывают слоем изоляции.

В генераторе используются шариковые радиальные подшипники с заложенной в них разовой смазкой и уплотнением. Роликовые подшипники иногда применяются на импортных генераторах.

Охлаждение автогенератора происходит за счет закрепленных на валу лопастей вентилятора. Воздух засасывается в отверстия задней крышки. Существуют и другие способы охлаждения.

На автомобилях, у которых подкапотное пространство слишком плотное, и имеющее большую температуру, используют генераторы с особым кожухом, по которому отдельно поступает прохладный воздух для охлаждения.

Регулятор напряжения

Служит для поддержания напряжения автогенератора в необходимом диапазоне для нормальной работы электрооборудования автомобиля.

Такие регуляторы работают на основе полупроводниковых элементов. Их конструктивное исполнение может быть различным, но принцип их действия не отличается.

Регуляторы напряжения имеют свойство термокомпенсации. Это способность изменять величину напряжения в зависимости от температуры рабочего пространства для наилучшей зарядки аккумулятора. Чем прохладнее воздух, тем выше должно быть подводимое к аккумулятору напряжение.

Работа генератора

При запуске двигателя автомобиля главным потребителем электричества является стартер. При этом сила тока может достичь нескольких сотен ампер. В таком режиме электрооборудование работает только от аккумулятора, который подвержен сильному разряду. После запуска мотора автомобильный генератор является основным источником питания.

Во время работы двигателя происходит непрерывная дозарядка аккумулятора и обеспечивается работа электрических потребителей, подключенных к бортовой сети автомобиля. Если генератор выйдет из строя, то аккумуляторная батарея быстро разрядится. После зарядки напряжение аккумулятора и генератора отличается незначительно, поэтому зарядный ток уменьшается.

При работе мощных электроприборов автомобиля и низких оборотах двигателя, общий ток потребления становится выше способности генератора, поэтому реле напряжения переключает питание на аккумулятор.

Крепление и привод

Генератор приводится в действие с помощью шкива двигателя через ременную передачу. Обороты вращения генератора зависят от диаметра шкива генератора и шкива коленвала двигателя.

Современные автомобили оснащены поликлиновым ремнем, так как он обладает большей гибкостью и может приводить в действие шкивы небольшого диаметра. Это позволяет получить большие обороты генератора. Ремень может натягиваться разными способами, в зависимости от марки автомобиля и конструкции натяжителя. Чаще всего в качестве натяжителя используют специальные ролики.

Неисправности

Автогенераторы представляют собой надежное устройство, однако у них также случаются некоторые неисправности, которые делятся на два вида:

1. Механические неисправности чаще всего возникают вследствие износа деталей: шкива, приводного ремня, подшипников качения, меднографитных щеток. Такие неисправности легко обнаруживаются, так как возникают посторонние шумы, стуки со стороны генератора. Эти поломки устраняют путем замены изношенных деталей, так как восстановлению они не подлежат.
2. Электрические неисправности возникают гораздо чаще. Они могут выражаться в замыкании обмоток статора или ротора, поломке регулятора напряжения, пробое выпрямителя и т.д. До выявления неисправностей такие поломки могут отрицательно повлиять на аккумуляторную батарею. Например, пробитый регулятор напряжения будет постоянно перезаряжать батарею. При этом нет особых внешних признаков. Это выявляется только с помощью замеров напряжения выхода генератора.

Электрические неисправности также устраняются путем замены неисправных деталей новыми. Замыкание в обмотках требует их перемотки, что значительно повышает стоимость ремонта. В торговой сети можно найти запчасти к генераторам, в том числе и корпус статора с обмотками.