ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. Генератор переменного тока принцип работы генератора переменного тока

• Название: Генератор переменного тока принцип работы генератора переменного тока
• Анкор: ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
• Дата: 12.10.2022
• Размер: 3.34 Mb.
• Имя файла: ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.docx
• Тип: Документы; #730275

ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

ПРИНЦИП РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА



Генератор переменного тока состоит из двух основных частей: статора с неподвижной обмоткой, в которой индуцируется переменный ток, и ротора, создающего изменяющееся (подвижное, переменное) магнитное поле.

Магнитное поле ротора может создаваться постоянным магнитом или электромагнитом. Второй вариант применяется в автомобильных ГПТ. В этом случае к обмотке возбуждения электромагнита подводится постоянное напряжение. Применение в роторе электромагнитов усложняет конструкцию генератора, т.к. приходится подводить напряжение к вращающейся детали, зато это позволяет регулировать магнитный поток, создаваемый ротором путём изменения тока в обмотке возбуждения.



Упрощённая схема генератора переменного тока.

В щеточном вентильном генераторе магнитный поток создается обмоткой возбуждения 4 при протекании по ней электрического тока и системой полюсов 3. В автомобильных генераторах их, как правило, двенадцать. Полюса с обмоткой возбуждения, кольца, через которые ток подводится к обмотке возбуждения, вал и некоторые другие конструктивные элементы образуют вращающийся ротор. Обмотка 2, в которой вырабатывается электрический ток, уложена в пазы неподвижного магнитопровода 1. Вместе с магнитопроводом она представляет собой статор. Обмотка 2 статора состоит из трех независимых обмоток фаз. Наиболее распространенные автомобильные генераторы имеют 18 или 36 пазов. В каждой обмотке фаз имеется по шесть или двенадцать катушек, включенных последовательно. Если обмотка фазы образована из двух параллельных ветвей, то в каждой ветви расположено по шесть катушек. Обмотки могут быть соединены между собой в звезду или треугольник.

Полюса ротора и магнитопровод статора изготовлены из стали, которая не оказывает существенного сопротивления прохождению основного магнитного потока. При вращении ротора у катушек обмоток фаз статора последовательно находятся то северный N, то южный S полюса ротора, а магнитный поток изменяется по величине, что по закону Фарадея достаточно для появления на выводах обмоток фаз переменного электрического напряжения.



Частота напряжения f связана с частотой n_р вращения ротора и числом р пар полюсов ротора простым соотношением:

f = pn_р /60

В отечественных автомобильных вентильных генераторах число пар полюсов р = 6, поэтому частота их переменного тока в 10 раз меньше частоты вращения ротора.

ЭДС, индуцируемую в обмотках фазы, можно рассчитать по формуле:

Е_ф=4.44ƒωk_обФ

где ƒ - частота тока,

ω - число витков обмотки одной фазы,

k_об - обмоточный коэффициент, зависит от числа пазов статора,

k_об =z/2pm, где z – число пазов, m – число фаз.

Ф – магнитный поток.

Из этих формул видно, что ЭДС прямо пропорциональна частоте вращения ротора и магнитному потоку. При движении автомобиля частота вращения коленчатого вала при холостом ходе у современных двигателей составляет 500-600 об/мин, максимальная частота 4000-5000 об/мин. Таким образом, кратность изменения частоты вращения двигателя, а следовательно, и вала генератора может достигать 8-10. Напряжение генератора зависит от частоты вращения его вала. Чем выше частота, тем больше напряжение генератора. Однако все приборы электрооборудования рассчитаны на питание от постоянного напряжения 12В. Поддержание постоянства напряжения генератора независимо от изменения частоты вращения и нагрузки генератора (включение потребителей) выполняет регулятор напряжения, изменяя магнитный поток.



На выходе генератора нам необходимо получить постоян­ный ток - на той самой резьбо­вой шпильке, к которой прикру­чены провода потребителей, в том числе батареи. Для этого ге­нератор дополнили выпрямите­лем - диодным мостом (фото 2 и рис. 3).



Процессы в генераторе пока­заны на рис. 2. Нижняя полуволна напряжения на каждой обмотке «перевертывается» и становится положительной. Результирующая картина - слегка пульсирующее напряжение. Полярность подключения диодов, собствен­но, и определяет полярность сети автомобиля. В нашем примере на «массе» - минус, как на рис. 3. На некоторых старых авто «плюсом» может быть корпус.

А для чего в схеме на рис. 3 появился конденсатор С? Его емкость обычно 2,2 мкФ. Он еще больше сглаживает колебания выходного напряжения и гасит радиопомехи, вызванные работой обмоток.

УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА








Ротор генератора (фото 1) приводится во вращение клиноременной передачей от шкива коленчатого вала. На вал ротора напрессованы клю-вообразные полюсы из электротехнической стали - вместе с валом они образуют своеобразный сердечник электромагнита. Между полюсами помещена обмотка возбуждения 2. Ее концы выведены через отверстия в полюсе и припаяны к контактным кольцам 3. Питание к кольцам подведено через угольные щетки.

На валу ротора обязательно закреплена крыльчатка охлаждения генератора 5; в некоторых конструкциях она объединена со шкивом привода генератора.


Статор. В основе корпуса набор из тонких пластин электротехнической стали - они связаны сваркой. На внутренней стороне корпуса образованы 36 полузакрытых пазов, в которые уложена трехфазная обмотка и закреплена - чаще всего пластмассовыми трубками, иногда деревянными клинышками. Обмотка изолирована. В каждой фазной обмотке шесть катушек - и эти обмотки соединены в «звезду».



Сердечник 21 статора с обмоткой 22 закреплен в генераторе между двумя крышками 1 и 19, выполненными из алюминиевого сплава и стянутыми болтами. На дистанционной втулке 17 закреплен вентилятор 15 с приводным шкивом. В крышке со стороны привода между двумя стальными фланцами зажата наружная обойма шарикоподшипника 18, не требующего пополнения смазочного материала при эксплуатации. На наружном фланце над втулкой шкива имеется выступ, благодаря чему образуется своеобразный лабиринт, препятствующий попаданию пыли и грязи в подшипник.
На крышке помещена шпилька 14 с резьбой для закрепления планки натяжения ремня. Со стороны контактных колец 5 на крышке смонтированы интегральный регулятор напряжения 12 со встроенным в него щеткодержателем, выпрямительный блок 2 с диодом силового выпрямителя 3 и болтом крепления выпрямительного блока 4, помехоподавительный конденсатор 7 и все выводы генератора.

Интегральный регулятор напряжения прикреплен к крышке винтами. В направляющих отверстиях щеткодержателя, выполненного из пластмассы, установлены две щетки 13, прижатые к контактным кольцам пружинами.
Выпрямительный блок 2 крепится к крышке тремя изолированными от нее болтами. К этим же болтам подключены выводы трех обмоток фаз генератора. Блок содержит силовой и дополнительный выпрямители, диоды которого размещены в пластмассовой подковке. В выступе крышки расположен шарикоподшипник 6. Глухая наружная сторона выступа крышки препятствует прямому попаданию грязи, пыли и воды в подшипник. Чтобы наружная обойма подшипника не проворачивалась в гнезде, что обусловливает перегрев подшипника, выработку гнезда, а следовательно, выход подшипника из строя, в проточку выступа вставлено резиновое кольцо.
Ротор генератора состоит из двух полюсных половин 16 и 23, в каждой из которых находится по шесть клювообразных полюсов и полувтулка. Цилиндрическая обмотка возбуждения 20, намотанная теплостойким проводом на каркас, размещена между полюсными половинами. Концы обмотки возбуждения выведены на медные контактные кольца, расположенные на валу 8 ротора. На валу ротора закреплены шкив привода генератора и центробежный вентилятор, предназначенный для охлаждения генератора. Детали шкива и вентилятора, штампованные из стального листа, сварены между собой и с втулкой шкива.
Генератор имеет три вывода: 30—силовой вывод «+» генератора в виде винта 9, закрепленного на положительном теплоотводе выпрямителя; 61 (иногда «15») вывод «+» дополнительного выпрямителя обмотки возбуждения; В — вывод регулятора напряжения 11. Последние два вывода выполнены в виде штекеров. Для снижения уровня радиопомех, излучаемых генератором, на его крышке со стороны контактных колец закреплен конденсатор 7, подключенный к выводу 30.

Генератор может не иметь встроенного интегрального регулятора напряжения, тогда в нем предусмотрен вывод 67 (Ш) обмотки возбуждения для подключения к регулятору. В схемах генераторов могут отсутствовать дополнительный выпрямитель и вывод средней точки обмотки статора. Вместо шпильки для закрепления натяжной планки часто применяется отверстие в натяжном ушке крышки.
Выпрямительные блоки. В современных генераторах выпрямители устанавливают в виде единого блока, соединенного с обмоткой статора генератора. Общим для всех выпрямительных блоков является то, что они собраны по мостовой схеме. На отечественных генераторах применяют блоки двух типов — БПВ и ВБГ.



Рис.1.29.Выпрямительный блок БПВ:
а—внешний вид; б—устройство; 1—силовой выпрямитель; 2—дополнительный выпрямитель обмотки возбуждения; 3— крышка генератора; 4— диод обратной полярности Д104-20Х; 5— теплоотвод, не изолированный от массы; 6—вывод обмотки статора генератора; 7—болт крепления блока; 8— монтажная шина; 9— диод прямой полярности Д104-20; 10— теплоотвод, изолированный от массы .
Общим для всех блоков типа БПВ является то, что силовыми выпрямительными элементами в них являются диоды прямой (Д104-20) и обратной (Д104-20Х) полярности, корпуса которых выполнены под запрессовку в теплоотвод. Эти диоды конструктивно одинаковы, но применять один вместо другого ни в коем случае нельзя, так как у диода прямой полярности Д104-20 на корпусе расположен катод, а у диода обратной полярности Д104-20Х — анод. Максимально допустимый прямой ток, проходящий через диоды, составляет 20 А. Падение напряжения на диоде в прямом направлении при этом токе не должно превышать 1,4 В, максимальное обратное напряжение — 150 В, обратный ток при максимальном обратном напряжении должен быть не более 5 мА.

Диоды запрессованы в алюминиевые пластины - теплоотводы. В теплоотвод 5, не изолированный от массы генератора, запрессовывают диоды Д104-20Х обратной полярности, а в изолированный теплоотвод 10, соединенный с выводом «+» — диоды прямой полярности Д104-20. Теплоотводы соединены в монолитную конструкцию через изоляционные втулки заклепками. Выводы диодов прямой и обратной полярности соединены жесткими монтажными шинами 8, подключающими их к выводам 6 обмотки статора на болтах 7, крепящих блок к генератору.

Теплоотвод с диодами обратной полярности соединен с крышкой 3 генератора, а в теплоотвод с диодами прямой полярности вставляется болт, являющийся выводом «+» генератора.

Выпрямительный блок имеет пластмассовую подковку, в которой размещены диоды, образующие дополнительный выпрямитель 2 обмотки возбуждения. Некоторые типы блоков дополнительного выпрямителя не имеют. Известно, что ток, протекающий через отдельный диод в мостовой трехфазной схеме, равен току выпрямителя, деленному на число фаз, т. е. в трехфазной системе — на три. Поэтому в случае использования блоков типа БПВ в генераторах, номинальный ток которых превышает 60 А, в блоках приходится применять 12 диодов, включая их по два параллельно. Исключение составляют блоки, в которых для обеспечения повышенного значения тока, устанавливаются диоды рассчитанные на больший допустимый ток, например Д104-25 и Д104-35 на токи 25 и 35 А. Вместо диодов в выпрямительных блоках могут применяться стабилитроны, осуществляющие, кроме выпрямительных функций, защиту от опасных всплесков напряжения.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Основными параметрами генератора являются напряжение U, частота вращения n_p ротора и мощность Р, (или значение тока, отдаваемого генератором при заданном напряжении).

Номинальные значения напряжения генератора (14 и 28 В) стандартизованы и могут быть достигнуты при оборотах ротора n_р0 – начальная (минимальная) частота вращения ротора (рис.1.22,а).

Частота вращения ротора n_p при контрольной нагрузке током Iк.

Вырабатываемая генератором ЭДС и напряжение при постоянной нагрузке находятся в прямой зависимости от оборотов ротора генератора.

Рис. 1.22, а Зависимость напряжения на выходе генератора от оборотов его ротора.

В связи с непрерывным изменением режима движения автомобиля, а следовательно частоты вращения вала и нагрузки, работа генератора характеризуется токоскоростной характеристикой — зависимостью силы тока которую может отдать генератор потребителям при заданном напряжении, от частоты вращения n_p ротора (рис.1.22,б).

Р ис. 1.22, б Токоскоростная характеристика генератора переменного тока.

Токоскоростная характеристика дает представление о самоограничении вентильного генератора.

Генераторы характеризуются номинальной силой вырабатываемого тока I ном., которую определяют при частоте вращения ротора n_p = 5000 минˉ¹. В таком режиме при U=13 В сила тока нагрузки должна составлять не менее 40…55 А

Номинальная мощность автомобильного генератора равна произведению номинальной силы тока на номинальное напряжение:

Pном= Iном*Uном.

При большей частоте вращения ротора ввиду конструктивных особенностей генератора ток не возрастает, т.к. генераторы переменного тока обладают свойством самоограничения максимальной силы тока при увеличении числа подключенных потребителей и возрастании частоты вращения ротора. Это обусловлено следующими причинами.

1. 
   При возрастании числа потребителей увеличивается ток обмотки статора, что приводит к усилению магнитного поля статора. Магнитное поле статора направлено против магнитного поля ротора, поэтому суммарный магнитный поток уменьшается. Благодаря этому в катушках статора наводится меньшая э. д. с. и величина максимальной силы тока, отдаваемого генератором, ограничивается.
   
2. 
   С ростом частоты переменного тока растёт индуктивная составляющая сопротивления обмотки статора.
   
3. 
   С увеличением температуры растёт активное сопротивление.
   

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 минˉ¹).

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 t=(23±5)°С и в нагретом состоянии. В последнем случае генератор предварительно нагревают при работе в заданном режиме и температуре окружающего воздуха t=(23±5)°С.

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 n₀ ротора в режиме холостого хода.