Автомобильный генератор: назначение и принцип работы

Что такое генератор авто

Автомобильный генератор — узел, который преобразовывает механическую энергию в электрическую и выполняет следующие функции:

• обеспечивает постоянный и непрерывный заряд аккумулятора при работающем двигателе;
• обеспечивает электропитанием все системы во время запуска двигателя, когда стартер потребляет большое количество электроэнергии.

Генератор устанавливается в подкапотное пространство. За счет кронштейнов крепится к блоку ДВС, приводится в движение посредством приводного ремня от шкива коленчатого вала. Подключен электрогенератор в электроцепи параллельно аккумуляторной батареи.

Заряд АКБ производится только тогда, когда вырабатываемое электричество превышает напряжение батареи. Мощность вырабатываемого тока зависит от оборотов коленчатого вала, соответственно напряжение возрастает с оборотами шкива с геометрической прогрессией. Для предотвращения перезаряда генератор оснащен регулятором напряжения, который регулирует количество напряжения на выходе, обеспечивая 13.5-14.7V.

Для чего в автомобиле нужен генератор?

В современном автомобиле практически каждая система контролируется датчиками, фиксирующими их разные режимы работы. Если бы все эти элементы работали за счет заряда аккумулятора, то авто не смогло бы даже успеть прогреться, как АКБ полностью разрядится.

Чтобы в процессе работы мотора каждая система питалась бы не за счет батареи, устанавливается генератор. Он работает исключительно при включенном ДВС и нужен для:

1. Подзаряжать аккумулятор;
2. Обеспечивать достаточной энергией для каждого узла электросистемы машины;
3. В аварийном режиме или при максимальной нагрузке выполнять обе функции – и подпитывать АКБ, и обеспечивать энергией электрическую систему транспортного средства.

Подзаряжать аккумулятор нужно, потому что при запуске мотора используется исключительно энергия батареи. Чтобы при движении автомобиля аккумулятор не разряжался, не рекомендуется включать много потребителей энергии.

Например, в зимний период некоторые водители при прогреве салона включают климатическую систему авто и обогреватели стекол, а чтобы этот процесс не проходил скучно – еще и мощную аудиосистему. Как результат – генератор не успевает вырабатывать столько энергии и частично она берется из аккумулятора.

Самодельный асинхронный генератор

Для питания бытовых устройств и промышленного оборудования необходим источник электроэнергии. Выработать электрический ток возможно несколькими способами. Но наиболее перспективным и экономически выгодным, на сегодняшний день, является генерация тока электрическими машинами. Самым простым в изготовлении, дешёвым и надёжным в эксплуатации оказался асинхронный генератор, вырабатывающий львиную долю потребляемой нами электроэнергии.

Применение электрических машин этого типа продиктовано их преимуществами. Асинхронные электрогенераторы, в отличие от синхронных генераторов, обеспечивают:

• более высокую степень надёжности;
• длительный срок эксплуатации;
• экономичность;
• минимальные затраты на обслуживание.

Эти и другие свойства асинхронных генераторов заложены в их конструкции.

Устройство генератора для автомобиля

Генератор в разрезе

Итак, основными элементами генератора являются:

1. ротор – подвижная составляющая
2.  статор – неподвижная.

Ротор – это вал, на котором располагается обмотка возбуждения, две полюсные половины, образующие полюсную систему и контактные кольца. Основная задача обмотки возбуждения – создание магнитного поля. Но для достижения данного эффекта на нее нужна подача электрического тока небольшого значения. Пока двигатель не запущен ток для возбуждения поля берется от аккумулятора. После запуска  и достижения определенных оборотов, на обмотку начинает уже подаваться ток, выработанный генератором, то есть прибор переходит в режим самостоятельного возбуждения.

Обмотка возбуждения помещена между двух полюсных половинок. Эти половинки изготовлены методом штамповки, что позволило сформировать на них по 6 клювообразных выступов, которые размещены поверх обмотки.

Контактные кольца нужны для подачи электрического тока на обмотку. К этим кольцам подходят выводы обмотки возбуждения.

Дополнительно на роторе располагаются шкив привода, вентилятор охлаждения и подшипники качения.

Статор предназначен для получения переменного тока, который образуется из-за воздействия магнитного поля ротора. Состоит он из двух частей – сердечника и обмоток. Сердечник представляет собой пакет, собранный из листовой стали. В нем сделаны пазы, в которые укладываются обмотки — три штуки (три фазы). Укладка их производится петлевым или волновым методом. При этом они объединены между собой по одной из таких схем – «звезда» или «треугольник».

Схема «звезда» сводится к тому, что одни концы каждой из обмоток соединены в одной точке, а другие концы являются выводами. В «треугольнике» же соединение обмоток выполнено по кольцу – первая обмотка подсоединена ко второй, вторая – к третьей, третья – к первой. Точки соединения обмоток и являются выводами.

Ротор помещается внутрь статора, а тот в свою очередь зажимается между двумя крышками корпуса. В этих же крышках имеются и посадочные места под подшипники ротора. В передней крышке (та, что со стороны шкива) проделаны вентиляционные отверстия.

В задней же крышке размещены остальные необходимые элементы:

• блок щеток;
• диодный мост, он же выпрямительный блок;
• регулятор напряжения.

Блок щеток предназначен для передачи электрического тока на обмотку возбуждения. Для этого данный блок включает в свою конструкцию две подпружиненные графитные щетки, размещенные в корпусе. Пружины поджимают эти щетки к контактным кольцам, но жесткого соединения между ними нет.

Диодный мост обеспечивает преобразование переменного тока в постоянный. Конструкция его включает шесть диодов, установленных в теплоотводящие пластины. На каждую из обмоток статора приходится по два диода – «плюс» и «минус».

Регулятор напряжения – элемент, обеспечивающий поддержание выходного напряжения в строго заданном диапазоне. Дело в том, что от оборотов мотора зависит количество и параметры вырабатываемой энергии. АКБ же очень «чувствительна» к подаваемому на нее напряжению. Если оно будет недостаточным, то у аккумулятора будет недозаряд, а при избытке его – перезаряд. И то, и другое приводит к значительному снижению ресурса АКБ. На современных авто используются полупроводниковые электронные регуляторы, которые зачастую выполнены заодно с блоком щеток.

Устройство автомобильного генератора

Основные части генератораГенератор в разрезеСтатор и ротор

Статор (неподвижная часть генератора) представляет собой обмотки с магнитопроводом, в которых образуется электрический ток. Ротор – вращающаяся часть генератора. Ротор состоит из обмоток возбуждения с полюсной системой, вала и контактных колец. Кольца выполняются чаще всего из меди, с опрессовкой их пластмассой. Для снижения износа и предотвращения окисления они могут изготавливатья из латуни или нержавеющей стали. К кольцам присоединяются выводы обмотки возбуждения. Питание к обмоткам подается через щетки (скользящие контакты), которые прижимаются к кольцам с помощью пружин. Щетки бывают двух типов — меднографитные и электрографитные. Последние имеют более высокое электрическое сопротивление, что снижает выходные характеристики генератора, зато они обеспечивают значительно меньший износ контактных колец. Существуют и бесщеточные генераторы, у которых на роторе расположены постоянные магниты, а обмотки возбуждения – на статоре. Отсутствие щеток и контактных колец повышает надежность генератора, но увеличивает массу и шумность при работе.

При вращении ротора напротив катушек обмотки статора появляются попеременно разнополярные полюсы, т. е. направление и величина магнитного потока, пронизывающего катушку, меняется, что и приводит к появлению в ней переменного напряжения. Так как потребители электрической сети автомобиля работают на постоянном напряжении, в схему генератора вводится диодный выпрямитель.

Диодный мост и регулятор напряженияКонструкция и привод генераторов

Электронные регуляторы напряжения, как правило, встроены в генератор (“таблетка”) и объединены со щеточным узлом. Иногда они располагаются отдельно в подкапотном пространстве. Регуляторы изменяют ток возбуждения путем изменения времени включения обмотки ротора в питающую сеть. Устройства необслуживаемые, необходимо лишь контролировать надежность контактов. Существуют регуляторы напряжения, наделенные функцией термокомпенсации, – они измененяют напряжение зарядки в зависимости от температуры воздуха в подкапотном пространстве для обеспечения оптимального заряда АКБ. Чем ниже температура воздуха, тем большее напряжение подводится к батарее, и наоборот.

Генераторы выпускаются в двух конструктивных исполнениях – “классическом”, с вентилятором у приводного шкива, и компактном, с двумя вентиляторами внутри генератора. Так как “компактные” генераторы имеют привод с более высоким передаточным отношением, их называют еще высокоскоростными генераторами.

Генератор устанавливается на специальном кронштейне двигателя и приводится в действие от шкива коленчатого вала через ременную передачу. Чем больше диаметр шкива на коленчатом валу и меньше диаметр шкива генератора, тем выше обороты генератора, соответственно, он способен отдать потребителям больший ток. На современных моделях, как правило, привод осуществляется поликлиновым ремнем. Благодаря большей гибкости он позволяет устанавливать на генераторе шкив малого диаметра. Привод генератора может осуществляться как отдельно, так и одним ремнем вместе с насосом охлаждающей жидкости (“помпой”). Натяжение ремня регулируется либо отклонением корпуса генератора, либо (в случае применения поликлинового ремня) натяжными роликами при неподвижном генераторе.

Возможна ли замена генератора одной марки на другой? Вполне, если выполняются следующие условия:

• энергетические характеристики заменяющего генератора не ниже, чем у заменяемого;
• передаточное число от двигателя к генератору одинаково;
• габаритные и крепежные размеры заменяющего генератора позволяют установить его на двигатель. Большинство генераторов зарубежного производства имеют однолапное крепление, а отечественные крепятся за две лапы, поэтому замена “иномарочного” генератора отечественным потребует замены кронштейна;
• электрические схемы генераторных установок аналогичны.

Вводная часть

Работа над этими устройствами была начата еще в далеком 1827 году.

Немного истории

Первым экспериментировать с электромагнитными вращающимися машинами начал венгерский физик А.И. Йедлик, которые он назвал самовращающимися роторами. Его прототип был завершен к 1856 году, в котором обе части (статическая и вращающаяся) были электромагнитными.

20 лет пытливый ум этого человека работал над изобретением

• Однако Йедлик был далеко не единственным ученым, работавшим в этом направлении. В 1831 году был открыт принцип работы электромагнитного генератора. Сделал это Майкл Фарадей. Принцип, открытый ученым, был назван в честь его имени и заключается он в том, что при перемещении проводника перпендикулярно магнитному полю, на его концах образовывалась разность потенциалов.
• Изобретатель построил первый генератор, который был назван диском Фарадея. Устройство было униполярным генератором, использовавшим медный диск, который вращался между полюсами магнита (подковообразного). Конструкция устройства была крайне несовершенна, и ему еще предстояло обрести окончательный облик, но в будущем.

Динамо-машина

Старинная динамо-машина

Первый генератор постоянного тока, который стало возможно использовать для промышленных целей – это динамо-машина. Работа этого устройства основана на электромагнетизме – оно преобразует механическую энергию в постоянный, пульсирующий ток. Первый такой агрегат был построен И. Пикси в 1832 году.

• Именно этот агрегат, естественно после совершения многих открытий, стал прообразом современных двигателей постоянного тока, синхронных двигателей, генераторов переменного тока и прочего.
• Состояла она из статора (создающего электромагнитное поле) и обмоток, которые вращаются внутри.
• Сегодня динамо-машины – это скорее раритет, чем действующие устройства. Дело в том, что в современном мире подавляющее большинство приборов рассчитано на работу от переменного тока, тогда как на заре электротехники ученые считали его просто опасным, пока свои наработки не открыл миру великий русский ученый Павел Яблочков, но это уже другая история.

Интересный факт обратимости электромашин

Эмилий Ленц

В 1833 году русский ученый Э.Х. Ленц указал на то, что электрические машины обратимы. Другими словами: одна машина способна работать как электродвигатель, если ее запитывать, и быть одновременно генератором тока, при условии что ротор устройства будет приведен в движение другой движущей силой (в то время для этого подходили паровые агрегаты).

В 1838 году Ленц доказал свои предположения опытным путем, испытывая электромотор Якоби.

В 1832 году появился на свет первый генератор, работающий по принципу электромагнитной индукции. Сделали его французы, братья Пиксин. Однако их устройством было очень сложно пользоваться, так как при вращении массивного постоянного магнита, в двух катушках возникал переменный ток.

На первых этапах разработок использовались, как вино, постоянные магниты. Начиная с 1851 года их стали заменять электромагнитами, что дало новый толчок к развитию. В это же время был открыт принцип самовозбуждения генераторов постоянного тока. Первые патенты на генераторы с самовозбуждением были выданы 1866 году.

В общем, мы немного отвлеклись от темы сегодняшней стать. Как понятно, развитие генераторов постоянного тока, как и любого другого серьезного изобретения, было долгим и вобрало в себя мысли многих великих умов прошлого, прежде чем человеку стали досконально известны все принципы его работы, и была разработана «идеальная схема».

Разнообразие модельного ряда

В продаже сегодня можно встретить несколько видов синхронных генераторов, все они прекрасно справляются с теми или иными задачами. Благодаря этому каждый потребитель может выбрать наиболее подходящую модель устройства, которая будет обладать необходимыми эксплуатационными характеристиками. Большим спросом сегодня пользуются следующие виды генераторов:

• Асинхронное устройство двойного типа. В таком генераторе подключена как роторная, так и статорная обмотки. График работы носит асинхронный характер.
• Турбо. Агрегат отличается неявнополюсным строением генератора, изготавливается из турбин разного вида. К основным положительным характеристикам можно отнести высокую скорость оборотов, которая варьируется в пределах 6 тыс. в минуту.
• Синхронный компенсатор. Такой агрегат является поставщиком реактивной мощности, благодаря чему активно используется для повышения качества электроэнергии.
• Гидро. Ротор имеет существенное отличие от всех аналогов, так как присутствуют специальные полюса. Используется для выработки электроэнергии, работает исключительно на малых оборотах.

Структуры возбуждения

Самым распространенным способом создания основного магнитного потока синхронных генераторов является электромагнитное возбуждение, состоящее в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения, при прохождении по которой постоянного тока, возникает МДС, создающая в генераторе магнитное поле.

Ротор синхронного генератора, возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронного генератора поступает через контактные кольца и щётки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя r1 и подвозбудителя r2 . В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах получила применение также бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе. В качестве возбудителя в этом случае применяют обращенный синхронный генератор переменного тока В (рис. 1.3, б). Трехфазная обмотка 2 возбудителя, в которой наводится переменная ЭДС, расположена на роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора и их электрическое соединение осуществляется через вращающийся выпрямитель 3 непосредственно, без контактных колец и щёток.

В синхронных генераторах, в этом числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.4, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь ПП преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счёт остаточного магнетизма машины.

На рис. 1.4, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подаётся в обмотку возбуждения.

Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на входе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты (БЗ), обеспечивающий защиту обмотки возбуждения (ОВ) от перенапряжения и токовой перегрузки.

Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5 % полезной мощности (меньшее значение относится к генераторам большой мощности). В генераторах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, расположенными на роторе машины. Такой способ возбуждения даёт возможность избавить генератор от обмотки возбуждения.

Синхронные генераторы составляют основу электроэнергетики, так как практически вся электроэнергия во всём мире вырабатывается посредством синхронных турбо- или гидрогенераторов. Так же синхронные генераторы находят широкое применение в составе стационарных и передвижных электроустановок или станций в комплекте с дизельными и бензиновыми двигателями.

Любые турбо-, гидро-, дизельные генераторы, синхронные компенсаторы, моторы, производимые на данный момент, оснащаются новейшими полупроводниковыми структурами, такими как возбуждение синхронных генераторов. В данных структурах применяется метод выпрямления трехфазных переменных токов возбудителей высокой или промышленной частоты либо напряжения возбуждаемого агрегата.

Устройство генератора таково, что структуры возбуждения могут обеспечить такие параметры работы агрегата, как:

• Первая стадия возбуждения, то есть начальная.
• Работа вхолостую.
• Подключение к сети способом точной синхронизации либо самосинхронизации.
• Работа в энергетической структуре с имеющимися нагрузками или перегрузками.
• Возбуждение синхронных приборов может быть форсировано по таким критериям, как напряжение и ток, имеющими заданную кратность.
• Электроторможение аппарата.

Классификация

Различают два вида генераторов постоянного тока:

• с независимым возбуждением обмоток;
• с самовозбуждением.

Для самовозбуждения генераторов используют электричество, вырабатываемое самим устройством. По принципу соединения обмоток якоря самовозбуждающиеся альтернаторы с делятся на типы:

• устройства с параллельным возбуждением;
• альтернаторы с последовательным возбуждением;
• устройства смешанного типа (компудные генераторы).

Рассмотрим более подробно особенности каждого типа соединения якорных обмоток.

С параллельным возбуждением

Для обеспечения нормальной работы электроприборов, требуется наличие стабильного напряжения на зажимах генераторов, не зависящее от изменения общей нагрузки. Задача решается путём регулировки параметров возбуждения. В альтернаторах с параллельным возбуждением выводы катушки подключены через регулировочный реостат параллельно якорной обмотке.

Реостаты возбуждения могут замыкать обмотку «на себя». Если этого не сделать, то при разрыве цепи возбуждения, в обмотке резко увеличится ЭДС самоиндукции, которая может пробить изоляцию. В состоянии, соответствующем короткому замыканию, энергия рассеивается в виде тепла, предотвращая разрушение генератора.

Электрические машины с параллельным возбуждением не нуждаются во внешнем источнике питания. Благодаря наличию остаточного магнетизма всегда присутствующего в сердечнике электромагнита происходит самовозбуждение параллельных обмоток. Для увеличения остаточного магнетизма в катушках возбуждения сердечники электромагнитов делают из литой стали.

Процесс самовозбуждения продолжается до момента, пока сила тока не достигнет своей предельной величины, а ЭДС не выйдет на номинальные  показатели при оптимальных оборотах вращения якоря.

Достоинство: на генераторы с параллельным возбуждением слабо влияют токи при КЗ.

С независимым возбуждением

В качестве источника питания для обмоток возбуждения часто используют аккумуляторы или другие внешние устройства. В моделях маломощных машин используют постоянные магниты, которые обеспечивают наличие основного магнитного потока.

На валу мощных генераторов расположен генератор-возбудитель, вырабатывающий постоянный ток для возбуждения основных обмоток якоря. Для возбуждения достаточно 1 – 3% номинального тока якоря и не зависит от него. Изменение ЭДС осуществляется регулировочным реостатом.

Преимущество независимого возбуждения состоит в том, что на возбуждающий ток никак не влияет напряжение на зажимах. А это обеспечивает хорошие внешние характеристики альтернатора.

С последовательным возбуждением

Последовательные обмотки вырабатывают ток, равен току генератора. Поскольку на холостом ходе нагрузка равна нулю, то и возбуждение нулевое. Это значит, что характеристику холостого хода невозможно снять, то есть регулировочные характеристики отсутствуют.

В генераторах с последовательным возбуждением практически отсутствует ток, при вращении ротора на холостых оборотах. Для запуска процесса возбуждения необходимо к зажимам генератора подключить внешнюю нагрузку. Такая выраженная зависимость напряжения от нагрузки является недостатком последовательных обмоток. Такие устройства можно использовать только для питания электроприборов с постоянной нагрузкой.

Со смешанным возбуждением

Полезные характеристики сочетают в себе конструкции генераторов со смешанным возбуждением. Их особенности: устройства имеют две катушки – основную, подключённую параллельно обмоткам якоря и вспомогательную, которая подключена последовательно. В цепь параллельной обмотки включён реостат, используемый для регулировки тока возбуждения.

Процесс самовозбуждения альтернатора со смешанным возбуждением аналогичен тому, который имеет генератор с параллельными обмотками (из-за отсутствия начального тока последовательная обмотка в самовозбуждении не участвует). Характеристика холостого хода такая же, как у альтернатора с параллельной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжения на зажимах генератора.

Смешанное возбуждение сглаживает пульсацию напряжения при номинальной нагрузке. В этом состоит главное преимущество таких альтернаторов перед прочими типами генераторов. Недостатком является сложность конструкции, что ведёт к удорожанию этих устройств. Не терпят такие генераторы и коротких замыканий.

Теоретические основы

Работа генератора переменного тока основана на явлении электромагнитной индукции. Если взять катушку с проводом и присоединить к ней гальванометр (чувствительный амперметр для фиксации малых значений силы тока), замкнув проводник, и поднести к ней магнит, в ней возникнет электрический ток, что и покажет гальванометр.   

При этом учитывайте, что ток возникает в тех случаях, когда магнит движется, причем, при его приближении ток идет в одну сторону, а при удалении – в другую, что и фиксирует стрелка гальванометра. Из этого можно сделать выводы об условиях, необходимых для возникновения электрического тока:

• требуется замкнутый проводник с большим количеством витков;
• он должен попасть в переменное магнитное поле, которое нарастает при приближении магнита и уменьшается при его удалении;
• ток, возникший при увеличении магнитного поля, будет противоположен току, возникающему при его уменьшении.

Чтобы обеспечить постоянное изменение магнитного поля, пронизывающего катушку с проводником, его можно просто вращать, добившись изменения направления тока, равного частоте вращения магнита, поскольку к ней будут поочередно приближаться то южный, то северный полюс магнита. Эта принципиальная система и лежит в основе устройства генератора переменного тока.

Краткое описание

Каждый специалист знает, что синхронный трёхфазный генератор зарекомендовал себя как высококачественный, мощный агрегат, который отличается специфической структурой переменного тока, а это высоко ценится в различных отраслях. Вмонтированный крутящийся электромагнит способен создавать магнитный поток, перемещающийся через три фазы обмотки используемого статора. В результате можно добиться того, что в пазах будет происходить переменная ЭДС однотипной частоты. Стоит отметить, что любой сдвиг фаз осуществляется исключительно под определённым углом, который равен одной трети вращения магнитных полей.

Сами производители отмечают тот факт, что генератор оборудован таким образом, чтобы якорь выступал в качестве мощного электромагнита. Если вал вращается от турбины, тогда в систему поступает электроэнергия, а обмотка ротора питается именно этим током. Во время такого взаимодействия якорь становится своеобразным электрическим магнитом, который крутится вместе с валом. Именно синхронные трёхфазные турбо- и гидрогенераторы производят больше всего полезной энергии.

Помимо этого, такие агрегаты успешно используются многими специалистами в качестве электромоторов для установок, где уровень мощности превышает отметку 50 кВт. Когда синхронный аппарат работает, то в графике двигателя источник постоянного тока соединяют с ротором, а вот статор подсоединяют к трёхфазному кабелю.