Статор генератора содержит: описание, принцип работы и схема – 403 — Доступ запрещён

Автомобильный генератор — как работает, из чего состоит и устройство

Генератор — основной источник электроэнергии машины. Расскажем подробно как работает, из чего состоит и его устройство внутри. Информация подойдет для начинающих и опытных автолюбителей.

Как работает

При пуске двигателя автомобиля основным потребителем электроэнергии является стартер, сила тока достигает сотен ампер, что вызывает значительное падение напряжения аккумулятора. В этом режиме потребители питаются только от аккумулятора, который интенсивно разряжается. Сразу после пуска двигателя генератор становится основным источником электроснабжения. Генератор авто является источником постоянной подзарядки аккумуляторной батареи во время работы двигателя. Если он не будет работать, аккумулятор быстро разрядиться. Он обеспечивает требуемый ток для заряда АКБ и работы электроприборов. После подзарядки аккумулятора, генератор снижает зарядный ток и работает в штатном режиме.

При включении мощных потребителей (например, обогревателя заднего стекла, фар) и малых оборотов двигателя суммарный потребляемый ток может быть больше, чем способен отдать генератор. В этом случае нагрузка ляжет на аккумулятор и он начнет разряжаться.

Привод и крепление

Привод осуществляется от шкива коленчатого вала ременной передачей. Чем больше диаметр шкива на коленчатом валу и меньше диаметр шкива, тем выше обороты генератора, соответственно, он способен отдать потребителям больший ток.

На современных машинах привод осуществляется поликлиновым ремнем. Благодаря большей гибкости он позволяет устанавливать на генераторе шкив малого диаметра и, следовательно, получать высокие передаточные отношения. Натяжение поликлинового ремня осуществляется натяжными роликами при неподвижном генераторе.

Устройство и из чего состоит

Любой генератор автомобиля содержит статор с обмоткой, зажатый между двумя крышками — передней, со стороны привода, и задней, со стороны контактных колец. Генераторы крепятся в передней части двигателя болтами на специальных кронштейнах. Крепежные лапы и натяжная проушина находятся на крышках. Крышки, отлитые из алюминиевых сплавов, имеют вентиляционные окна, через которые воздух продувается вентилятором. Генераторы традиционной конструкции снабжены вентиляционными окнами только в торцевой части, а «компактной» конструкции — еще на цилиндрической части над лобовыми сторонами обмотки статора. На крышке со стороны контактных колец крепятся щеточный узел, который объединен с регулятором напряжения, и выпрямительный узел. Крышки обычно стянуты между собой тремя или четырьмя винтами, причем статор оказывается зажат между крышками, посадочные поверхности которых охватывают статор по наружной поверхности.

Статор генератора: 1 — сердечник, 2 — обмотка, 3 — пазовый клин, 4 — паз, 5 — вывод для соединения с выпрямителем

Статор набирается из стальных листов толщиной 0.8…1 мм, но чаще выполняется навивкой «на ребро». 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 наружной поверхности.

Необходимость экономии металла привела к созданию конструкции пакета статора, набранного из отдельных подковообразных сегментов. Скрепление между собой отдельных листов пакета статора в монолитную конструкцию осуществляется сваркой или заклепками. Практически все генераторы автомобилей массовых выпусков имеют 36 пазов, в которых располагается обмотка статора. Пазы изолированы пленочной изоляцией или напылением эпоксидного компаунда.

Ротор автомобильного генератора: а — в сборе; б — полюсная система в разобранном виде; 1,3- полюсные половины; 2 — обмотка возбуждения; 4 — контактные кольца; 5 — вал

Особенностью автомобильных генераторов является вид полюсной системы ротора. Она содержит две полюсные половины с выступами — полюсами клювообразной формы по шесть на каждой половине. Полюсные половины выполняются штамповкой и могут иметь выступы. 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.

Валы роторов выполняются из мягкой автоматной стали. Но при применении роликового подшипника, ролики которого работают непосредственно по концу вала со стороны контактных колец, вал выполняется из легированной стали, а цапфа вала закаливается. На конце вала, снабженном резьбой, прорезается паз под шпонку для крепления шкива.

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 поворота при затяжке гайки крепления шкива, или при разборке генератора, когда необходимо снять шкив и вентилятор.

Щеточный узел — это 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. Они обеспечивают значительно меньший износ контактных колец. Щетки прижимаются к кольцам усилием пружин.

Выпрямительные узлы применяются двух типов. Это либо пластины-теплоотводы, в которые запрессовываются диоды силового выпрямителя, либо конструкции с сильно развитым оребрением и диоды 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.

Наиболее опасным является замыкание пластин теплоотводов, 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 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.

Охлаждение генератора авто осуществляется одним или двумя вентиляторами, закрепленными на его валу. При этом у традиционной конструкции генераторов 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.

Система охлаждения: а — устройства обычной конструкции; б — для повышенной температуры в подкапотном пространстве; в — устройства компактной конструкции. Стрелками показано направление воздушных потоков
На автомобилях с плотной компоновкой подкапотного пространства применяют генераторы со специальным кожухом, через который в него поступает холодный забортный воздух. У генераторов «компактной» конструкции охлаждающий воздух забирается со стороны как задней, так и передней крышек.

Для чего нужен регулятор напряжения

Регуляторы поддерживают напряжение генератора в определенных пределах для оптимальной работы электроприборов, включенных в бортовую сеть автомобиля. Генераторы оснащаются полупроводниковыми электронными регуляторами напряжения, встроенными внутрь корпуса. Схемы их исполнения и конструктивное оформление могут различаться, но принцип работы одинаков.

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 имеют ручные переключатели уровня напряжения (зима/лето).

Характеристики, типы и принцип работы автомобильных генераторов

Поскольку для работы двигателя необходимо электричество, а запаса аккумулятора хватает лишь на его запуск, его постоянной выработкой занимается генератор автомобиля на холостом ходу и больших оборотах. Кроме подачи напряжения всем потребителям бортовой сети, электроэнергия расходуется на подзарядку АКБ и самовозбуждение якоря генератора.

Рис. 1 Генератор авто

Назначение автомобильного генератора

Кроме питания бортовой сети генератор автомобиля обеспечивает восполнение запаса электроэнергии, которую потратил аккумулятор при запуске ДВС. Первоначальное возбуждение обмотки так же производится за счет постоянного тока аккумулятора. Затем генератор начинает вырабатывать электричество самостоятельно при передаче вращения ремнем на шкив с коленвала двигателя.

Другими словами – без генератора машина заведется стартером от аккумулятора, но проедет недалеко, и не заведется в следующий раз, так как АКБ не получит подзарядки. На эксплуатационный ресурс генератора влияют факторы:

• емкость и апмераж аккумулятора;
• стиль и режим вождения;
• количество потребителей бортовой сети;
• сезонность эксплуатации транспортного средства;
• качество изготовления и сборки узлов генератора.

Простая конструкция позволяет диагностировать и устранить самостоятельно большинство поломок.

Особенности конструкции

Основан принцип работы генератора автомобиля на эффекте индукции электромагнитной, позволяющем получать электроток при наведении, а затем изменении магнитного поля вокруг проводника. Для этого в генераторе имеются необходимые детали:

• ротор – катушка внутри двух пар разнонаправленных магнитов, получающая вращение через шкив, и постоянный ток на обмотки возбуждения через щетки и коллекторные кольца
• статор – обмотки внутри магнитопровода, в которых наводится переменный электрический ток
• диодный мост – выпрямляет переменный ток в постоянный
• реле напряжения – регулирует эту характеристику в пределах 13,8 – 14,8 В

Рис. 2 Конструкция генератора

При неработающем двигателе в момент его запуска ток возбуждения подается на якорь с аккумулятора. Затем генератор начинает выработку электричества самостоятельно, переходит на самовозбуждение, полностью восстанавливает заряд аккумулятора при движении машины.

На холостых оборотах подзарядки не происходит, но бортовая сеть и все ее потребители (фары, музыка, кондиционер) обеспечиваются в полном объеме.

Статор

В генераторе самым сложным является устройство статора:

• из трансформаторного железа 0,8 – 1 мм толщины вырубаются штампом пластины;
• из них набирают пакеты (сварка или крепление заклепками), 36 пазов по периметру изолируются эпоксидной смолой или полимерной пленкой;
• затем в пакеты укладываются 3 обмотки, фиксируемые в пазах специальными клиньями.

Рис. 3 Статор генератора

Именно в статоре вырабатывается переменное напряжение, которое позже автомобильный генератор выпрямляет в постоянный ток для бортовой сети и АКБ.

Ротор

При использовании подшипников качения цапфа закаливается, а сам вал создается из легированной стали. На вал намотана катушка, залитая специальным диэлектрическим лаком. Сверху на нее надеты и закреплены на валу магнитные полюсные половинки:

• имеют вид короны;
• содержат по 6 лепестков;
• изготавливаются штамповкой или литьем.

Рис. 4 Ротор генератора

Шкив фиксируется на валу шпонкой либо гайкой с головой под шестигранный ключ. Зависит мощность генератора от толщины провода катушки возбуждения и качества изоляции лаком обмоток.

При подаче напряжения на обмотки возбуждения вокруг них возникает магнитное поле, взаимодействующее с аналогичным полем постоянных полюсных половинок магнитов. Именно вращение ротора обеспечивает выработку электротока в обмотках статора.

Токосъемный узел

В щеточном генераторе устройство токосъемного узла следующее:

• щетки скользят по коллекторным кольцам;
• по ним передается постоянный ток на обмотку возбуждения.

Электрографитные щетки изнашиваются меньше меднографитных модификаций, но на коллекторных полукольцах наблюдается падение напряжения. Для снижения электрохимического окисления колец их могут изготавливать из нержавейки и латуни.

Рис. 5 Токосъемный узел генератора

Поскольку работа токосъемного узла сопровождается интенсивным трением, щетки и кольца коллекторные изнашиваются чаще прочих деталей, считаются расходниками. Поэтому к ним обеспечивается быстрый доступ для периодической замены.

Выпрямитель

Поскольку в статоре электроприбора вырабатывается переменное напряжение, а для бортовой сети нужен постоянный ток, в конструкцию добавлен выпрямитель, к которому и подключаются обмотки статора. В зависимости от характеристики генератора выпрямительный узел имеет различную конструкцию:

• диодный мостик распаян или впрессован в подковообразные пластины-теплоотводы;
• выпрямитель собран на плате, теплоотводы с мощным оребрением припаиваются к диодам.

Рис. 6 Выпрямитель генератора

Рис. 7 Вариант диодного мостика с независимыми радиаторами

Основной выпрямитель может дублироваться дополнительным диодным мостиком:

• герметичный компактный блок;
• диды-горошины или цилиндрической формы;
• включение в общую схему небольшими шинами.

Выпрямитель является «слабым звеном» генератора, так как любое инородное тело, проводящее ток, попавшее случайно между теплоотводами диодов, автоматически приводит к короткому замыканию.

Регулятор напряжения

После того, как переменная амплитуда преобразована выпрямителем в постоянный ток, электроэнергия генератора подается на реле регулятора напряжения по следующим причинам:

• коленвал ДВС вращается с разной скоростью в зависимости от типа вождения, дальностью поездки и циклом движения авто;
• поэтому автомобильный генератор по умолчанию не способен вырабатывать одинаковое напряжение в разные промежутки времени физически;
• устройство реле регулятора и отвечает за термокомпенсацию – отслеживает значение температуры воздуха, при его снижении повышает напряжение подзарядки и наоборот.

Стандартной величиной термокомпенсации принято значение 0,01 В/1градус. В некоторых генераторах имеются переключатели ручные лето/зима, выносимые в салон или пространство под капотом авто.

Рис. 8 Регулятор напряжения

Существуют реле регуляторов напряжения, в которых бортовая сеть подключается к обмотке возбуждения генератора «–» проводом или «+» кабелем. Эти конструкции являются не взаимозаменяемыми, путать их нельзя, чаще всего в легковых машинах установлены «минусовые» регуляторы напряжения.

Подшипники

Передним считается подшипник со стороны шкива, его корпус впрессовывается в крышку, а на валу используется скользящая посадка. Задний подшипник расположен возле коллекторных колец, его, наоборот, сажают на вал с натягом, в корпусе использована скользящая посадка.

В последнем случае могут применяться подшипники роликовые, передний подшипник всегда радиальный шариковый с одноразовой смазкой, закладываемой на заводе, которой хватает на весь эксплуатационный ресурс.

Рис. 9 Комплект подшипников генератора

Чем выше мощность генератора, тем большие нагрузки испытывает обойма подшипника, чаще требуется замена обоих расходных деталей.

Крыльчатка

Детали трения внутри генератора охлаждаются принудительным воздушным способом. Для этого на вал надевается одна или две крыльчатки, засасывающих воздух через специальные щели/отверстия в корпусе изделия.

Рис. 10 Крыльчатка генератора

Существует три типа воздушного охлаждения автомобильных генераторов:

• при наличии узла щетки/коллекторные кольца и вынесения выпрямителя, регулятора напряжения из корпуса наружу эти узлы защищаются кожухом, поэтому воздухозаборные отверстия создаются в нем (позиция а) нижней схемы;
• если компоновка механизмов под капотом плотная, а окружающий их воздух слишком нагрет, чтобы нормально охладить внутреннее пространство генератора, используется защитный кожух специальной конструкции (позиция б) нижнего рисунка;
• в генераторах малогабаритных щели для забора воздуха создаются в обеих крышках корпуса (позиция в) на нижнем рисунке).

Рис. 11 Варианты схем воздушного охлаждения генератора

Перегрев обмоток и подшипников резко снижает характеристики генератора, и может привести к заклиниванию, короткому замыканию и, даже пожару.

Корпус

Традиционно для большинства электроприборов корпус генератора имеет защитную функцию для всех расположенных внутри него узлов. В отличие от стартера машины, генератор не имеет натяжного устройства, провисание ремня передачи регулируется за счет смещения корпуса самого генератора. Для этого кроме монтажных лапок на корпусе имеется регулировочная проушина.

Корпус изготавливается из алюминиевого сплава, состоит из двух крышек:

• внутри передней крышки спрятан статор и якорь;
• внутри задней крышки размещен выпрямитель и реле регулятора напряжения.

Рис. 12 Корпус генератора состоит из двух крышек

От этой детали зависит корректная работа генератора, так как внутрь одной крышки впрессован подшипник ротора, а ремень натягивается в проушине корпуса.

Режимы работы

При эксплуатации генератора машины существует 2 режима:

• запуск ДВС – в этот момент стартер авто и катушка ротора генератора являются единственными потребителями, расходуется энергия аккумулятора, пусковые токи значительно выше рабочих, поэтому от качества подзарядки аккумулятора зависит, заведется машина, или нет;
• рабочий режим – стартер в этот момент отключен, обмотка ротора генератора переходит в режим самовозбуждения, зато появляются прочие потребители (кондиционер, обогреватели стекол, зеркал, фары, автозвук), необходимо восстановить зарядку АКБ.

Внимание: При резком повышении суммарной нагрузки (аудиосистема с усилителем, сабвуфер) ток генератора становится недостаточным для удовлетворения потребностей бортовой системы, начинается расходоваться заряд АКБ.

Поэтому для снижения просадок напряжения владельцы автозвука часто ставят второй аккумулятор, увеличивают мощность генератора или дублируют его еще одним устройством.

Рис. 13 Два генератора на одном авто

Привод генератора

Обороты для выработки электричества генератор переменного тока получает клиноременной передачей от коленчатого вала двигателя. Поэтому натяжение ремня должно контролироваться регулярно, желательно перед каждой поездкой. Основными нюансами привода генератора являются:

• проверка натяжения производится усилием 3 – 4 кг, прогиб в этом случае не может превышать 12 мм;
• диагностика осуществляется линейкой, усилие к одному краю которой обеспечивается бытовым безменом;
• проскальзывать ремень может при попадании на него масла из-за негерметичности прокладок и сальников в соседних узлах под капотом;
• чересчур жесткий ремень вызывает повышенный износ подшипников;
• отсутствии соосности шкивов коленвала и генератора приводит к возникновению свиста и неравномерной выработке ремня в поперечном разрезе.

Рис. 14 Привод генератора

Средний ресурс шкивов 150 – 200 тысяч километров пробега авто. У ремня эта характеристика слишком отличается у разных производителей, модели авто и стиля вождения владельца.

Электрическая схема

Производители учитывают конкретное количество потребителей в модели авто, поэтому в каждом случае применяется индивидуальная электрическая схема генератора. Наиболее востребованы 8 схем «мобильных электроустановок» под капотом машины с одинаковым обозначением элементов:

1. генераторный блок;
2. обмотка ротора;
3. магнитопровод статора;
4. мост диодный;
5. переключатель;
6. реле лампы;
7. реле регулятора;
8. лампа;
9. конденсатор;
10. блок трансформатора и выпрямителя;
11. АКБ;
12. стабилитрон;
13. сопротивление.

Рис. 15 Схема 1

В схемах 1 и 2 возбуждающая обмотка получает напряжение через замок зажигания, чтобы АКБ не разряжалась на стоянке. Недостатком является коммутация 5 А тока, снижающего эксплуатационный срок.

Рис. 16 Схема 2

Поэтому на схеме 3 контакты разгружены промежуточным реле, а потребление тока снижено до десятых долей ампера. Минусом в этом варианте является сложный монтаж генератора, понижение надежности конструкции, возрастает частота переключения транзистора. Фары могут моргать, а стрелки приборов подрагивать.

Рис. 17 Схема 3

В схеме 5 из трех диодов изготовлен дополнительный выпрямитель на пути к обмотке возбуждения. Однако при длительной парковке рекомендуется снимать «+» с клеммы аккумулятора, так как возможен разряд батареи. Зато при первичном возбуждении обмотки в момент запуска ДВС расход тока АКБ минимальный. Опасное для электроники машины повышение напряжения гаси стабилитрон.

Рис. 18 Схема 5

Для дизельных моторов применяются генераторы, использующие 6 схему. Они рассчитаны на напряжение 28 В, возбуждающая обмотка получает вдвое меньший заряд за счет подключения в «нулевую» точку статора.

Рис 19 Схема 6

На схеме 7 ликвидирован разряд АКБ при длительной парковке за счет снижения разницы потенциалов на «Д» и «+» клеммах. Из стабилитронов создано дополнительное крыло диодного мостика выпрямителя для ликвидации всплесков напряжения.

Рис. 20 Схема 7

Схема 8 обычно применяется в генераторах производителя Бош. Здесь усложнен регулятор напряжения, зато упрощена схема самого генератора.

Рис. 21 Схема 8

Маркировка клемм на корпусе

При самостоятельной диагностике мультиметром для владельца актуальна информация, как маркируются клеммы, выведенные на корпус генератора. Единого обозначения не существует, но общие принципы соблюдаются всеми производителями:

• с выпрямителя выходит «плюс», маркирующийся «+», 30, В, В+ и ВАТ, «минус», обозначенный «–», 31, D-, B-, E, M или GRD;
• от возбуждающей обмотки отходит клемма 67, Ш, F, DF, E, EXC, FLD;
• «плюсовой» провод от дополнительного выпрямителя на контрольную лампу обозначен D+, D, WL, L, 61, IND;
• фазу можно узнать по волнистой линии, буквам R, W или STA;
• нулевая точка статорной обмотки обозначена «0» или МР;
• клемма реле регулятора для подключения к «плюсу» бортовой сети (обычно АКБ) обозначена 15, Б либо S;
• кабель от замка зажигания должен подключаться к клемме регулятора напряжения, маркированной IG;
• бортовой компьютер подсоединяется к выводу реле регулятора с обозначением F или FR.

Рис. 22 Расположение клемм на корпусе генератора

Других обозначений не существует, а вышеуказанные присутствуют на корпусе генератора не в полном объеме, поскольку встречаются на всех существующих модификациях электроприборов.

Основные неисправности

Поломки «бортовой электростанции» вызваны неправильной эксплуатацией транспортного средства, выработкой ресурса деталей трения либо выходом из строя электрики. Вначале производится визуальная диагностика и выявление посторонних звуков, затем проверяется электрическая часть мультиметром (тестером). Основные неисправности сведены в таблицу:

Поломка	Причина	Ремонт
свист, потеря мощности на высоких оборотах	недостаточная натяжка ремня, поломка подшипника/втулки	регулировка натяжения, замена втулки/подшипника
недозаряд	неисправно реле регулятора	замена реле
перезарядка	неисправно реле регулятора	замена реле
люфт вала	отказ подшипника или выработка втулки	замена расходника
утечка тока, снижение напряжения	пробой диода	замена диодов выпрямителя
отказ генератора	подгорание или износ коллектора, обрыв обмотки возбуждения, зависание щеток, заклинивание ротора в статоре, обрыв ведущего от АКБ провода	устранить указанные поломки

При диагностике тестером измеряется напряжение генератора на разных оборотах двигателя – в режиме холостого хода, под нагрузкой. Проверяется целостность обмоток и соединительных проводов, диодного мостика и регулятора напряжения.

Выбор генератора для легкового авто

За счет разного диаметра шкивов клиноременной передачи генератору придается большая угловая скорость в сравнении с оборотами коленвала. Частота вращения ротора достигает 12 – 14 тысяч оборотов ежеминутно. Поэтому ресурс генератора минимум вдвое меньше, чем у ДВС авто.

Генератором машина комплектуется на заводе, поэтому при замене подбирается модификация с аналогичными характеристиками и крепежными отверстиями. Однако при тюнинге авто мощность генератора может не устроить владельца. Например, после увеличения количества потребителей (подогрев сидений, зеркал, стекол), установки сабвуфера, аудиосистемы с усилителем требуется именно выбор нового, более мощного генератора или монтаж второго электроприбора в комплекте с дополнительным аккумулятором.

В первом случае следует выбрать мощность, достаточную для подзарядки аккумулятора с 15% запасом. При установке второго генератора начальный и эксплуатационный бюджет резко увеличиваются:

• для дополнительного генератора придется установить дополнительный шкив на коленвал;
• найти место для крепления корпуса электроприбора таким образом, чтобы его шкив размещался в одной плоскости со шкивом коленвала;
• обслуживать и менять расходники сразу двух «мобильных электростанций».

С возникновением бесщеточных моделей генератора некоторые владельцы производят замену штатного прибора этим девайсом.

Бесщеточные модификации

Основным достоинством бесщеточного генератора является сверхдолгий эксплуатационный ресурс. Несмотря на сложную конструкцию и цену, ломаться здесь в принципе нечему, а окупаемость, все равно, выше за счет отсутствия расходников щетки/коллекторные кольца.

Компактные размеры и отсутствие коротких замыканий при попадании воды на залитые лаком или композитным составом обмотки позволяет монтировать его практически на любые транспортные средства.

На малых оборотах работа генератора обеспечивает электричеством только бортовую сеть, зарядка АКБ начинается при увеличении оборотов от 3000 ежеминутно.

Генераторы постоянного тока исчезли с легкового транспорта в 70-е годы прошлого столетья, так как имели сложную схему и более крупные размеры.

Таким образом, работа автомобильного генератора обеспечивает электроэнергией всех потребителей, подзаряжает АКБ и создает искру в камерах сгорания. Своевременное обслуживание и диагностика позволяет сократить эксплуатационные расходы и повысить ресурс электрического устройства.

Если у вас возникли вопросы — оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них

Из чего состоит генератор автомобиля: неисправности, диагностика

У каждого автомобиля есть электрическая сеть, предназначенная для выполнения ряда функций. Так, посредством подобной сети удается выполнить запуск двигателя, поджечь топливо созданием необходимого количества искр, вовремя включить сигнальные огни и фары, а также создать благоприятные условия для пассажиров, находящихся внутри.

Обеспечением электричества занимаются:

• генератор
• аккумулятор

Второй начинает работать еще до подачи топлива в двигатель. Поэтому батарея не может долго одна вырабатывать энергию, иначе ее заряд быстро придет в негодность, и автомобиль отключится. Чтобы этого не произошло, после запуска мотора приходит на помощь генератор, вырабатывающий необходимое количество электроэнергии на протяжении эксплуатации мотора транспортного средства.

Виды генераторов

Известно два вида агрегатов, устанавливаемых на машины. Среди них:

1. Устройство постоянного тока. Чаще всего встречается на старых моделях транспортных средств. В последнее время популярность таких агрегатов заметно снизилась.
2. Устройство переменного тока. Установлено практически на все автомобили современного поколения. Впервые был разработан и выпущен на заводе Америки в 1946 году.

Второй тип электрогенераторов представляет собой надежную конструкцию, отличительной особенностью которой является наличие узлов, выпрямляющих ток.

Как устроен

Вне зависимости от вида, каждый генератор предназначен для образования и подачи электрического тока, с помощью которого удается ввести в эксплуатацию систему приборов внутри автомобиля. Устройство и принцип работы генераторов отличаются, так как каждый из видов агрегатов вырабатывает разный ток. В связи с этим стоит рассмотреть оба электрогенератора отдельно.

Автогенератор постоянного тока

Уже было отмечено, что данный агрегат встречается все реже, и связано это с рядом недостатков. Среди наиболее распространенных из них:

• небольшая эффективность работы;
• недостаточная мощность;
• необходимость проведения частого ремонта и осмотра;
• недолгий срок службы.

В состав конструкции входит коллектор, благодаря которому подобные устройства способны работать в двух режимах. Поэтому часто использовался в гибридных автомобилях.

Отличительная особенность заключается в том, что электромагниты, закрепленные на устройстве, не двигаются. Это обеспечивает определенное положение электродвижущей силы и особый принцип работы.

Автогенератор переменного тока

Считается популярным устройством среди современных моделей. Содержит в конструкции:

• обмотку, статор и ротор;
• крышки по обеим сторонам;
• привод со шкивом.

Располагают данный тип генератора рядом с двигателем, обычно впереди. Крепление осуществляют с помощью надежных болтов посредством заранее рассчитанного соединения. Крышки устройства выполняются из алюминиевых сплавов. В каждой крышке встроено окно для вентиляции корпуса, предотвращая перегрев конструкции. Отсутствие или засорение вентиляции объясняет, почему греется генератор на холостом или обычном ходу.

Дополнительно стоит отметить, что на задней крышке имеет особый узел, называемый щеточным. Обе крышки стягивают между собой, фиксируя специальными винтами увеличенной длины.

Конструкция

Стоит подробнее рассмотреть, из чего состоит генератор, встроенный в автомобиль. Далее представлены основные детали конструкции столь важного в машине устройства.

Статор

Статор генератора — это деталь, изготовленная из стали, толщина которой не превышает 10-11 мм. Добиваясь экономии металла, разработчики современного генератора изготовили данную деталь из отдельных элементов и придали ей форму подковы. Все листы конструкции скреплены между собой сварочным или заклепочным методами. В статоре более 30 пазов, предусмотренных для крепления обмотки. Изоляция статора обеспечивается специальным покрытием из эпоксидного компаунда или пленки.

Ротор

Система полюсов ротора отличается от системы в стандартных агрегатах. В ней две половины, каждый из которых имеет отдельный выступ, по форме напоминающий клюв. На каждом выступе — по шесть полюсов, напрессованных на вал.

Втулка устанавливается между полюсами, а обмотка закрепляется на ней. Вращающийся вал ротора изготавливают из стали низкой твердости, но это не мешает ему быть прочным и эффективно справляться с поставленной задачей. На конце вала резьба, а также шпоночный паз, фиксирующий шкив.

Узел выпрямления

Главным отличительным элементом современных автогенераторов переменного тока является узел выпрямления. Существует два типа используемых узлов:

1. Пластины, отводящие тепло. В них установлены силовые диоды, выпрямляющие ток.
2. Элементы со специальными ребрами для охлаждения. На них также установлены диоды, но они таблеточные.

Дополнительно к классификации можно отнести вспомогательный выпрямитель. В нем диоды содержатся в пластиковом корпусе, имеющем цилиндрическую форму. К схеме такой корпус подключают специальными шинами.

Регулятор напряжения

Данная деталь способствует поддержке необходимого напряжения внутри автогенератора. Благодаря этому достигается нормальная работа электрических систем, датчиков и других элементов, находящихся в системе транспортного средства.

Основа регуляторов напряжения — полупроводниковый элемент. Конструктивное исполнение подобных деталей может быть различным, но у всех одинаковая задача и один и тот же принцип действия.

Главное свойство регулятора — термокомпенсация. Оно представляет собой способность элемента менять показатель напряжения, поднимая или опуская его, если в процессе работы генератора были обнаружены изменения температуры за пределами рабочего пространства. Подобные махинации позволяют улучшить зарядку аккумулятора и снизить потребление ресурса.

Принцип работы генератора

Главный потребитель электроэнергии еще на запуске машины — стартер. При этом стоит заметить, что при впрыске топлива в мотор сила тока способна вырасти сразу до сотни ампер, если не больше. В таком режиме оборудование транспортного средства получает электроэнергию только от аккумулятора, который, как уже было отмечено ранее, быстро разряжается.

Как только двигатель начинает работать, на смену батарее приходит генератор, который тут же направляет электроэнергию для работы электрических систем, датчиков и других устройств.

При работе двигателя внутри машины происходит непрерывная зарядка аккумулятора, а также обеспечивается работоспособность электрооборудования, и со всем этим справляется автогенератор. Если он неожиданно выйдет из строя, то батарея машины, проработав небольшое количество времени, быстро сядет, и железному коню потребуется ремонт.

Крепление и привод

За работу генератора отвечает шкив двигателя посредством работы ременной передачи. Количество оборотов агрегата зависит от диаметров различных шкивов, входящих в состав конструкции основного устройства.

В современных моделях транспортных средств встречается поликлиновый ремень, обладающий большой гибкостью. С его помощью удается привести в действие шкивы минимального диаметра, благодаря чему увеличиваются обороты автогенератора. Существует несколько способов натяжения такого ремня, что очень удобно. Выбор способа зависит от модели транспортного средства, а также от конструкции натяжителя. Обычно предпочитают натягивать ремень специальными шариковыми роликами.

Неполадки

Несмотря на то, что вырабатывающие электричество устройства считаются надежными, в процессе их эксплуатации могут возникнуть различные проблемы. Эти проблемы можно поделить на два вида:

1. Механические. В основном связаны с износом деталей конструкции генератора. Например, из строя неожиданно может выйти ремень, подшипник или шкив. Обнаружить подобную неисправность легко, достаточно обратить внимание на посторонний звук или стук от двигателя, рядом с которым находится автогенератор. Проблема решается ремонтом или заменой.
2. Электрические. Удивительно, но возникают чаще. Выражаются в виде замыкания обмоток. Обнаружить невооруженным взглядом проблему не получится. Выявляется поломка только посредством незамедлительной проверки напряжения мультиметром.

Многие не знают, как проверить генератор автомобиля или как проверить его работу. Поэтому при возникновении подозрений на наличие неполадок в устройстве стоит провести диагностику генератора автомобиля или сразу же обратиться в сервисный центр для устранения проблемы.

Также читайте:

8 самых распространенных проблем Mercedes-Benz

Типичные неисправности и ремонт АКПП Мерседес-Бенц

Что такое Турбонаддув: Принцип работы, Конструктивные особенности

Система выхлопа автомобиля: Из чего состоит , частые неисправности и их устранения

Устройство автомобильного кондиционера

принцип работы, устройство, назначение генератора

Люди пользуются энергией электрического тока практически во всех сферах своей деятельности. Сейчас нелегко представить жизнь без электричества, которое с помощью специального оборудования преобразуется из механической энергии. Рассмотрим подробнее, как происходит этот процесс, и как устроены современные генераторы.

Превращение механической энергии в электрическую

Любой генератор работает по принципу магнитной индукции. Самый простой генератор переменного тока можно представить, как катушку, которая вращается в магнитном поле. Также есть вариант, при котором катушка остается неподвижной, но магнитное поле только её пересекает. Именно во время этого движения и вырабатывается переменный ток. По такому принципу функционирует огромное количество генераторов во всем мире, объединенных в систему электроснабжения.

Устройство и конструкция генератора переменного тока

Стандартный электрогенератор имеет следующие компоненты:

• Раму, к которой закреплен статор с электромагнитными полюсами. Изготовлена она из металла и должна выполнять защитную функцию всех элементов механизма.
• Статор, к которому крепится обмотка. Изготавливается он из ферромагнитной стали.
• Ротор – подвижный элемент, на сердечнике которого располагается обмотка, образующая электрический ток.
• Узел коммутации, который отводит электричество с ротора. Представляет собой систему подвижных токопроводящих колец.

В зависимости от назначения, генератор имеет определенные особенности конструкции, но существуют два компонента, которыми обладает любое устройство, конвертирующее механическую энергию в электричество:

1. Ротор – подвижная цельная деталь из железа;
2. Статор – неподвижный элемент, который изготовлен из железных листов. Внутри него есть пазы, внутри которых располагается проволочная обмотка.

Для получения большей магнитной индукции, между этими элементами должно быть небольшое расстояние. По своей конструкции генераторы бывают:

• С подвижным якорем и статическим магнитным полем.
• С неподвижным якорем и вращающимся магнитным полем.

В настоящее время более распространено оборудование с вращающимися магнитными полями, т.к. значительно удобнее снимать электрический ток со статора, чем с ротора. Устройство генератора имеет немало сходств с конструкцией электродвигателя.

Схема генератора переменного тока

Принцип работы электрогенератора: в тот момент, когда половина обмотки находится на одном из полюсов, а другая на противоположном, ток движется по цепи от минимального до максимального значения и обратно.

Классификация и виды агрегатов

Все электрогенераторы можно распределить по критерию работы и по типу топлива, из которого и образуется электроэнергия. Все генераторы делятся на однофазные (выход напряжения 220 Вольт, частота 50 Гц) и трехфазные (380 Вольт с частотой 50 Гц), а также по принципу работы и типу топлива, которое конвертируется в электричество. Ещё генераторы могут использоваться в разных сферах, что определяет их технические характеристики.

По принципу работы

Разделяют асинхронные и синхронные генераторы переменного тока.

Асинхронный

У асинхронных электрогенераторов нет точной зависимости ЭДС от частоты вращения ротора, но здесь работает такой термин, как «скольжение S». Оно определяет эту разницу. Величина скольжения вычисляется, поэтому некоторое влияние элементов генератора в электромеханическом процессе асинхронного двигателя все же есть.

Синхронный

Такой генератор обладает физической зависимостью от вращательного движения ротора к генерируемой частоте электроэнергии. В таком устройстве ротор является электромагнитом, состоящим из сердечников, обмоток и полюсов. Статором являются катушки, которые соединены по принципу звезды, и имеющими общую точку – ноль. Именно в них вырабатывается электрический ток.
Ротор приводит в движение посторонняя сила подвижных элементов (турбин), которые двигаются синхронно. Возбуждение такого генератора переменного тока может быть, как контактным, так и бесконтактным.

По типу топлива двигателя

Удаленность от электросети с появлением генераторов больше не становится препятствием для пользования электроприборами.

Газовый генератор

В качестве топлива здесь используется газ, во время сгорания которого и вырабатывается механическая энергия, которая затем заменяется электрическим током. Преимущества использования газогенератора:

• Безопасность для окружающей среды, ведь газ при сгорании не выделяет вредных элементов, копоти и токсичных продуктов распада;
• Экономически это очень выгодно – сжигать дешевый газ. В сравнении с бензином, это обойдется значительно дешевле;
• Подача топлива осуществляется автоматически. Бензин и дизельное топливо требуется по мере необходимости подливать, а газовый генератор обычно подключают к системе газоснабжения;
• Благодаря автоматике, аппарат приходит в действие самостоятельно, но для этого он должен располагаться в теплом помещении.

Дизельный генератор

Эту категорию составляют преимущественно однофазные агрегаты мощностью 5 кВт. 220 Вольт и частота 50 Гц являются стандартными для бытовой техники, поэтому дизельный аппарат неплохо справляется со стандартной нагрузкой. Как можно догадаться, для его работы требуется дизельное топливо. Почему стоит выбрать именно дизельный электрогенератор:

• Относительная дешевизна топлива;
• Автоматика, позволяющая автоматически запускать генератор при прекращении подачи электрического тока;
• Высокий уровень противопожарной безопасности;
• В течении длительного периода времени агрегат на дизеле способен проработать без сбоев;
• Внушительная долговечность – некоторые модели способны работать в общей сумме 4 года непрерывной эксплуатации.

Бензогенератор

Такие аппараты довольно востребованы как бытовое оборудование. Несмотря на то, что бензин дороже газа и дизеля, такие генераторы имеют немало сильных сторон:

• Малые габариты при высокой мощности;
• Просты в эксплуатации: большинство моделей можно запустить вручную, а более мощные генераторы оснащены стартером. Регулируется напряжение под определенную нагрузку при помощи специального винта;
• В случае перегрузки генератора автоматически срабатывает защита;
• Просты в обслуживании и ремонте;
• Во время работы не издают много шума;
• Можно применять и в помещении, и на улице, но следует защищать от попадания влаги.

Основные сферы применения

В зависимости от того, где используется электрогенератор, определяются его технические характеристики. Главным образом, отношения генератора к определенной категории по области применения, определяет его мощность. Разделяют следующие разновидности оборудования по сферам эксплуатации:

• Бытовые. Обладают мощностью от 0,7 до 25 кВт. Обычно к этой категории относятся бензиновые и дизельные генераторы. Применяются для электроснабжения бытовых электроприборов и оборудования малой мощности, очень часто на строительных площадках. Сгодятся в качестве портативного источника электроэнергии при выезде на природу;
• Профессиональные. Могут применяться в качестве постоянного источника электроэнергии в муниципальных учреждениях и мелких производственных предприятиях. Его мощность не превышает 100 кВт;
• Промышленные. Могут эксплуатироваться на крупных фабриках и заводах, где требуется высокомощное оборудование. Такие аппараты обладают мощностью более 100 кВт, имеют немалые габариты и сложны в техническом обслуживании для неподготовленного человека.

Устройство генератора автомобиля

Категория:

   Электрооборудование автомобилей

Публикация:

   Устройство генератора автомобиля

Читать далее:

Устройство генератора автомобиля

Основными узлами генератора являются ротор, статор, выпрямительное устройство и щеточный узел.

Ротор генератора содержит обмотку возбуждения. Она выполнена в виде круглой катушки, намотанной на стальную втулку. Катушка установлена на валу ротора и зажата между двумя клювообразными половинами сердечника ротора. Половины напрессованы на вал ротора. Такой сердечник называют сердечником с явно выраженными полюсами. Клювы одной половины образуют северный полюс магнита, а клювы другой половины — южный. Концы обмотки возбуждения выведены на контактные кольца, по которым при вращении ротора скользят щетки щеткодержателя. Обычно одна из щеток соединяется с выводом, через который подается питание обмотки возбуждения, а другая щетка соединена с корпусом генератора. Есть генераторы, у которых обе щетки соединены с изолированными выводами.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Рис. 1. Основные узлы генератора

Статор генератора состоит из сердечника, набираемого из изолированных листов магнитомягкой электротехнической стали, и обмотки. Внутренняя поверхность сердечника статора имеет равномерно расположенные по окружности зубцы. Количество пазов кратно трем. В пазах между зубцами укладываются витки катушек обмотки статора. Изоляция катушек от сердечника осуществляется электротехническим картоном и пропиткой статора в сборе изоляционным лаком. Каждая из трех фаз обмотки статора содержит одинаковое число последовательно соединенных катушек. Этим объясняется кратность числа пазов и катушек трем. Три вывода обмотки статора присоединяются к выпрямительному устройству.

Магнитная цепь генератора образуется стальной втулкой, на которой расположена обмотка возбуждения, двумя половинами сердечника ротора, клювы которых образуют полюсные наконечники, и зубцами сердечника статора.

Обмотка возбуждения генератора получает питание от генератора или аккумуляторной батареи. Небольшой постоянный ток, поступающий в обмотку возбуждения через щетки и контактные кольца, вызывает появление магнитного потока (линии 18). Магнитный поток в осевом направлении проходит через втулку, затем в радиальном направлении по левой половине сердечника ротора и его полюсному наконечнику (клюву) и через воздушный зазор в сердечник статора. Выйдя из сердечника статора, магнитный поток через воздушный зазор и полюсный наконечник правой половины сердечника ротора замыкается через втулку. Так как полюсные наконечники левой и правой половин сердечника ротора смещены в пространстве, происходит соответствующее смещение магнитного потока. Поэтому, входя в статор через один зубец, из статора магнитный поток выходит через другой зубец. При этом он пересекает катушки статора. При вращении ротора под каждым зубцом происходит постоянное чередование северного и южного полюсов ротора, приводящее к изменению пересекающего катушки статора магнитного потока по величине и направлению. В результате в фазных обмотках наводится переменная э. д. е., имеющая форму синусоиды, которая выпрямительным устройством преобразуется в постоянную э. д. с.

Выпрямительное устройство современных генераторов типа ВПВ состоит из шины, в которую запрессованы диоды обратной проводимости, и шины, в которую запрессованы диоды прямой проводимости. У диодов прямой проводимости отрицательный вывод, а у диодов обратной проводимости положительный вывод припаиваются непосредственно к корпусу диода. Поэтому шина служит положительным, а шина — отрицательным выводом выпрямительного устройства и, следовательно, генератора. Положительный вывод каждого отрицательного диода соединяется с отрицательным выводом одного из положительных диодов и выводом одной фазы статора.

Рис. 2. Генератор 32.3701

Конструктивные особенности автомобильных генераторов рассмотрим на примере некоторых типичных конструкций.

Генератор 32.3701 имеет наиболее широко применяемое конструктивное исполнение. Он представляет собой модификацию часто встречающихся в эксплуатации генераторов типа Г250, аналогично с которыми устроены также генераторы Г266 и Г271.

Генератор 32.3701 является синхронной электрической машиной со встроенным выпрямительным блоком. На генераторе имеются следующие выводы: « + » (поз. 22) —для соединения с аккумуляторной батареей и потребителями, 111 —для соединения с регулятором напряжения, «—» (поз. 20) — для соединения с корпусом регулятора напряжения.

Ротор генератора состоит из катушки возбуждения, намотанной на картонный каркас, надетый на стальную втулку. С торцов катушка зажата двумя клювообразными полюсными наконечниками, которые и образуют 12-полюсную магнитную систему. Концы катушки возбуждения припаяны к двум изолированным от вала контактным кольцам. Втулка, полюсные наконечники и контактные кольца напрессованы на вал. Вал вращается в двух шариковых подшипниках закрытого типа, установленных в крышке со стороны контактных колец и крышке со стороны привода. Подшипник имеет большие размеры по сравнению с подшипником, так как он воспринимает большие радиальные нагрузки от шкива, на который давит натянутый ремень передачи. При сборке подшипников их заполняют смазкой, и в процессе эксплуатации они в смазке не нуждаются.

Крышки отливаются из алюминиевого сплава. Они имеют вентиляционные окна. Крышка со стороны контактных колец имеет лапу для крепления генератора на двигателе. В ней установлены пластмассовый щеткодержатель 8 и выпрямительный блок (БПВ 4-60-02). Для предотвращения от проворачивания наружной обоймы шарикоподшипника в выточке крышки установлено резиновое уплотнительное кольцо.

Щеткодержатель крепится к крышке двумя болтами. Две графитовые щетки, установленные в направляющих отверстиях щеткодержателя, пружинами прижимаются к контактным кольцам. Одна щетка соединена с изолированным штекерным выводом Ш, другая — с корпусом генератора.

Крышка имеет две лапы. Одна, нижняя, как и лапа крышки, предназначена для крепления генератора на двигателе. Другая, верхняя, имеет резьбовое отверстие и предназначена для крепления натяжной планки.

Статор генератора состоит из сердечника, набранного из отдельных изолированных друг от друга пластин электрической стали и соединенных в пакет сваркой. Сердечник статора установлен между крышками и стянут вместе с ними четырьмя винтами. На внутренней поверхности сердечника имеется 36 зубцов, в пазах между которыми уложена трехфазная обмотка статора, соединенная по схеме «двойная звезда». Каждая фаза представляет собой две параллельно включенные цепи с тремя последовательно соединенными катушками. Свободные концы фаз обмотки статора соединены с тремя выводами выпрямительного блока. Шина диодов прямой проводимости соединена с выводом « + » (поз. 22) генератора, а шина диодов обратной проводимости — с корпусом генератора.

Шкив и вентилятор установлены на валу генератора на шпонке и закреплены гайкой с пружинной шайбой.

Генератор Г286А (Г286В) представляет собой трехфазную синхронную машину со встроенными выпрямительным блоком и интегральным регулятором напряжения (ИРН) Я112А. По сути дела это генераторная установка.

Сердечник статора, закрепленный между крышками тремя болтами, имеет равномерно расположенных пазов. Обмотка статора соединена по схеме «двойная звезда». Обмотка возбуждения расположена внутри двух клювообразных половин сердечника ротора. Выводы фазных обмоток соединены с выпрямительным блоком (БПВ 8-100-02). Выпрямительный блок имеет такую же конструкцию, как и у генератора 32.3701.

Рис. 3. Генератор Г286А

Отличительной особенностью генератора Г286А является также взаимное расположение контактных колец и подшипника в крышке.

Так как регулятор напряжения включается в цепь обмотки возбуждения, его встраивают в щеткодержатель. Вместе они образуют единый съемный блок 6. Крепится блок винтами к основанию щеткодержателя, который установлен на крышке. Болт служит выводом обмотки возбуждения и регулятора напряжения.

Блок щеткодержателя и регулятора напряжения состоит из щеткодержателя, интегрального регулятора и металлического теплоотвода — крышки.

Регулятор состоит из медного основания, на котором размещены элементы схемы, пластмассовой крышки для защиты элементов схемы от механических повреждений и жестких шинных выводов. Медное основание является отрицательным выводом регулятора. Оба вывода В регулятора соединены накоротко внутри. Один из них является основным, другой — дублирующим. При установке на щеткодержатель выводы регулятора напряжения ложатся на шины. К шинам приварены токопроводящие канатики, соединяющие их с щетками. Сверху на регулятор напряжения устанавливается крышка, и весь блок скрепляется винтами. Таким образом, электрическое соединение шин регулятора и щеткодержателя осуществляется прижимным контактом.

Генератор 37.3701 (рис. 4) — генераторная установка, представляет собой синхронную машину переменного тока с встроенным выпрямительным блоком БПВ 11-60-02 и регулятором напряжения 17.3702.

Статор генератора имеет 36 равномерно расположенных пазов, в которых размещена трехфазная обмотка, соединенная по схеме «двойная звезда». Каждая фаза состоит из двух параллельно соединенных ветвей, в каждой из которых шесть непрерывно намотанных катушек.

Ротор не имеет особых конструктивных отличительных особенностей.

Выпрямительный блок, вмонтированный в крышку, отличается от традиционных тем, что в него вмонтированы три дополнительных диода прямой проводимости, через которые осуществляется питание обмотки возбуждения от генератора. Выпрямленное напряжение с дополнительных диодов подается на штекерный вывод, обозначаемый на схемах вывод «61», и проводником на штекерный вывод регулятора напряжения, который имеет маркировку В. Вывод В регулятора через контакт связан также с одной из щеток. Не показанный на рисунке вывод Ш регулятора контактирует с другой щеткой. Регулятор напряжения имеет еще вывод Б, который проводником соединен с положительным выводом генератора, обозначаемым на схемах «30».

Рис. 4. Генератор 37.3701: 1 — крышка со стороны контактных колец; 2 — выпрямительный блок; 3— вентиль выпрямительного блока; 4 — винт крепления выпрямительного блока; 5 — контактное кольцо; 6 — задний шарикоподшипник; 7 — конденсатор; 8 — вал ротора; 9 — вывод «30» генератора; 10 — вывод «61» генератора; 11 — вывод «В» регулятора напряжения; 12 — регулятор напряжения; 13 — щетка; 14 — шпилька крепления генератора к натяжной планке; 15 — шкив с вентилятором; 16 и 23 — полюсные наконечники ротора; 17 — дистанционная втулка; 18 — передний шарикоподшипник; 19 — крышка со стороны привода; 20 — обмотка ротора; 21 — статор; 22 — обмотка статора; 24 — буферная втулка; 25 — втулка; 26 — поджимная втулка

На генераторе установлен конденсатор емкостью 2,2 мкФ. Он подключен между корпусом и положительным выводом генератора. Конденсатор служит для защиты электронного оборудования автомобиля от импульсов напряжения в системе зажигания и снижения уровня помех радиоприему.

Характеристики генераторов. На автомобилях генераторы работают в условиях постоянно изменяющейся частоты вращения и тока нагрузки. При этом должно обеспечиваться в определенных пределах постоянство напряжения генератора.

Генераторы характеризуются прежде всего номинальными данными: напряжением, током, мощностью.

Номинальное напряжение генераторов, работающих в схемах электрооборудования с номинальным напряжением 12В, принято 14В, а для 24-вольтовых схем — 28В. Номинальный ток генератора — это максимальный ток нагрузки, который может отдать генератор при частоте вращения ротора 5000 об/мин и номинальном напряжении. Значения номинального напряжения и тока наносятся на крышке генератора. Номинальная мощность определяется как произведение номинального напряжения на номинальный ток.

Энергетические возможности генераторов характеризуются токоскоростной характеристикой. Это зависимость тока, отдаваемого генератором, от частоты вращения ротора (рис. 5). Характеристика снимается при номинальном напряжении генератора и постоянном, обычно номинальном, напряжении на обмотке возбуждения.

Эта характеристика чрезвычайно важна, так как она показывает возможности генератора при различной частоте вращения ротора.

Из рис. 5 видно, что без нагрузки напряжение генератора достигает номинальной величины при частоте вращения «о, которая у различных генераторов колеблется от 900 до 1200 об/мин.

Рис. 5. Токоскоростная характеристика генераторов

Якорем в синхронной машине является статор. При протекании по обмотке статора тока возникает магнитное поле статора, которое направлено против основного магнитного поля ротора и размагничивает его. При увеличении тока нагрузки возрастает ток обмотки статора, усиливается его магнитное поле, что приводит к увеличению размагничивания магнитного поля ротора. В результате в катушках статора наводится меньшая по величине э. д. с. и ограничивается максимальная сила тока, отдаваемого генератором.

Полное сопротивление Z обмотки статора, по которой протекает переменный ток, складывается из активного R и индуктивного сопротивлений:

Активное сопротивление обмотки статора зависит только от ее температуры. С увеличением температуры оно повышается. Поэтому с увеличением температуры ток отдачи генератора несколько понижается.

Начальная частота вращения нормируется техническими условиями на конкретные типы генераторов. Задается она для двух состояний генератора: холодного и горячего. Температура генератора в холодном состоянии должна быть в пределах 15—35 °С. Горячее состояние соответствует установившейся температуре генератора, работающего в режиме номинальной мощности.

Указанные характеристики могут задаваться для двух вариантов питания обмотки возбуждения: при питании обмотки возбуждения собственно от генератора (самовозбуждение) и при питании от постороннего источника питания (независимое возбуждение). Ток, отдаваемый генератором при самовозбуждении, будет меньше тока, отдаваемого генератором при независимом возбуждении, так как в первом случае часть его идет на питание обмотки возбуждения.

Характеристики начала отдачи тока генераторами без встроенных регуляторов напряжения задаются при напряжении питания обмотки возбуждения, равном номинальному, как при независимом возбуждении, так и при самовозбуждении. Наличие встроенного регулятора напряжения обусловливает необходимость подачи такого напряжения, при котором регулятор еще не вступает в работу. Поэтому питание обмотки возбуждения генераторов с встроенными регуляторами напряжения осуществляется при 13В и характеристики генераторов с самовозбуждением задаются также при напряжении на их выводах 13В.

Рекламные предложения:

Читать далее: Регулирование напряжения генератора

Категория: — Электрооборудование автомобилей

Главная → Справочник → Статьи → Форум

Устройство генератора тока | У электрика.ру

Приветствую всех на нашем сайте. Сегодня мы поговорим об устройстве генератора тока. Попробуем максимально охватить данную тему  и рассмотреть устройство  генераторов постоянного и переменного токов.

На самом деле, не совсем верно называть это устройство генератором именно переменного или постоянного тока, поскольку, ток возникает только в замкнутом контуре. В общем, в обмотках генератора возникает ЭДС, а не ток. Ток начинает протекать только тогда, когда к обмоткам подключается какой-либо потребитель. Однако, в этой статье мы будем пользоваться устоявшимися понятиями.

Какие бы ни были электрические генераторы основной их принцип – выработка электрической энергии за счёт вращения обмотки в магнитном поле. Это значит, что можно выделить два схематических вида генераторов: либо мы вращаем магнитное поле в неподвижном проводнике, либо вращаем проводник в неподвижном магнитном поле.

Содержание:

Устройство генератора переменного тока

Итак, относительно устройства генератора переменного тока и принципа его действия.

Наибольшее распространение получили генераторы переменного тока с неподвижным проводником. Обусловлено это тем, что ток возбуждения по отношению к току, который получают с генератора, небольшой. Если посмотрите на картинку, то увидите два кольца, по которым протекает ток обмотки возбуждения и это слабое звено любого генератора с обмоткой возбуждения. То есть, либо по кольцам через щётки мы подаем небольшой ток возбуждения, либо через кольца снимаем большой рабочий ток. В электричестве неподвижная часть генераторов или двигателей, на которой находится обмотка, называется статором. Подвижная часть может называться ротором или якорем.

Основные виды генераторов переменного тока

Видов генераторов довольно много. Попробуем классифицировать их по основным направлениям.

• По виду используемой энергии:
  • Энергия ветра
  • Энергия газа
  • Энергия жидкого топлива
  • Энергия тепла
  • Энергия воды
• По типу генератора:
  • Однофазный
  • Трёхфазный
  • Синхронный
  • Асинхронный
  • По количеству полюсов статорной обмотки

Есть и другие типы, но они менее распространены.

• По типу возбуждения:
  • Независимое возбуждение. В этом случае на одном валу с генератором переменного тока находится еще и генератор постоянного тока, который питает только обмотку возбуждения. Возбуждение в таком случае может выполняться и любым другим источником тока, например, аккумулятором.
  • Самовозбуждение. В этом случае, напряжение для обмотки возбуждения получают непосредственно с используемого генератора.
  • Возбуждение с помощью магнитов, которые располагаются на статоре или на якоре, что значительно упрощает устройство генератора, но с помощью такого способа получить мощные генераторы не получится.

Синхронный генератор : схема, устройство, принцип работы

Что значит синхронный по отношению к двигателю или генератору? Если совсем просто, то частота переменного тока жёстко зависит от скорости вращения ротора электрической машины и наоборот. Таким образом, можно относительно легко контролировать частоту переменного тока. Сам по себе синхронный генератор имеет ряд преимуществ, благодаря которым стал наиболее распространенным. Скажу вам по большому секрету, именно синхронные генераторы используются на всех станциях, где производят электричество.

Приводным двигателем (на схеме обозначен как ПД) может выступать любое вращающее устройство: двигатель, турбина, крыльчатка ветряной мельницы или водяного колеса. На одном валу с ПД находится ротор генератора с обмоткой возбуждения. На обмотку подается постоянное напряжение и вокруг обмотки образуется магнитное поле. Когда ротор вращается, в обмотках статора возникает ЭДС, то есть появляется напряжение, только уже переменное, частота которого зависит от скорости вращения ротора n₁ и количества пар полюсов p. Частоту ЭДС можно высчитать по формуле.

Асинхронный генератор: схема, устройство, принцип работы

Устройство асинхронного генератора

Асинхронный генератор, это, по сути, асинхронный двигатель. То есть, любой асинхронный двигатель можно перевести в режим генерации энергии и наоборот. Конструктивно, устройство, которое называют генератором, выполнено таким образом, чтобы иметь хорошее охлаждение. Глубоко останавливаться на принципе действия асинхронных машин не будем, но вкратце расскажу, почему их называют асинхронными на примере двигателя.

Когда на обмотки статора подается напряжение, образуется магнитное поле, у трёхфазных двигателей оно круговое, у однофазных эллипсообразное, стремящееся к круговому. Магнитное поле начинает пересекать витки обмотки статора. В короткозамкнутой обмотке ротора возникает ЭДС, то есть напряжение, а поскольку обмотка короткозамкнутая, по ней начинает протекать ток, который тоже создает магнитное поле. Взаимодействие этих магнитных полей приводит ротор в движение. Что будет, если скорость ротора станет равна скорости магнитного поля, создаваемого статором? Правильно, магнитное поле статора перестанет пересекать обмотку ротора. Это можно сравнить с тем, что две машины двигаются на одинаковой скорости. Вроде бы машины двигаются, но при этом по отношению друг к другу они словно стоят на месте, просто земля с большой скоростью проносится под машинами. Так вот, как только скорость ротора и скорость магнитного поля статора станут одинаковыми, в обмотке ротора перестанет вырабатываться ЭДС, прекратится взаимодействие магнитных полей статора и ротора и ротор начнёт останавливаться. Поэтому скорость вращения ротора асинхронного двигателя всегда несколько меньше скорости вращения магнитного поля статора и эта величина называется скольжение.

Так вот, чтобы асинхронный двигатель стал генератором, надо определить скольжение и увеличить скорость вращения ротора на эту величину. Допустим, мы имеем однополюсный трехфазный асинхронный двигатель со скоростью вращения вала 2800 оборотов. Если бы такой двигатель был синхронным, скорость вращения составила бы 3000 оборотов. То есть скольжение составляет 200 оборотов в минуту. Это значит, что если мы начнём вращать ротор со скоростью 3200 оборотов в минуту, то двигатель перейдёт в генераторный режим и будет уже не потреблять, а вырабатывать ЭДС.

Сложность применения таких генераторов в том, что они подвержены провалам. Например, если включить активную нагрузку (лампочку накаливания или нагреватель), пусковой ток будет небольшим. Значительной перегрузки не произойдет, и генератор будет работать стабильно. Если же включить реактивную нагрузку, например, двигатель, то будет большой пусковой ток, превышающий номинальный в 5-20 раз, который «провалит» генератор, то есть вызовет резкое падение напряжения на обмотках генератора. После такого провала асинхронный генератор снова нужно возбуждать. Так что, простота асинхронного генератора перевешивается серьезным недостатком.

Ну и еще нужна конденсаторная установка для возбуждения короткозамкнутой обмотки ротора. Если подобрать неверно ёмкость конденсаторов, то в случае «недобора» от генератора мы получим меньше тока, а в случае «перебора», наш генератор будет сильно перегреваться.

Схемы подключения

Собственно, даже не схемы включения, а варианты. Их, как правило, три:

• Автоматическое включение. В этом случае устанавливается специальный блок аварийного включения. Как только отключают напряжение в сети, блок подаёт команду на запуск генератора и переключает сеть с внешнего источника питания, на генераторную установку.
• Ручное включение. В этом случае, пользователь сам проводит операцию переключения с внешнего источника питания на генераторную установку и вручную запускает генератор.
• Синхронная работа. Такой режим, в основном используется на крупных станциях, генераторы которых объединены в одну сеть. Все генераторы этой сети работают синхронно, с одной частотой, с одной очерёдностью фаз и с одинаковым напряжением на обмотках статора.

Однофазный генератор

Здесь я подробно останавливаться не буду. Такие устройства сейчас можно встретить в любом магазине инструментов. Если однофазный генератор используется как запасной источник электроэнергии, то подключается к домовой сети, как правило, посредством рубильника. То есть, одновременно внешний источник питания и генератор на одну сеть не могут – либо то, либо другое. Во-первых, незачем, во-вторых, это сильно усложнило бы и увеличило стоимость бытовых генераторов. Единственное, на чём могу здесь остановиться, это включение однофазного генератора в трёхфазную сеть.

Включение однофазного генератора в трёхфазную сеть

Однако у такого метода есть свой недостаток. Трёхфазные двигатели в такой сети работать не будут, если же их включить, то очень быстро нагреются и выйдут из строя.

Трехфазный генератор

Трёхфазные генераторы могут быть бытовыми и промышленными. Устройство генератора трёхфазного тока в бытовом варианте практически ничем не отличается от однофазного, как и схема включения. Единственное условие при включении бытового генератора в сеть, если в такой сети имеются трёхфазные двигатели – соблюдать очередность фаз. В случае же, если нагрузка в доме однофазная, то такой предосторожностью можно пренебречь.

Устройство генератора трёхфазного тока в промышленном варианте – это устройство, оснащенное автоматическим пуском и иногда может быть оснащено устройством синхронизации. Подключение таких генераторов лучше доверить специалистам.

Ну а бытовой генератор точно так же, как и однофазный включается в сеть через рубильник. Следовательно, в зависимости от положения рубильника работает либо внешний источник питания, либо генератор.

Устройство генератора постоянного тока

Чтобы узнать, что такое генератор постоянного тока, устройство и принцип действия вернёмся немного назад. Мы уже выяснили, как работает генератор переменного тока. Давайте подробнее рассмотрим процесс возникновения ЭДС. Поскольку ротор вращается, у нас есть цикл равный одному обороту ротора или 360°. Давайте узнаем, что происходит в этом цикле:

• 0° — ЭДС =0
• 90° — ЭДС достигает максимального значения со знаком «+»
• 180° — ЭДС снова равна 0
• 270° — ЭДС достигает пикового значения со знаком «-»

Как же сделать так, чтобы не менялась полярность напряжения? Великие умы придумали следующее – применить коллектор, то есть, снимать напряжение только нужной полярности. Помните, мы говорили, что в генераторе переменного тока, рабочей является обмотка статора, а на роторе находится обмотка возбуждения. Так вот, в генераторе постоянного тока напряжение снимается только с ротора, который называется якорем.

Схема генератора постоянного тока

Если такой генератор будет иметь только одну пару полюсов, как на картинке, то мы получим пульсирующее постоянное напряжение, где частота будет в два раза больше скорости вращения. То есть, если скорость вращения будет 50 оборотов в секунду, то частота пульсации будет 100 Гц. Чтобы снизить пульсацию напряжения увеличивают количество пар полюсов.

С момента изобретения генератора постоянного тока схематично и по принципу действия он практически не изменился, изменилась лишь технология изготовления и сейчас он выглядит так:

Основные виды генераторов постоянного тока

В настоящее время набирают популярность двигатели постоянного тока без коллектора. Возможен ли вариант бесколлекторного генератора? К сожалению, пока решить эту задачу не удалось. Так что, если вы где-то увидите название «Бесколлекторный генератор постоянного тока», знайте, что это генератор переменного тока с выпрямительным блоком.

По этой причине, генераторы постоянного тока характеризуют только по типу возбуждения:

1. Генераторы, возбуждаемые магнитами. Большую мощность такие генераторы развить не могут, поэтому нашли применение только там, где требуются небольшие мощности. Ну и, конечно же, применение магнитов ощутимо удешевляет стоимость таких генераторов.
2. Независимое возбуждение. Точно так же, как и у генераторов переменного тока, для возбуждения применяется внешний источник питания, не связанный с генератором.
3. Зависимое возбуждение, которое делится на три типа:
   • Параллельное возбуждение. Как можно понять из названия, обмотка возбуждения в таком генераторе подключена параллельно обмотке якоря. Иногда такой вид возбуждения называют шунтовый.
   • Последовательное возбуждение. Здесь обмотка возбуждения подключается как гирлянда, последовательно обмотке якоря. Такой вид иногда называют сериесным.
   • Смешанное возбуждение или компаундное. Обмотка возбуждения таких генераторов состоит из двух частей, первая подключается шунтовым методом, вторая сериесным.

Генераторы с независимым возбуждением: схема, устройство, принцип работы

Схема генератора независимого возбуждения

Принцип работы этого генератора довольно прост. Однако простота генератора является его же недостатком – он требует внешнего независимого источника питания. Якорь генератора разгоняют до необходимой скорости, затем с помощью реостата начинают возбуждать генератор. На обмотках якоря возникает ЭДС и при подключении нагрузки начинает протекать ток.

Нагрузочная способность такого генератора очень хорошая. Как правило, разница между напряжением холостого хода, когда нагрузка не подключена и напряжением при номинальной нагрузке генератора, когда потребитель загружает полностью – составляет всего 5-10%.

Преимущество генератора с независимым возбуждением ещё и в том, что его можно запускать под нагрузкой, то есть, с присоединенными электроприборами.

Генераторы с параллельным возбуждением: схема, устройство, принцип работы

Схема генератора параллельного возбуждения

У генератора с параллельным включением обмотки возбуждения, в принципе, тоже неплохие нагрузочные характеристики, хотя и несколько хуже, чем у схем с независимым возбуждением – 10-30%. У схем с зависимым возбуждением есть одна особенность, для того, чтобы произошло возбуждение, металл генератора должен иметь остаточную намагниченность. Достаточно 2-3% остаточной намагниченности чтобы запустился процесс самовозбуждения. Конечно же, при этом направление обмотки возбуждения должно совпадать с направлением поля остаточной намагниченности.

Якорь генератора раскручивают до номинальных оборотов, за счет остаточного намагничивания происходит самовозбуждение, то есть, в контуре генератор-обмотка возбуждения появляется ЭДС, появляется небольшой ток. Он увеличивает ЭДС, следовательно, ток снова увеличивается и так происходит до тех пор, пока не будет достигнут баланс между падением напряжения в обмотке генератора и падением напряжения в обмотке возбуждения.

В работе генератора есть одна особенность. Если плавно увеличивать нагрузку вплоть до короткого замыкания, то в какой-то момент мощность генератора достигнет пиковых значений, затем пойдет на спад. По сути, если в момент номинальной загрузки генератора устроить короткое замыкание, то ничего страшного не произойдет. Но если это сделать при небольшой нагрузке, то ток короткого замыкания достигает критических значений 8-10 I_н, а значит, такие генераторы крайне настоятельно рекомендуется защищать от короткого замыкания любым доступным способом.

Такие генераторы получили наибольшее распространение, поскольку не требуют внешних источников питания, имеют неплохую нагрузочную способность и позволяют контролировать ток возбуждения.

Генераторы с последовательным возбуждением: схема, устройство, принцип работы

Схема генератора последовательного возбуждения

Поскольку ток обмотки возбуждения в данном случае равен току в цепи, а значит, достигает больших значений, обмотка возбуждения выполняется толстым проводом и имеет меньшее количество витков, чем в предыдущих двух схемах. Принцип работы такой же, как и у предыдущей схемы. Обмотка и поле остаточной намагниченности должны совпадать по направлению. При раскручивании якоря до номинальной частоты возникает ЭДС, поднимается ток и дальше по нарастающей, пока не будет достигнут баланс.

Но здесь есть один небольшой нюанс. Ток обмотки возбуждения изменяется от тока нагрузки, и регулировать ток возбуждения возможности нет. А это приводит к тому, что очень сильно изменяется и напряжение. Здесь мы получаем самый настоящий генератор тока, а не напряжения. Именно поэтому область применения генератора с последовательным возбуждением сильно ограничена.

Генераторы со смешанным возбуждением: схема, устройство, принцип работы

Схема генератора со смешанным возбуждением

На этом типе соединения нужно остановиться подробнее. У нас есть две обмотки, а значит, их можно включать как согласованно, так и встречно. Здесь я приведу график внешних характеристик  такого генератора, и мы по ним пройдемся.

График внешних характеристик генератора постоянного тока со смешанным возбуждением

Итак, раскручиваем якорь до номинальных оборотов. Остаточная намагниченность возбуждает параллельную обмотку, генератор выходит на рабочий режим. Теперь, если мы подключим нагрузку, при этом последовательная обмотка включена согласованно, то возникает дополнительный ток возбуждения. Последовательная обмотка становится, как бы, поддерживающей или опорной. Этот вид включения, если последовательная обмотка была рассчитана, как компенсирующая, позволяет довольно жестко поддерживать напряжение в заданных пределах. На графике это очень хорошо видно по кривой №1.

Если требуется получить некий запас напряжения, например, генератор находится на значительном удалении от потребителя и требуется учесть потери на кабельных линиях, то в последовательной катушке возбуждения увеличивают количество витков. Тем самым, мы получаем более крутую внешнюю характеристику, но поддержание напряжения на номинальных нагрузках остается по-прежнему жестким. Это видно по кривой №2.

Для сравнения, кривая №3 показывает внешнюю характеристику генератора только с параллельным возбуждением.

Так зачем же требуется встречное включение катушек возбуждения? Если вы посмотрите на кривую №4, то можете догадаться, что в случае короткого замыкания, ток возрастает до определенного момента, затем начинает падать. Из графика видно, что ток не достигает даже номинального значения, то есть, примерно 0,7 I_н. В таком варианте включения обмоток генератор без риска повреждения можно использовать для частых коротких замыканий, например сварочные работы.

К сожалению, у всех схем, где используется зависимое возбуждение, есть один существенный недостаток. Поскольку это трудно назвать возбуждением, скорее это самовозбуждение, то запускать такие генераторы вместе с нагрузкой не представляется возможным. Как я уже говорил выше, возбуждение происходит за счёт остаточного намагничивания, которое составляет буквально 2-3%. А значит, если к выводам генератора будет подключена нагрузка, ток будет стремиться по пути наименьшего сопротивления, то есть самой нагрузки. Другими словами, вместе с нагрузкой тока будет недостаточно для формирования магнитного поля.

Думаю, на этом можно закончить ознакомительную статью по генераторам переменного и постоянного тока.

Поделиться ссылкой:

Похожее

Генератор постоянного тока: устройство, принцип работы, классификация

На заре электрификации генератор постоянного тока оставался безальтернативным источником электрической энергии. Довольно быстро эти альтернаторы были вытеснены более совершенными и надёжными трехфазными генераторами переменного тока. В некоторых отраслях постоянный ток продолжал быть востребованным, поэтому устройства для его генерации совершенствовались и развивались.

Даже в наше время, когда изобретены мощные выпрямительные устройства, актуальность генераторов постоянного электротока не потерялась. Например, они используются для питания силовых линий на городском электротранспорте, используемых трамваями и троллейбусами. Такие генераторы по-прежнему используют в технике электросвязи в качестве источников постоянного электротока в низковольтных цепях.

Устройство и принцип работы

В основе действия генератора лежит принцип, вытекающий из закона электромагнитной индукции. Если между полюсами постоянного магнита поместить замкнутый контур, то при вращении он будет пересекать магнитный поток (см. рис. 1). По закону электромагнитной индукции в момент пересечения индуцируется ЭДС. Электродвижущая сила возрастает по мере приближения проводника к полюсу магнита. Если к коллектору (два жёлтых полукольца на рисунке) подсоединить нагрузку R, то через образованную электрическую цепь потечёт ток.

Рис. 1. Принцип действия генератора постоянного тока

По мере выхода витков рамки из зоны действия магнитного потока ЭДС ослабевает и приобретает нулевое значение в тот момент, когда рамка расположится горизонтально. Продолжая вращение контура, его противоположные стороны меняют магнитную полярность: часть рамки, которая находилась под северным полюсом, занимает положение над южным магнитным полюсом.

Величины ЭДС в каждой активной обмотке контура определяются по формуле: e₁ = Blvsinwt; e₂ = -Blvsinwt; , где B – магнитная индукция, l – длина стороны рамки, v – линейная скорость вращения контура, t – время, wt – угол, под которым рамка пересекает магнитный поток.  

При смене полюсов меняется направление тока. Но благодаря тому, что коллектор поворачивается синхронно с рамкой, ток на нагрузке всегда направлен в одну сторону. То есть рассматриваемая модель обеспечивает выработку постоянного электричества. Результирующая ЭДС имеет вид: e = 2Blvsinwt, а это значит, что изменение она подчиняется синусоидальному закону.

Строго говоря, данная конструкция обеспечивает только полярность неподвижных щеток, но не устраняет пульсации ЭДС. Поэтому график сгенерированного тока имеет вид, как показано на рис.2.

Рисунок 2. График тока, выработанного примитивным генератором

Такой ток, за исключением редких случаев, не пригоден для использования. Приходится сглаживать пульсации до приемлемого уровня. Для этого увеличивают количество полюсов постоянных магнитов, а вместо простой рамки используют более сложную конструкцию – якорь, с большим числом обмоток и соответствующим количеством коллекторных пластин (см. рис. 3). Кроме того, обмотки соединяются разными способами, о чём речь пойдёт ниже.

Рис. 3. Ротор генератора

Якорь изготавливается из листовой стали. На сердечниках якоря имеются пазы, в которые укладываются несколько витков провода, образующего рабочую обмотку ротора. Проводники в пазах соединены последовательно и образуют катушки (секции), которые в свою очередь через пластины коллектора создают замкнутую цепь.

С точки зрения физики процесса генерации не имеет значения, какие детали вращаются – обмотки контура или сам магнит. Поэтому на практике якоря для маломощных генераторов делают из постоянных магнитов, а полученный переменный ток выпрямляют диодными мостами и другими схемами.

И напоследок: если на коллектор подать постоянное напряжение, то генераторы постоянного тока могут работать в режиме синхронных двигателей.

Конструкция двигателя (он же генератор) понятна из рисунка 4. Неподвижный статор состоит из двух сердечников полюсов, состоящих из ферримагнитных пластин, и обмоток возбуждения, соединённых последовательно. Щётки расположены по одной линии друг против друга. Для охлаждения обмоток используется вентилятор.

Рис. 4. Двигатель постоянного тока

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.

Технические характеристики генератора постоянного тока

Работу генератора характеризуют зависимости между основными величинами, которые называются его характеристиками. К основным характеристикам можно отнести:

• зависимости между величинами при работе на холостом ходе;
• характеристики внешних параметров;
• регулировочные величины.

Некоторые регулировочные характеристики и зависимости холостого хода мы раскрыли частично в разделе «Классификация». Остановимся кратко на внешних характеристиках, которые соответствуют работе генератора в номинальном режиме. Внешняя характеристика очень важна, так как она показывает зависимость напряжения от нагрузки, и снимается при стабильной скорости оборотов якоря.

Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением выглядит следующим образом: это кривая, зависимости напряжения от нагрузки (см. рис. 5).  Как видно на графике падение напряжения наблюдается, но оно не сильно зависит от тока нагрузки (при сохранении скорости оборотов двигателя, вращающего якорь).

Рис. 5. Внешняя характеристика ГПТ

В генераторах с параллельным возбуждением зависимость напряжения от нагрузки сильнее выражена (см. рис. 6).  Это связано с падением тока возбуждения в обмотках. Чем выше нагрузочный ток, тем стремительнее будет падать напряжение на зажимах генератора. В частности, при постепенном падении сопротивления до уровня КЗ, напряжение падёт до нуля. Но резкое замыкание в цепи вызывает обратную реакцию генератора и может быть губительным для электрической машины этого типа.

Рис. 6. Характеристика ГПТ с параллельным возбуждением

Увеличение тока нагрузки при последовательном возбуждении ведёт к росту ЭДС. (см. верхнюю кривую на рис. 7). Однако напряжение (нижняя кривая) отстаёт от ЭДС, поскольку часть энергии расходуется на электрические потери от присутствующих вихревых токов.

Рис. 7. Внешняя характеристика генератора с последовательным возбуждением

Обратите внимание на то, что при достижении своего максимума напряжение, с увеличением нагрузки, начинает резко падать, хотя кривая ЭДС продолжает стремиться вверх. Такое поведение является недостатком, что ограничивает применение альтернатора этого типа.

В генераторах со смешанным возбуждением предусмотрены встречные включения обеих катушек – последовательной и параллельной. Результирующая намагничивающая сила при согласном включении равна векторной сумме намагничивающих сил этих обмоток, а при встречном – разнице этих сил.

В процессе плавного увеличении нагрузки от момента холостого хода до номинального уровня, напряжение на зажимах будет практически постоянным (кривая 2 на рис. 8). Увеличение напряжения наблюдается в том случае, если количество проводников последовательной обмотки будет превышать количество витков соответствующее номинальному возбуждению якоря (кривая 1).

Изменение напряжения для случая с меньшим числом витков в последовательной обмотке, изображает кривая 3. Встречное включение обмоток иллюстрирует кривая 4.

Рис. 8. Внешняя характеристика ГПТ со смешанным возбуждением

Генераторы со встречным включением используют тогда, когда необходимо ограничить токи КЗ, например, при подключении сварочных аппаратов.

В нормально возбуждённых устройствах смешанного типа ток возбуждения постоянный и от нагрузки почти не зависит.

Реакция якоря

Когда к генератору подключена внешняя нагрузка, то токи в его обмотке образуют собственное магнитное поле. Возникает магнитное сопротивление полей статора и ротора. Результирующее поле сильнее в тех точках, где якорь набегает на полюсы магнита, и слабее там, где он с них сбегает. Другими словами якорь реагирует на магнитное насыщение стали в сердечниках катушек. Интенсивность реакции якоря зависит от насыщения в магнитопроводах. Результатом такой реакции является искрение щёток на коллекторных пластинах.

Снизить реакцию якоря можно путём применения компенсирующих дополнительных магнитных полюсов или сдвигом щёток с осевой линии геометрической нейтрали.

ЭДС

Среднее значение электродвижущей силы пропорционально магнитному потоку, количеству активных проводников в обмотках и частоте вращения якоря. Увеличивая или уменьшая указанные параметры можно управлять величиной ЭДС, а значит и напряжением. Проще всего, желаемого результата можно достичь путём регулировки частоты вращения якоря.

Мощность

Различают полную и полезную мощность генератора. При постоянной ЭДС полная мощность пропорциональна току: P = EI_a. Отдаваемая в цепь полезная мощность P₁ = UI.

КПД

Важной характеристикой альтернатора является его КПД – отношение полезной мощности к полной. Обозначим данную величину символом η_e. Тогда: η_e=P₁/P.

На холостом ходе η_e = 0. максимальное значение КПД – при номинальных нагрузках. Коэффициент полезного действия в мощных генераторах приближается к 90%.

Применение

До недавнего времени использование тяговых генераторов постоянного тока на ж/д транспорте было безальтернативным. Однако уже начался процесс вытеснения этих генераторов синхронными трёхфазными устройствами. Переменный ток, синхронного альтернатора выпрямляют с помощью выпрямительных полупроводниковых установок.

На некоторых российских локомотивах нового поколения уже применяют асинхронные двигатели, работающие на переменном токе.

Похожая ситуация наблюдается с автомобильными генераторами. Альтернаторы постоянного тока заменяют асинхронными генераторами, с последующим выпрямлением.

Пожалуй, только передвижные сварочные аппараты с автономным питанием неизменно остаются в паре с альтернаторами постоянного тока. Не отказались от применения мощных генераторов постоянного тока также некоторые отрасли промышленности.

Видео по теме