Воскресенье, 30.04.2017, 21:46
Регистрация RSS
Приветствую Вас, Гость
Статистика



Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Мини-чат
Ресурсы

Канал YOUTUBE autoscienceAiD

Профиль Google+ Autoscience

Группа Вконтакте Autoscience

Главная » 2013 » Декабрь » 18 » Генераторы переменного тока
04:01
Генераторы переменного тока

   Генератор предназначен для снабжения всех электрических систем автомобиля при работающем двигателе. АКБ хоть и хранит некоторый запас энергии, но из-за ограниченной емкости без подзарядки она быстро истощится. Все потребности в электроэнергии, включая подзарядку АКБ, обеспечиваются генератором, который приводится в действие двигателем с помощью ременной передачи. Для подзарядки аккумулятора требуется постоянный ток, поэтому необходим либо генератор постоянного тока (динамо-машина), либо генератор переменного тока с выпрямителем.

   В настоящее время на автотракторной технике используются только генераторы переменного тока в силу своих преимуществ. Однако до внедрения полупроводников, использовались генераторы постоянного тока.

   Из-за конструктивных особенностей, такие электромашины постоянного тока имели существенные недостатки, например, невозможность заряда АКБ при работе двигателя на холостом ходу.

   В связи с широким внедрением электрических устройств в конструкцию автомобиля, возросшие потребности в электроэнергии, генератор постоянного тока не способен был удовлетворить из-за того, что мощность приходилось снимать с вращающегося коллектора угольными щетками, поскольку ток индуцируется в роторе, тогда как обмотки возбуждения неподвижны (рис. 1 а).


Рис. 1. Принципиальные схемы генераторов:

а) постоянного тока (неподвижное магнитное поле),
б) переменного тока (вращающееся магнитное поле);
1-якорь; 2-коллектор с щетками; 3-статор;
Ф – магнитный поток; I–ток; ω– угловая скорость

   У генератора переменного тока (рис. 1 б), обмотки, в которых образуется основной ток, неподвижны, а обмотки возбуждения достаточно легкие и могут вращаться со значительно большей скоростью, чем ротор генератора постоянного тока. При соответствующем подборе передаточного отношения привода, ротор генератора переменного тока может вращаться с достаточной скоростью, чтобы на холостых оборотах давать положительную мощность для зарядки АКБ.

   Преобразование механической энергии, получаемой генератором от двигателя в электрическую, происходит в соответствии с явлением электромагнитной индукции. Если изменяющийся магнитный поток, пронизывает катушку с изолированными друг от друга витками токопроводящего провода, то на выводах катушки возникает ЭДС, пропорциональная произведению числа витков на скорость изменения магнитного потока:

Eк=-WLBV,

где W – количество витков рамки; B – магнитная индукция, Тл; L – длина части рамки (проводника), м; V – вектор линейной скорости перемещения рамки относительно неподвижного магнитного поля, м/с.

   Знак минус означает, что если под действием ЭДС Eк по рамке начнет протекать ток (при подключении нагрузки), то созданное этим током магнитное поле будет противодействовать механической силе, приводящей рамку во вращение.

   Рассмотрим конструкцию и принцип действия некоторых типов генераторов переменного тока. В автотракторных генераторах ЭДС в катушках наводится путем изменении магнитного потока электромагнита:

- по величине и направлению (щеточный вентильный генератор);

- только по величине (бесщёточный генератор индукторного типа).

Основные узлы генератора переменного тока (рис. 2), в которых происходит преобразование механической энергии в электрическую:

– магнитная система с обмоткой возбуждения и стальными участками магнитопровода, по которым протекает магнитный поток Ф;

– обмотки статора, в которых индуктируется ЭДС при изменении магнитного потока ротора.

Рис. 2. Принципиальная схема вентильного синхронного генератора


Щеточный вентильный генератор

   Самый распространенный тип генератора переменного тока. В нем магнитный поток создается обмоткой возбуждения 4 (рис. 2) при протекании по ней электрического тока и системой полюсов 3. Число полюсов всегда кратно двум и, как правило, в реальных конструкциях генераторов их двенадцать.

   Полюса с обмоткой возбуждения, кольца, через которые ток от щеток подводится к обмотке возбуждения, вал и другие конструктивные элементы образуют вращающийся ротор.

   Статор 7 представляет собой магнитопровод, собранный из стальных пластин. В пазы неподвижного  магнитопровода уложена обмотка статора 2, в которой индуктируется электрический ток. Обмотка состоит из трех независимых обмоток фаз (рис. 3), которые (условно обозначены буквами A, B, C) расположены на соседних зубцах статора таким образом, что наводимые в них ЭДС смещены относительно друг друга на 1/3 периода или 120º. В каждой фазе имеется по шесть катушек, включенных последовательно.


Рис. 3. Смещение наводимой ЭДС на соседних зубцах статора на 120º

   Обмотки фаз могут быть соединены между собой в звезду или треугольник (рис. 4), но чаще применяется соединение звездой, которое дает более высокое напряжение между любой парой выводов по сравнению с соединением треугольником. Значение линейного напряжения составляет √3 (1,732) от фазного напряжения. При соединении треугольником, линейное напряжение будет равно фазному, а линейный ток составит 1,732 от одной пары катушек. Поэтому в генераторах большой мощности часто применяют соединение в треугольник, так как при меньших значениях тока, обмотки можно наматывать более тонким проводом, что технологичнее. Более тонкий провод можно применять и при соединении в звезду. В этом случае обмотку статора выполняют из двух параллельных обмоток, каждая из которых соединена в звезду, получается «двойная» звезда.
Выводы фаз обмотки статора соединяются с выпрямителем 1 (рис. 2).



Рис. 4. Соединение обмоток фаз: а) звездой; б) треугольником

   При вращении ротора напротив зубцов статора с расположенными на них обмотками фаз оказываются то северный N, то южный S полюсы ротора. Магнитный поток Ф, пронизывающий обмотки статора, изменяется по величине и направлению, что по закону Фарадея достаточно для появления на их выводах переменного электрического напряжения.

   При этом в обмотках фаз будет индуцироваться переменная по величине и направлению ЭДС:

Eф=4,44fwkобФ,

где f – частота тока, Гц; w – число витков обмотки одной фазы; kоб – обмоточный коэффициент, зависящий от числа пазов статора, приходящихся на полюс и фазу; Ф – магнитный поток;

f=pn/60,             k=z/(2pm),

где z – число пазов; m – число фаз; p – количество пар полюсов.

   В вентильных генераторах р обычно равно 6, поэтому частота их переменного тока в 10 раз меньше частоты вращения ротора.

   Чем выше частота вращения ротора и больше величина магнитного потока, тем быстрее происходит его изменение внутри катушек фаз статора и тем выше значения наводимого в них напряжения.


Рис. 5. Схема вентильного генератора с клювообразным ротором:

1-статор; 2-щетка; 3-обмотка статора; 4-клювообразные полюса;
5-обмотка возбуждения; 6-контактные кольца (коллектор); 7-втулка

   Вентильные генераторы с клювообразным ротором (рис. 5) представляют собой синхронную электрическую машину со встроенным полупроводниковым выпрямителем. Ротор автомобильного вентильного генератора состоит из двух полюсных половин, выступы (клювы) 4 которых образуют у одной половины северную, а у другой – южную систему полюсов. Южные полюса располагаются между северными, а обмотка возбуждения 5, надетая на стальную втулку 7, оказывается зажатой между полюсными половинами. Клювообразное исполнение ротора позволяет с помощью одной катушки образовать многополюсную систему. Таким образом, ротор представляет собой электромагнит с вращающимся переменным электромагнитным полем, магнитодвижущая сила которого определяется как

F=Iв Wв ,

и может регулироваться путем изменения силы тока возбуждения Iв, где Wв – число витков обмотки возбуждения.

   Пакет статора 1 набран из пластин электротехнической стали для уменьшения вихревых токов. В пазах статора размещены катушки трехфазной обмотки 3. Увеличение числа пазов на полюс и фазу позволяет удовлетворить высокие требования к синусоидальности выходного напряжения и КПД. С помощью контактных колец 6 и щеток 2 к обмоткам возбуждения подводится ток Iв для формирования переменного магнитного поля ротора.

   Кроме того, вентильный генератор (рис. 6) оснащен выпрямительным блоком 3 для выпрямления переменного напряжения, создаваемого в обмотках 5 статора 4, шкивом 14 для привода ротора и вентилятором 13 для охлаждения нагревающихся обмоток.


Рис. 6. Генератор переменного тока:

1-задняя крышка; 2-щетки; 3-диод; 4-статор; 5-обмотка статора; 6-подшипник качения;
7-коллектор; 8,9-северный и южный полюса электромагнита; 10-обмотка ротора;
11-передняя крышка; 12-вентилляционное окно; 13-крыльчатка охлаждения;
14-шкив привода

   В настоящее время в отечественной и зарубежной промышленности выпускается множество различных генераторов переменного тока с клювообразным ротором (таблица 1), удовлетворяющих широкой спектр предъявляемых к ним требований.

Таблица 1

Основные параметры некоторых моделей генераторов

Мод.

ген-ра

Частота вращения без нагрузки, об/мин

Ном. напр., В±0,5

Ном.

ток, А

Доп. вып-рями-тель

Интег.

регу-р

напр-я

1

Г222

1250

14,3

50

-

есть

2

37-3701

1100

14,1

55

есть

есть

3

16.3701

1100

-

65

-

-

4

581.3701

1400

13,9

52

-

есть

5

955.3701

1050

14,2

65

есть

есть



Индукторные генераторы

   Индукторный генератор представляет собой бесконтактную, одноименно-полюсную синхронную электрическую машину переменного тока с односторонним электромагнитным возбуждением (рис. 7). Стальная звездочка ротора 2  вращается вместе с валом 5, который проходит внутри неподвижной втулки 8. На втулке закреплена обмотка 7 возбуждения, а на зубцах статора – обмотка 6 статора. При прохождении постоянного тока через обмотку возбуждения в магнитной цепи генератора возникает магнитный поток, силовые линии которого показаны штриховой линией на рисунке 7. Магнитный поток замыкается через воздушный зазор между втулкой и валом, звездочку ротора, рабочий зазор между ротором и статором, пакет статора, крышку со стороны катушки возбуждения и толстостенную шайбу или фланец втулки.


Рис. 7. Схема генератора индукторного типа:

1-магнитопровод статора; 2- ротор (стальная звездочка);
3-крышка задняя (передняя крышка является частью магнитопровода);
4-подшипник; 5-вал; 6-обмотка статора; 7-обмотка возбуждения;
8-магнитная система индуктора (втулка с фланцем); 9-постоянный магнит

   Все зубцы звездочки имеют одну полярность. Изменение магнитного потока связано с изменением магнитной проводимости воздушного зазора под зубцами статора. Поток в зубце статора достигает максимального значения Фmах (рис. 8), когда оси зубцов ротора и статора совпадают, и уменьшается до минимального значения Фmin, когда ось зубца статора совпадает с осью впадины звездочки ротора. Следовательно, магнитный поток в зубцах статора является пульсирующим и изменяется только по величине без изменения направления.


Рис. 8. Изменение магнитного потока в зубце статора по времени

   Для большей степени изменения магнитного потока и, следовательно, повышения мощности генератора во впадинах звездочки ротора закрепляют постоянные магниты. Индукторный генератор может быть однофазным или многофазным, это зависит от числа фазных катушек статора, их расположения и способа соединения. В трехфазных индукторных генераторах статор имеет, как правило, девять зубцов с обмотками.

   Обмотка каждой фазы может иметь несколько катушек, соединенных последовательно, параллельно и смешано  Фазы обмотки статора соединяют в многолучевую звезду или многоугольник.

   Величина индуктируемой ЭДС зависит от амплитуды магнитного потока, числа витков обмотки статора и частоты n вращения ротора. Чем больше число витков, тем при меньшей частоте вращения ротора можно получить требуемое напряжение. Амплитуда магнитного потока зависит от величины тока возбуждения обмотки возбуждения.

   В настоящее время в отечественной промышленности выпускается индукторный генератор 955.3701 переменного тока с неподвижной аксиально-продольной катушкой возбуждения. Генератор оборудован пятифазной обмоткой статора и пятифазным выпрямителем. Ротор этого генератора выполнен в виде шестилучевой звезды, набранной из тонких листов электротехнической стали. Во впадинах звезды расположены постоянные магниты, которые способствуют началу самовозбуждения генератора и несколько повышают его мощность. Также, кроме основной обмотки возбуждения в данном генераторе имеется дополнительная, размагничивающая, обмотка, нейтрализующая действие постоянных магнитов на высоких оборотах ротора генератора. Обмотка статора расположена на 10 зубцах статорного магнитопровода (шаг зубцов – 36º) и разбита на пять фазных секций по две зубцовые катушки в каждой секции. Зубцовые катушки одной и той же фазной секции разнесены между собой по периметру статора на 180º.

   Возможны и другие варианты исполнения статора и подключения обмоток фаз в индукторных генераторах. Но в настоящее время по таким параметрам, как КПД, масса, габариты, индукторные генераторы уступают генераторам с контактными кольцами.


Бесщеточные вентильные генераторы


   Бесщеточные генераторы являются разработкой на базе конструкции генератора с клювообразным исполнением ротора (рис. 9).


Рис. 9. Бесщеточный генератор:

   а) с воздушным охлаждением: 1-шкив; 2-вентилятор; 3-передняя крышка; 4-вращающийся магнитопровод; 5-статор;  6-неподвижная обмотка возбуждения; 7-вал; 8-задняя крышка; 9-регулятор напряжения; 10-диод; 11-кронштейн крепления; 12-подшипник;
   б) с жидкостным охлаждением: 1-шкив; 2-выпрямитель; 3-передняя крышка; 4-корпус генератора; 5-охлаждающая жидкость; 6-кожух рубашки охлаждения; 7-ротор; 8-обмотка статора; 9-статор; 10-немагнитное промежуточное кольцо; 11-вращяющийся магнитопровод (полюс); 12-неподвижная обмотка возбуждения; 13-регулятор напряжения

   В генераторах такого типа вращаются только клювообразные полюсы 11 (рис. 9 б), а обмотка возбуждения 12 остается неподвижной. Одна из полюсных половин удерживается напротив другой посредством немагнитного кольца 10. Магнитный поток, кроме нормального рабочего зазора, должен пересекать два дополнительных воздушных зазора. Выпрямитель 2 подает ток на обмотку возбуждения непосредственно через регулятор напряжения 13.

   Масса таких генераторов несколько больше, чем у щеточных генераторов с клювообразными полюсами, той же мощности.

   Бесщеточные генераторы жидкостного охлаждения излучают меньше шума из-за отсутствия вентилятора, и способны к интеграции с блоком цилиндров двигателя.

   Также существуют конструкции генераторов с укороченными клювами (рис. 10), которые можно получить конструктивно, если раздвинуть клювообразные половины полюса щеточного генератора так, чтобы они не перекрывали друг друга и в образовавшуюся щель пропустить крепежный элемент 4 (немагнитную обойму) и электрические провода обмотки возбуждения 1.


Рис. 10. Схема бесщеточного вентильного генератора с укороченными полюсами:

1-обмотка возбуждения; 2-полюсные половины с укороченными клювами; 3-втулка;
4-крепежный элемент обмотки возбуждения; 5-статор; 6-обмотка статора

   Обмотка возбуждения находится в подвешенном состоянии над стальной втулкой 3 между двумя полюсными половинами 2. При вращении вала генератора, вращаются только намагниченные звездочки, однако площадь их полюсных наконечников мала (по сравнению с щеточными генераторами), и вследствие меньшей амплитуды переменного магнитного потока на зубцах статора, электрическая мощность вырабатываемая таким генератором будет ниже. Но достоинством конструкции является небольшая масса ротора, что позволяет увеличить рабочие обороты генератора, и, следовательно, вырабатываемую им мощность.


Выпрямление переменного тока

   Переменный ток вентильных генераторов выпрямляется полупроводниковыми кремниевыми диодами. Диоды имеют два вывода и пропускают ток только от анодного вывода к катодному, когда к аноду подведен положительный потенциал. В противоположном направлении диоды ток не пропускают, если обратное напряжение не превышает допустимого значения.

   В выпрямителях генераторов используют диоды прямой и обратной полярностей. У диода прямой полярности с корпусом соединен катод, а у диода обратной полярности – анод. В зависимости от числа фаз генератора применяют трех- и пяти фазные выпрямители.


Рис. 11. Выпрямление переменного тока генератора:

а) однополупериодное выпрямление однофазного переменного тока;
б) двухполупериодное выпрямление однофазного переменного тока;
в) однополупериодное выпрямление трехфазного тока;
г) двухполупериодное выпрямление трехфазного тока;
G - генератор; VD - выпрямитель (диод); R - нагрузка; A, B, C - фазы генератора

   По форме выпрямленного напряжения различают одно- и двухполупериодные выпрямители. Однополупериодные выпрямители однофазного источника G (рис. 11 а) переменного тока обеспечивает один диод VD, который включается последовательно с нагрузкой R.

   Для двухполупериодного выпрямления однофазного тока собирают мостовой выпрямитель из четырех диодов VD1 – VD4 (рис. 11 б). Положительная полуволна (первый полупериод) переменного напряжения открывает диоды VD1 и VD4. Во втором полупериоде открыты диоды VD2 и VD3. В течение всего времени работы генератора с мостовым выпрямителем на нагрузку R подается выпрямленное напряжение Ud одного знака.

   Если в каждую фазу трехфазного вентильного генератора включить по одному диоду VD1VD2 и VD3 (рис. 11 в), можно получить однополупериодный выпрямитель трехфазного тока. Каждый диод выпрямителя проводит ток только в течение 1/3 периода, когда напряжение приложено к нему в прямом направлении.

   Двухполупериодный выпрямитель трехфазного тока имеет три пары диодов – VD1 – VD6 (рис. 11 г). Одно плечо выпрямителя образуют диоды VD1 – VD3 прямой полярности, которые катодами соединены с положительным выводом вентильного генератора. Во втором плече выпрямителя установлены диоды VD4 – VD6 обратной полярности. Их аноды соединены с массой. В проводящем направлении работает один из диодов VD1VD2 или VD3, у которого анод имеет наибольший потенциал, а в группе диодов VD4 – VD6 – диод с самым низким потенциалом. Когда в фазе А напряжение положительно и максимально, а в фазах В и С напряжения отрицательны и равны, ток в нагрузку R поступает через открытый диод VD1 и два диода VD5 и VD6. Если напряжение фазы А равно нулю, в фазе В – положительно, а в фазе С – отрицательно, ток проводят диоды VD2 и VD4. Остальные диоды тока не пропускают.

   Частота пульсаций fп выпрямленного двухполупериодным трехфазным выпрямителем напряжения Ud в 6 раз больше частоты переменного тока.


Характеристики вентильных генераторов

    Вентильные генераторы обладают следующими особенностями, влияющими на их характеристики:

- выпрямление переменного тока;

- подбор обмоточных данных, обеспечивающих номинальное напряжение при минимальной частоте вращения ротора, соответствующей режиму холостого хода двигателя;

- самоограничение силы отдаваемого тока.

   Основными параметры вентильного генератора являются: выпрямленное напряжение Ud, частота вращения ротора n и мощность P (или сила тока Id, отдаваемого генератором при заданном напряжении).

   Зависимость выпрямленного напряжения Ud от силы тока возбуждения Iв при отключенной нагрузке и постоянной частоте вращения ротора n называют характеристикой холостого хода (рис. 12). В режиме холостого хода выпрямленное напряжение равно ЭДС Ed. Характеристики холостого хода вентильных генераторов получают при независимом возбуждении.

   Внешние характеристики вентильных генераторов представляют собой зависимости выпрямленного напряжения Ud (рис. 12 б) от силы тока нагрузки Id при постоянной частоте вращения ротора, напряжении на выводах обмотки возбуждения и ее сопротивлении. При увеличении нагрузки выпрямленное напряжение падает под действием реакции якоря, в результате уменьшения напряжения в цепи статора (якоря) и в выпрямителе, причем падение напряжения в обмотках статора значительно и зависит от частоты вращения ротора.


Рис. 12. Характеристики вентильного генератора:

а) холостого хода; б) внешняя; nmaxnсрnpn0 – частота вращения ротора соответственно максимальная, средняя, расчетная и начала отдачи; U – выпрямленное номинальное напряжение

   Внешние характеристики вентильных генераторов определяются при самовозбуждении и независимом возбуждении. Снижение напряжения при увеличении нагрузки происходит не только на активном, но и на индуктивном сопротивлениях обмоток статора. В случае самовозбуждения вентильного генератора падает напряжение на самой обмотке возбуждения. Размагничивающее действие реакции якоря уменьшает магнитный поток в рабочем воздушном зазоре между ротором и статором.

   По семейству внешних характеристик определяется максимальная сила выпрямленного тока Idmax которая создается при заданном или регулируемом значении напряжения.  

 Скоростная регулировочная характеристика (рис. 13 а) вентильного генератора представляет собой зависимость силы тока возбуждения Iв от частоты вращения ротора n при постоянном напряжении Uгн генератора. Обычно она определяется при нескольких значениях силы тока нагрузки.

   Минимальная сила тока возбуждения определяется при силе тока нагрузки, равной нулю, и максимальной частоте вращения ротора вентилятора генератора. Скоростные регулировочные характеристики позволяют определить диапазон изменения силы тока возбуждения от изменения нагрузки при постоянном напряжении.

   При увеличении частоты вращения ротора n и неизменной нагрузке вентильного генератора сила тока Iв возбуждения должна уменьшаться (рис. 13 а), а при увеличении силы тока нагрузки – возрастать (рис. 13 б).

   Напряжение генератора необходимо поддерживать постоянным в диапазоне частот вращения ротора от n0 до nmax при этом сила тока возбуждения будет изменяться от максимального Iвmax до минимального Iвmin значения.

   Кратность регулирования по силе тока возбуждения больше, чем кратность регулирования по частоте вращения ротора. Это происходит потому, что характеристика намагничивания вентильного генератора имеет нелинейный характер, возникает глубокое насыщение магнитной цепи. Наибольшая кратность регулирования по току возбуждения возможна в режиме холостого хода.

Рис. 13. Зависимости напряжения генератора и силы тока возбуждения:

а) от частоты вращения ротора;
б) от силы тока нагрузки;
Uгн – номинальное напряжение

   В связи с непрерывным изменением режима движения автомобиля и, следовательно, частоты вращения ротора и нагрузки вентильного генератора важной является токоскоростная характеристика зависимости силы выпрямленного тока Id, которую вентильный генератор может отдавать потребителям при заданном напряжении, от частоты вращения ротора n (рис. 14).

   Токоскоростная характеристика снимается при постоянном выпрямленном напряжении Ud = const и постоянном токе возбуждения Iв = const. Контрольными являются значения начальной частоты n0 отдачи генератора, максимальная сила тока Idmax при nmax. Расчетные частоты вращения ротора nр и сила тока Idp, определяются в точке касания токоскоростной характеристики 1 и прямой 2, проведенной из начала координат. Этой точке соответствует максимальное значение отношения расчетной мощности Pdp к расчетной частоте вращения ротора nр (режим максимального нагрева вентильного генератора).


Рис. 14. Токоскоростная характеристика

   Токоскоростная характеристика используется при разработке или выборе вентильного генератора. Она может быть определена при независимом возбуждении, самовозбуждении и работе вентильного генератора с регулятором напряжения.

   Все современные автомобильные генераторы обладают свойством самоограничения силы максимального тока. В большом диапазоне частот вращения ротора сила тока возрастает медленно, а при максимальной частоте вращения ротора не превышает заданного максимального значения. Это связано с тем, что с ростом частоты вращения ротора генератора, а следовательно, с ростом частоты индуктируемого в обмотке статора тока повышается индуктивное сопротивление обмотки, поэтому сила тока увеличивается медленнее, асимптотически стремясь к некоторому предельному значению.

Просмотров: 12583 | Добавил: AlexKn | Рейтинг: 4.3/6
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]