Принцип действия генераторов переменного тока

Упрощенная схема устройства автомобильного генератора пере­менного тока с клювообразным ротором представлена на рис. 1.2.

 

Рис. 1.2. Автомобильный генератор переменного тока с клювообразным

ротором

В крышке 4 со стороны контактных колец установлены пластмассовый щеткодержатель 8 с двумя прямоугольными медно-графитовыми щетками 6 и выпрямительный блок 1. При помощи крыльчатки 15 создается притяжная вентиляция для охлаждения генератора. Привод генератора осуществляется при помощи шкива 13.

Принцип действия генератора заключается в следующем. При включении замка зажигания на обмотку возбуждения 2 подается напряжение аккумуляторной батареи, которое вызывает появление тока возбуждения. Ток возбуждения, проходя по обмотке возбуждения, создает магнитный поток, рабочая часть которого распределяется по клювообразным полюсам одной полярности. Выходя из полюсов, магнитный поток пересекает воздушный зазор, проходит по зубцам и спинке статора 10, еще раз пересекает воздушный зазор, входит в клювообразные полюсы другой полярности и замыкается через втулку и вал.

При вращении ротора 3 под каждым зубцом статора 10 проходит попеременно то положительный, то отрицательный полюс, т. е. магнитный поток, пересекающий обмотку статора 11, изменяется по величине и направлению (рис. 1.3). При этом в обмотках фазы будет индуцироваться переменная по величине и направлению ЭДС, действующее значение которой

Е_ф = 4,4fwk_обФ, (1.1)

где f - частота; w - число витков обмотки одной фазы; k_об- обмоточный коэффициент;

Ф - магнитный поток.

Частота

f= рn/60,

где р - число пар полюсов; n - частота вращения.

Значение обмоточного коэффициента k_об зависит от числа пазов статора, приходящихся на полюс и фазу

q=z/(2pm) где z- число пазов; m- число фаз.

Рис. 1.3. Изменение во времени магнитного потока в генераторе переменного тока с клювообразным ротором

 

Для отечественных генераторов характерны следующие пара­метры:

Z18 36 72

к_об 0,866 1 0,966

q 0,5 1,0 2

В фазах обмотки статора синхронного генератора индуцируется ЭДС, описываемая зависимостью (1.1), которую можно переписать в более простом виде:

Е=С_еn Ф, (1.2)

 

где С_е= 4, 44 pwk_oб//60 - постоянный коэффициент.

 

Характер изменения ЭДС в проводниках обмотки статора зави­сит от кривой распределения магнитной индукции в зазоре, которая определяется формой полюса. Форму полюса делают такой, чтобы форма ЭДС приближалась к синусоиде.

В автомобильных генераторах наибольшее применение нашли трехфазные мостовые двухполупериодные схемы выпрямления. В этих схемах наиболее благоприятное соотношение между вы­прямленной мощностью P_d и мощностью генератора Р_г (теоретиче­ски Р_г = 1,045P_d. Трехфазная мостовая схема выпрямления обес­печивает относительно небольшие пульсации выпрямленного на­пряжения, что является одним из важных требований к автомо­бильным генераторам в связи с широким применением электроники на автомобиле.

Работает мостовая трехфазная схема выпрямления следующим образом. Предположим, что обмотки статора генератора соедине­ны по схеме «звезда» (рис. 1.4,а). В каждый данный момент време­ни работает тот диод первой группы, у которого анодный вывод в это время имеет наибольший положительный потенциал относи­тельно нейтральной точки N генератора, а вместе с ним - диод второй группы, у которого катодный вывод имеет наибольший по абсолютному значению отрицательный потенциал относительно этой же точки. Частота пульсации выпрямленного напряжения при такой схеме выпрямления равна удвоенному числу фаз генератора, т. е. шесть пульсаций за период (рис. 1.4,6).

Для повышения мощности генератора в выпрямителе могут ис­пользоваться диоды, подключенные к нейтрали трехфазной обмот­ки статора, соединенного по схеме «звезда». Этот эффект достига­ется тем, что в реальных условиях форма напряжения, вырабаты- ваемого генератором, отлична от синусоиды и потенциал ней­тральной точки периодически отличается от нуля.

На современных генераторах для питания обмотки возбуждения применяется отдельный выпрямитель. Он состоит из трех дополни­тельных маломощных диодов (типа Д 223 А с номинальным током 2 А) и трех диодов, общих с силовым выпрямителем

(см. рис. 1.11). Принцип действия выпрямителя для питания обмотки возбуждения такой же, как и у силового выпрямителя. Применение диодов с меньшим падением напряжения в прямом направлении позволяет повысить ток отдачи генератора. Кроме того, подключение обмотки возбуждения к дополнительному выпрямителю препятствует проте­канию через нее тока разрядки аккумуляторной батареи при нерабо­тающем двигателе.

 

 

Рис. 1.4. Мостовая трехфазная схема выпрямления:

а - электрическая схема; б - осциллограммы фазных и выпрямленного

напряжений

В выпрямительных блоках генераторов последних конструкций, например, в компактных генераторах Bosch, вместо обычных сило­вых диодов используются стабилитроны. Применение силовых ста­билитронов позволяет ограничить пики напряжения генератора.

Для соединения фазных обмоток по схеме «звезда» справедли­вы следующие соотношения:

U_л = ; /_л=/_ф,

где U_Л и U_ф - соответственно линейное и фазное напряжение;

/_л, /_ф - соответственно линейная и фазная сила тока.

К выпрямителю подается линейное напряжение генератора. Вы­прямленное напряжение U_d пульсирует с частотой f_n, в 6 раз боль-

шей частоты переменного напряжения генератора,

т. е. f_n = 6f= /60 = 0,1 .

Минимальное значение выпрямленного напряжения равно 1,5 U _фmax, максимальное 1,73 U_фmax. Пульсация выпрямленного напряжения при соединении обмоток генератора по схеме «звезда»

U_d = (1,73-1,5) U _фmax = 0,23 U _фmax

где U_фmax - амплитудное значение фазного напряжения (рис. 1.4.6.)

Среднее значение выпрямленного напряжения (период пульса­ции Т/6)

 

Например, при среднем значении выпрямленного напряжения 14 В пульсация равна 1,95 В. При этом максимальное значение вы­прямленного напряжения 14,65 В, а минимальное 12,7 В.

Ток при подключении к выпрямителю активной нагрузки

l_d = U_d/R_H,

где - R_H, сопротивление нагрузки.

Форма выпрямленного тока имеет такой же вид, как и выпрям­ленного напряжения, т. е. выпрямленный ток будет пульсирующим с амплитудой

Действующее значение фазного тока /ф = 0,815/_d

При рассмотрении соотношений напряжений и токов генератора переменного тока со встроенным выпрямителем следует учиты­вать, что диоды выпрямителя не являются идеальными ключами и что форма кривой напряжения отлична от синусоиды. Поэтому в реальных условиях значения выпрямленного тока и напряжения будут отличаться от теоретических.