Генератор. Устройство и принцип действия.

Генератор. Устройство и принцип действия.

Цели: Изучить устройство и принцип работы генератора переменного тока

Развитие познавательных интересов и интеллектуальных способностей в процессе наблюдений и демонстрации эксперимента.

Задачи: Рассмотреть устройство и принцип работы отдельных частей генератора, статора, ротора, диодного моста, рассмотреть явление электромагнитной индукции.

Как работает генератор переменного тока: генератор превращает механическую энергию в электрическую путем вращения проволочной катушки в магнитном поле. Электрический ток вырабатывается и тогда, когда силовые линии движущегося магнита пересекают витки проволочной катушки.

Устройство и принцип работы автомобильного генератора
Электрооборудование любого автомобиля включает в себя генератор — устройство, преобразующее механическую энергию, получаемую от двигателя, в электрическую. Вместе с регулятором напряжения он называется генераторной установкой. На современные автомобили устанавливаются генераторы переменного тока. Они в наибольшей степени отвечают предъявляемым требованиям.

Требования, предъявляемые к генератору:
выходные параметры генератора должны быть таковы, чтобы в любых режимах движения автомобиля не происходил прогрессивный разряд аккумуляторной батареи;
напряжение в бортовой сети автомобиля, питаемой генератором, должно быть стабильно в широком диапазоне изменения частоты вращения и нагрузок.

Последнее требование вызвано тем, что аккумуляторная батарея весьма чувствительна к степени стабильности напряжения. Слишком низкое напряжение вызывает недозаряд батареи и, как следствие, затруднения с пуском двигателя, слишком высокое напряжение приводит к перезаряду батареи и, ускоренному выходу ее из строя.

Принцип работы генератора и его принципиальное конструктивное устройство одинаковы для всех автомобилей, отличаются только качеством изготовления, габаритами и расположением присоединительных узлов.

Основные части генератора
1. Шкив – служит для передачи механической энергии от двигателя к валу генератора посредством ремня;
2. Корпус генератора состоит из двух крышек: передняя (со стороны шкива) и задняя (со стороны контактных колец), предназначены для крепления статора, установки генератора на двигателе и размещения подшипников (опор) ротора. На задней крышке размещаются выпрямитель, щеточный узел, регулятор напряжения (если он встроенный) и внешние выводы для подключения к системе электрооборудования;
3. Ротор — стальной вал с расположенными на нем двумя стальными втулками кпювообразной формы. Между ними находится обмотка возбуждения, выводы которой соединены с контактными кольцами. Генераторы оборудованы преимущественно цилиндрическими медными контактными кольцами;
4. Статор — пакет, набранный из стальных листов, имеющий форму трубы. В его пазах расположена трехфазная обмотка, в которой вырабатывается мощность генератора;
5. Сборка с выпрямительными диодами — объединяет шесть мощных диодов, запрессованных по три в положительный и отрицательный теплоотводы;
6. Регулятор напряжения — устройство, поддерживающее напряжение бортовой сети автомобиля в заданных пределах при изменении электрической нагрузки, частоты вращения ротора генератора и температуры окружающей среды;
7. Щеточный узел – съемная пластмассовая конструкция. В ней установлены подпружиненные щетки, контактирующие с кольцами ротора;
8. Защитная крышка диодного модуля.

Рассмотрим электрическую схему соединения элементов генератора.

Принципиальная электрическая схема генераторной установки:
1. Включатель зажигания;
2. Помехоподавляющий конденсатор;
3. Аккумуляторная батарея;
4. Лампа-индикатор исправности генератора;
5. Положительные диоды силового выпрямителя;
6. Отрицательные диоды силового выпрямителя;
7. Диоды обмотки возбуждения;
8. Обмотки трех фаз статора;
9. Обмотка возбуждения(ротор);
10. Щеточный узел;
11. Регулятор напряжения;
B+ Выход генератора "+";
B- "Масса" генератора;
D+ Питание обмотки возбуждения, опорное напряжение для регулятора напряжения.

В основе работы генератора лежит эффект электромагнитной индукции. Если катушку, например, из медного провода, пронизывает магнитный поток, то при его изменении на выводах катушки появляется электрическое напряжение, пропорциональное скорости изменения магнитного потока. И наоборот, для образования магнитного потока достаточно пропустить через катушку электрический ток. Таким образом, для получения переменного электрического тока требуются источник переменного магнитного поля и катушка, с которой непосредственно будет сниматься переменное напряжение.

Обмотка возбуждения с полюсной системой, валом и контактными кольцами образуют ротор, его важнейшую вращающуюся часть, которая и является источником переменного магнитного поля.

Ротор генератора
1. вал ротора;
2. полюса ротора;
3. обмотка возбуждения;
4. контактные кольца.

Полюсная система ротора имеет остаточный магнитный поток, который присутствует даже при отсутствии тока в обмотке возбуждения. Однако его значение невелико и способно обеспечить самовозбуждение генератора только на слишком высоких частотах вращения. Поэтому, для первоначального намагничивания ротора через его обмотку пропускают небольшой ток от аккумуляторной батареи, обычно через лампу контроля работоспособности генератора. Сила этого тока не должна быть слишком большой, чтобы не разряжать аккумуляторную батарею, но и не слишком малой, чтобы генератор мог возбудиться уже на холостых оборотах двигателя. Исходя из этих соображений, мощность контрольной лампы обычно составляет 2…3 Вт. После того, как напряжение на обмотках статора достигает рабочей величины, лампа тухнет, и питание обмотки возбуждения осуществляется от самого генератора. В этом случае генератор работает на самовозбуждении.

Выходное напряжение снимается с обмоток статора. При вращении ротора напротив катушек обмотки статора появляются попеременно "северный" и "южный" полюсы ротора, т. е. направление магнитного потока, пронизывающего катушку статора, меняется, что и вызывает появление в ней переменного напряжения. Частота этого напряжения зависит от частоты вращения ротора генератора и числа его пар полюсов.

Статор генератора
1. обмотка статора;
2. выводы обмоток;
3. магнитопровод.

Обмотка статора трехфазная. Она состоит из трех отдельных обмоток, называемых обмотками фаз или просто фазами, намотанных по определенной технологии на магнитопровод. Напряжение и токи в обмотках смещены друг относительно друга на треть периода, т.е. на 120 электрических градусов, как это показано на рисунке.

Осциллограммы фазовых напряжений обмоток
U1, U2, U3 – напряжения обмоток;
Т – период сигнала (360 градусов);
F – фаза смещения (120 градусов).

Фазовые обмотки могут соединяться в "звезду" или "треугольник".

Виды соединения обмоток
1. «звездой»;
2. «треугольником».

При соединении в "треугольник" ток в каждой из обмоток в 1,7 раза меньше тока, отдаваемого генератором. Это значит, что при том же отдаваемом генератором токе, ток в обмотках при соединении в "треугольник" значительно меньше, чем у "звезды". Поэтому в генераторах большой мощности довольно часто применяют соединение в "треугольник", т. к. при меньших токах обмотки можно наматывать более тонким проводом, что технологичнее. Более тонкий провод можно применять и при соединении типа "звезда". В этом случае обмотку выполняют из двух параллельных обмоток, каждая из которых соединена в "звезду", т. е. получается "двойная звезда".

Для того, чтобы магнитный поток обмотки возбуждения подводился непосредственно к обмотке статора и не рассеивался в пространстве, катушки помещены в пазы стальной конструкции — магнитопровода. Так как переменное магнитное поле наводится не только в катушках, но и в магнитопроводе статора, то это приводит к возникновению паразитных вихревых токов, которые ведут к потере мощности и нагревают статор. Для уменьшения проявления этого эффекта магнитопровод изготавливают из набора стальных пластин (пакета железа).

Бортовая сеть автомобиля требует подведения к ней постоянного напряжения. Поэтому обмотка статора питает бортовую сеть автомобиля через выпрямитель, встроенный в генератор. Выпрямитель для трехфазной системы содержит шесть силовых полупроводниковых диодов, три из которых соединены с выводом "+" генератора, а другие три с выводом "—" ("массой"). Полупроводниковые диоды находятся в открытом состоянии и не оказывают существенного сопротивления прохождению тока при приложении к ним напряжения в прямом направлении и практически не пропускают ток при обратном напряжении. Следует обратить внимание на то, что под термином "выпрямительный диод" не всегда скрывается привычная конструкция, имеющая корпус, выводы и т. д. иногда это просто полупроводниковый кремниевый переход, загерметизированный на теплоотводе.

Сборка с выпрямительными диодами
1. силовые диоды;
2. дополнительные диоды;
3. теплоотвод.

Многие производители в целях защиты электронных узлов автомобиля от всплесков напряжения заменяют диоды силового моста стабилитронами. Отличие стабилитрона от выпрямительного диода состоит в том, что при воздействии на него напряжения в обратном направлении он не пропускает ток лишь до определенной величины этого напряжения, называемого напряжением стабилизации. Обычно в силовых стабилитронах напряжение стабилизации составляет 25… 30 В. При достижении этого напряжения стабилитроны "пробиваются ", т. е. начинают пропускать ток в обратном направлении, причем в определенных пределах изменения силы этого тока напряжение на стабилитроне, а, следовательно, и на выводе "+" генератора остается неизменным, не достигающем опасных для

электронных узлов значений. Свойство стабилитрона поддерживать на своих выводах постоянство напряжения после "пробоя" используется и в регуляторах напряжения.

Как было отмечено выше, напряжения на обмотках изменяются по кривым, близким к синусоиде и в одни моменты времени они положительны, в другие отрицательны. Если положительное направление напряжения в фазе принять по стрелке, направленной к нулевой точке обмотки статора, а отрицательное от нее то, например, для момента времени t когда напряжение второй фазы отсутствует, первой фазы — положительно, а третьей — отрицательно. Направление напряжений фаз соответствует стрелкам показанным на рисунке.

Выпрямительный блок служит для преобразования синусоидального напряжения, вырабатываемого генератором, в напряжение постоянного тока бортовой сети автомобиля. Выпрямительный блок представляет собой пластины, выполняющие роль теплоотводов, на которых смонтированы диоды. Блок содержит шесть силовых полупроводниковых диодов, по два на каждую фазу, один на «положительный», другой – на «отрицательный» вывод генератора.

На некоторых генераторах обмотка возбуждения подключена через отдельную группу, состоящую из двух диодов. Данные выпрямители препятствуют протеканию тока разряда аккумуляторной батареи через обмотку при неработающем двигателе. При соединении обмоток по типу «звезда» на нулевом выводе устанавливается два дополнительных силовых диода, что позволяет увеличить мощность генератора до 15%.

Включение выпрямительного блока в схему генератора производится на специальных монтажных площадках с помощью пайки, сварки или болтового соединения.

Регулятор напряжения предназначен для поддержания напряжения генератора в определенных пределах. Современные генераторы оснащаются полупроводниковыми электронными (интегральными) регуляторами напряжения. Различают следующие конструкции электронных регуляторов:

• гибридное исполнение – электронные приборы и радиоэлементы используются в электронной схеме вместе с толстопленочными микроэлектронными элементами;

• интегральное исполнение – все компоненты регулятора напряжения, кроме выходного каскада, выполнены с помощью тонкопленочной микроэлектронной технологии.

Стабилизация напряжения, необходимая при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя и нагрузки, осуществляется автоматически за счет воздействия на ток в обмотке возбуждения. Регулятор управляет частотой импульсов тока и их продолжительностью.

Регулятор напряжения осуществляет изменение напряжения, подводимого для зарядки аккумуляторной батареи, в зависимости от температуры воздуха (т.н. термокомпенсация напряжения). Чем ниже температура воздуха, тем большее напряжение подводится к аккумуляторной батарее.

Привод генератора осуществляется посредством ременной передачи и обеспечивает вращение ротора со скоростью в 2-3 раза превышающую частоту вращения коленчатого вала. В зависимости от конструкции генератора в передаче используется клиновый или поликлиновый ремень. Область применения клинового ремня ограничена размерами ведомого шкива (при определенном диаметре шкива клиновый ремень быстро изнашивается).

Поликлиновый ремень более универсальный, т.к. применим при небольших диаметрах ведомого шкива, и следовательно с его помощью может быть реализовано большее передаточное число. На современных моделях генераторов привод осуществляется поликлиновым ремнем.

На автомобилях может устанавливаться т.н. индукторный (бесщеточный) генератор. Такой генератор имеет ротор, представляющий собой набор спрессованных тонких пластин из трансформаторного железа (ротор из магнитомягкой пассивной ферромассы). Обмотка возбуждения помещена на статоре. Электродвижущая сила в индукторном генераторе получается путем изменения магнитной проводимости воздушного зазора между ротором и статором.

Работа автомобильного генератора

При повороте ключа в замке зажигания, ток от аккумуляторной батареи через щеточный узел и контактные кольца поступает на обмотку возбуждения. В обмотке наводится магнитное поле. С вращением коленчатого вала двигателя начинает вращаться ротор генератора. Магнитное поле ротора пронизывает обмотки статора, на выводах которых возникает переменное напряжение. При достижении определенной частоты вращения генератор переходит в режим самовозбуждения, т.е. обмотка возбуждения запитывается непосредственно от генератора.

Выпрямительный блок преобразует переменное напряжение в напряжение постоянного тока. В таком состоянии генератор обеспечивает требуемый ток для зарядки аккумуляторной батареи и питания потребителей. При изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя и нагрузки в работу включается регулятор напряжения. Он регулирует время включения обмотки возбуждения. При возрастании частоты вращения генератора и уменьшении внешней нагрузки время включения обмотки возбуждения уменьшается, наоборот, при уменьшении частоты вращения и увеличения нагрузки – увеличивается.

В случае, когда потребляемый ток превышает возможности генератора, в работу включается аккумуляторная батарея. Для контроля работоспособного состояния генератора на панели приборов имеется контрольная лампа (лампа контроля заряда).

Параметры генератора

К основным параметрам генератора относятся: номинальное напряжение, номинальный ток, номинальная частота вращения, частота самовозбуждения, коэффициент полезного действия.

В зависимости от конструкции электрической системы автомобиля номинальное напряжение составляет 12 или 24 В. За номинальный ток принимается максимальный ток отдачи при номинальной частоте вращения, которая составляет 6000 об/мин. Зависимость величины силы тока от частоты вращения генератора называется токоскоростной характеристикой. Помимо номинальных значений токоскоростная характеристика включает другие характерные точки:

• минимальная рабочая частота вращения и минимальный ток (минимальный ток составляет 40-50% от номинального тока);

• максимальная частота вращения и максимальный ток (максимальный ток превышает номинальный ток не более 10%).

О том как проверить автомобильный генератор своими руками

Генератор играет в автомобиле очень важную роль, для двигателя он — вроде мини электростанции, которая снабжает всю бортовую сеть автомобиля, включая аккумулятор (АКБ). Неисправность генератора приведет к неминуемой полной разрядке АКБ, после чего двигатель вашего автомобиле просто перестанет работать, равно как и вся бортовая сеть. В итоге вам придется "прикуривать" свой автомобиль или искать новый источник энергии. Очень важно вовремя обнаружить неисправность генератора, для того чтобы не допустить вышеописанного сценария. Для того чтобы произвести диагностику генератора нужно обладать определенными навыками и инструментом. В этой статье я расскажу вас о том, как проверить генератор в домашних условиях при помощи мультиметра.

Для начала о мерах предосторожности и правилах безопасности во время проверки

Нужно быть предельно осторожным и понимать то, что делаешь, для того чтобы нечаянно не повредить генератор или его детали (реле регулятор, диоды выпрямительного моста).

Запрещено:

Проверять работоспособность генератора путем проверки его «на искру», то есть методом короткого замыкания.
Соединять клемму «30» (иногда обозначаться как «В+») с клеммой 67 («D+») или «массой».
Допускать работу генератора при выключенных потребителях, например при отключении его от аккумуляторной батареи.
Проверять вентили генератора напряжением выше 12 В.

Можно и нужно:

Проверять исправность генератора при помощи вольтметра или амперметра.
Во время сварочных работ на кузове автомобиля необходимо отключать провода от генератора и АКБ.
Во время замены проводки в системе генератора провода должны иметь такое же сечение и длину как и «родные» провода.
Перед тем как проверить генератор убедитесь в правильном натяжении ремня генератора, а также исправности всех соединений и клемм. Нормальной считается натяжка ремня, при которой нажимая большим пальцем на середину ремня, он прогнется не больше чем на 10-15 мм.

Проверка генератора автомобиля своими руками

Чтобы проверить регулятор напряжения вам потребуется вольтметр со шкалой от 0 до 15 В. Прежде чем приступать к проверке дайте мотору поработать на средних оборотах при включенных фарах примерно 15 минут. Проверьте напряжение между «массой» генератора и выводами «30» («В+»), на вольтметре у вас должно быть нормальное для вашего автомобиля напряжение (для владельцев «девятки» например, нормальным считается напряжение — 13,5 – 14,6 В). Если напряжение выше или ниже установленного производителем — скорее всего придется заменить регулятор. Не лишним будет также проверить регулируемое напряжение, для этого подключите вольтметр непосредственно к клеммам АКБ. Правда, результаты такой проверки нельзя считать на 100% правильными, потому что есть вероятность проблем с проводкой. Если вы уверены в исправности проводки, тогда результатам можно доверять. Мотор должен работать на высоких оборотах, которые приближены к максимальным, фары и другие потребители электроэнергии автомобиля должны быть включенными. Размер напряжения должен совпадать с параметрами вашего автомобиля.

Диодный мост

Проверка диодного моста относится к комплексу проверок генератора. Для того чтобы проверить диодный мост подключите вольтметр или мультиметр к зажиму «30» («В+») генератора, а также к «массе», и включите прибор в режим измерения переменного тока. Переменный ток на диодном мосту не должен превышать 0,5 В, если у вас вышло больше — скорее всего диоды неисправны.

Пробои на "массу"

Проверка пробивания на «массу» не будет лишней в случае если "гена компостирует мозги". Для этого необходимо отключить аккумуляторную батарею и провод генератора, который идет к клемме «30» («В+»). После этого подключите прибор между клеммой «30» («В+») и отключенным проводом генератора. Смотрим на показания — если на приборе ток разряда превышает 0,5 мА, скорее всего есть пробой диодов или изоляции обмоток генератора.

Сила тока отдачи

Сила тока отдачи генератора проверяется при помощи специального зонда ("примочка" дополнение к мультиметру в виде зажима или клещей), которым провод охватывают, измеряя тем самым силу тока, идущего по проводу.

Для проверки тока отдачи нужно зондом обхватить провод, который идет к зажиму «30» («В+»).
Заведите двигатель – во время проведения измерения он должен работать на высоких оборотах.
Включайте по очереди электропотребители и считывайте показания прибора отдельно для каждого потребителя.
В конце измерений вам необходимо подсчитать сумму показаний. Далее, включите все потребители (которые вы включали поочередно) одновременно и произведите замер показаний мультиметра. Величина не должна быть меньше суммы показаний отдельно измеренных показателей, допустимое расхождение — 5 А.
Проверка тока возбуждения генератора выполняется посредством запуска двигателя и последующей его работы на высоких оборотах. После чего измерительный зонд помещается вокруг провода, ведущего к клемме 67 («D+»). Исправный генератор должен показать величину тока возбуждения — равную 3-7 А.

Проверка обмотки

Чтобы проверить обмотки возбуждения потребуется снятие регулятора напряжения, а также щеткодержателя. Если будет необходимость произведите зачистку контактных колец и проверьте обмотку на предмет отсутствия обрывов и замыканий на «массу». Проверять необходимо омметром, его щупы прикладываются к контактным кольцам, после чего снимаются показания. Сопротивление должно быть в пределах от 5 до 10 Ом. После подключите один электрод прибора к любому из контактных колец, а другой к статору генератора. На дисплее должна показываться бесконечно высокое сопротивление, в противном случае — обмотка возбуждения где-то замыкает на «массу».

Контрольные вопросы:

1. Устройство генератора?

2. Назначение регулятора напряжения генератора?

3. Устройство статора генератора переменного тока?

4. Устройство ротора генератора переменного тока?

5. Какой тип тока вырабатывает статор генератора?

6. Назначение диодного моста генератора?

7. Назначение обмотки возбуждения генератора?

8. Устройство щеточного узла генератора?

9. Из какого сплава изготавливаются контактные щетки генератора?

10. Сколько фаз имеет статор генератора переменного тока?