Генераторные установки переменного тока

Введение

Генераторы постоянного тока долгое время были единственным типом источников электрической энергии, применявшихся для пи¬тания потребителей и заряда аккумуляторной батареи на авто¬мобилях.

В обмотке якоря генератора постоянного тока индуктируется ток переменного направления (переменный ток), который затем преобразуется в ток постоянного направления (постоянный ток) коллектором. Коллектор, таким образом, играет 'роль выпрями¬теля. Однако процесс выпрямления тока коллектором связан с искрением под щетками, которое вызывает повышенный износ коллектора и щеток, особенно при большой частоте вращения якоря.

С увеличением мощности и количества потребителей электри¬ческой энергии на автомобиле размеры и масса генераторов по¬стоянного тока настолько возросли, что размещать их на двига¬телях стало трудно, а повышение частоты вращения коленчатого вала двигателя и передаточного числа привода генератора уве¬личило износ коллектора и щеток. В связи с этим вместо генера¬торов постоянного тока стали применять автомобильные генера¬торы переменного тока, в которых преобразование переменного тока в постоянный осуществляется полупроводниковыми выпря¬мителями. Комплектно с генераторами переменного тока спроек¬тированы и внедрены в производство новые системы регулирования напряжения вместо прежних вибрационных элект¬ромагнитных регуляторов напряжения. К ним относятся контакт¬но-транзисторные и бесконтактные транзисторные регуляторы на¬пряжения.

В последние годы разработаны и освоены в производстве бес¬контактные транзисторные регуляторы напряжения на интеграль¬ных схемах, очень малые габариты которых позволяют встроить их в генератор.

Комплект генератора постоянного тока с реле-регулятором или регулятором напряжения, а также комплект генератора пе¬ременного тока с выпрямителем и регулятором напряжения бу¬дем называть генераторной установкой.

Генераторные установки переменного тока обладают рядом преимуществ по сравнению с генераторными установками посто¬янного тока.

В генераторе переменного тока отсутствуют коллектор и щет¬ки, снимающие с коллекторных пластин весь ток нагрузки. Вме¬сто них имеются контактные кольца и щетки, служащие для подвода во вращающуюся обмотку лишь небольшого по величине тока возбуждения генератора. Поэтому износ контактных колец и щеток невелик. В транзисторных регуляторах напряжения вооб¬ще нет вибрационных контактов, а в контактно-транзисторных регуляторах напряжения вибрационные контакты значительно разгружены и разрывают лишь небольшой ток.

Все это увеличивает срок службы генераторной установки пе¬ременного тока почти вдвое по сравнению с генераторной уста¬новкой постоянного тока, а повышение срока службы генератор¬ной установки снижает стоимость эксплуатационных затрат.

Сосредоточенная цилиндрическая обмотка возбуждения и клювообразные полюса ротора автомобильного генератора пере¬менного тока, а также отсутствие коллектора дают возможность при равных габаритных размерах получить большую мощность и сократить расход меди в 3 раза по сравнению с генераторами постоянного тока. Более низкая частота вращения начала отдачи генератора переменного тока обеспечивает лучший заряд акку¬муляторной батареи в условиях эксплуатации автомобиля в го¬родских условиях.

Первые автомобильные генераторы переменного тока были спроектированы для работы с отдельными селеновыми выпрями¬телями и вибрационными регуляторами напряжения. Селеновые выпрямители громоздки и их приходилось размещать отдельно от генератора в местах, обеспечивающих их хорошее охлаждение, из-за чего требовалась дополнительная проводка от генератора к выпрямителю. Кроме того, они недостаточно теплостойки и допускают максимальную рабочую температуру не выше +80°С. Поэтому селеновые выпрямители в дальнейшем были заменены кремниевыми выпрямителями, более теплостойкими и малогаба¬ритными, допускающими их размещение внутри генератора. Виб¬рационные регуляторы напряжения также заменяются контактно-транзисторными и бесконтактными регуляторами напряжения.

В настоящее время закончен перевод всех типов отечествен¬ных автомобилей на комплектацию генераторными установками переменного тока. Мощность генераторных установок для массо¬вых автомобилей увеличилась более чем в 2 раза — с 250 Вт до 500—1000 Вт; ресурс увеличен со 100—150 до 150—300 тыс. км. Начат выпуск генераторов для автобусов ПАЗ и КАвЗ с встроен¬ным выпрямительным блоком и встроенным интегральным регу¬лятором напряжения. В дальнейшем все типы автомобильных ге¬нераторов будут иметь встроенные выпрямители и регуляторы на¬пряжения. Развитие применения этих новых конструкций требует изучения принципов работы, характеристик, правил эксплуатации и ремонта автомобильных генераторов переменного тока.

1. Устройство генераторной установки

Генераторная установка переменного тока состоит из трех¬фазного синхронного генератора с электромагнитным возбужде¬нием, выпрямителя и регулятора напряжения вибрационного, контактно-транзисторного или бесконтактного типа.

В зависимости от способа контроля заряда аккумуляторной батареи существуют две схемы соединения генераторной установ¬ки: схема с амперметром (рис. 1) и схема с контрольной лампой (рис. 2). Во избежание разряда аккумуляторной батареи на об¬мотку возбуждения генератора регулятор напряжения включают в общую цепь через выключатель зажигания.

Особенностью автомобильного трехфазного синхронного гене¬ратора (рис. 3) является применение клювообразных полюсов и обмотки возбуждения, состоящей из одной катушки.

В отличие от синхронных явнополюсных генераторов общепро¬мышленного назначения в автомобильных генераторах с клюво-образными полюсами магнитные потоки отдельных полюсов (по¬казаны на рис. 3 пунктиром) замыкаются через сердечник ротора и образуют полный магнитный поток генератора, равный сумме магнитных потоков всех полюсов одинаковой полярности. Это дает возможность применить одну сосредоточенную обмотку воз¬буждения простой формы и расходовать на ее изготовление ми¬нимальное количество проводникового материала — меди. Концы обмотки возбуждения выводят к контактным кольцам, располо¬женным на валу ротора.

В отечественных генераторах число полюсов ротора равно 12. Ротор генератора (рис. 3) состоит из вала с закрепленными на нем втулкой с катушкой возбуждения и полюсными наконечни¬ками (клювами). Роторы всех генераторов проходят динамиче¬скую балансировку. Для балансировки в полюсах надсверливают на небольшую глубину отверстия диаметром 4—8 мм в зависи¬мости от размеров генератора. У некоторых типов генераторов, например Г502, полюсные наконечники отжигают для улучшения их магнитных свойств.

Пакет статора набирают из листов электротехнической стали. В пазах статора размещают трехфазную обмотку. Число пазов может быть различным при одном и том же числе полюсов ро¬тора и определяется типом трехфазной обмотки и электрическими характеристиками генератора.

При открытом пазе (рис. 4, а) витки обмотки удерживаются текстолитовым клином. При полузакрытом пазе (рис. 4, б) про¬вода обмотки при многовитковых катушках закрепляют хлорви

ниловыми трубками, деревянны¬ми или бумажными клиньями. Если катушка обмотки статора имеет один виток, то размеры паза подбирают таким образом, что какого-либо закрепления проводов в пазу не требуется (рис. 4, в).

Рис. 1. Схема соединений генера¬торной установки переменного тока с амперметром дя контроля заря¬да аккумуляторной батареи:

1 - генератор: 2 - выпрямительное уст¬ройство; 3 - регулирующее устройство:

4 - выключатель зажигания; 5 – амп- ерметр;

Ш - вывод обмотки возбуждения: плюсовой вывод выпрямителя

Пазы всех типов изолируются электрокартоном, пленкокартоном или специальным компаун¬дом. Для обмоток статора и воз¬буждения используют провода с изоляцией различными лаками марок ПЭВ1, ПЭВ2, ПЭТВ, ПЭТВТ, ПЭС и др. Обмотки грех фаз статора при мощности генератора до 500—700 Вт сое¬диняются в звезду, при большей мощности — в треугольник или в двойную звезду. Это вызвано тем, что при возрастании мощ¬ности генератора увеличивается диаметр провода обмотки стато¬ра и намотка становится затруд¬нительной — толстый провод трудно гнется. Соединение в тре¬угольник или в двойную звезду позволяет уменьшить силу тока в проводе обмотки и, следова¬тельно, использовать более тон¬кий провод.

Схему обмотки статора по ти¬пу одинарной звезды можно ис¬пользовать для генераторов с числом пазов на полюс и фазу 0,5; 1 и 2. Каждая фаза содер¬жит шесть непрерывно намотан¬ных катушек (рис. 5 и 6), содер¬жащих, каждая несколько вит¬ков.

Рис. 2. Схема соединений генера¬торной установки переменного тока с контрольной лампой заряда ак¬кумуляторной батареи:

1 — генератор; 1 — выпрямительное устройство; 3 — регулирующее устройство;

4 — реле контроля заряда; 5 — контроль¬ная лампа; 6 - выключатель зажигания

Поскольку схема соедине¬ния катушек между собой не зависит от числа витков в катуш¬ке, то все катушки изображены одновитковыми. Начала и концы всех трех фаз обмотки статора обозначены соответственно бук¬вами Н и К. Для соединения в звезду концы всех фаз K1, К2 и К3. соединяются между собой и образуют нулевую точку обмотки. Начала трех фаз Н1, Н2 и Н3 соединяются с выводами. Соединение треугольником применяется редко из-за сложности монтажа катушек: конец первой фазы К1 соединяется с началом второй фазы Н2, конец второй К2 — с началом третьей Н3; конец третьей К3 с началом первой фазы К1 и от всех этих точек соеди¬нения подводятся провода к выводным зажимам.