Автомобільний генератор, який неодмінно входить до складу будь-якого обладнання транспортного засобу, можна порівняти з участю електростанції у постачанні енергією потреб народного господарства.
Він є основним (при працюючому двигуні) джерелом електроенергії в машині та призначений через електричні дроти, що обплутують весь автомобіль зсередини, підтримувати задану та стабілізовану напругу електромережі автомашини. Принцип роботи автомобільного генератора заснований на теоретичному поданні роботи класичного електричного генератора, що трансформує неелектричні види енергії на електричну.
У конкретному випадку автомобільного генератора вироблення електричної енергіївідбувається за допомогою трансформації механічного обертального рухуколінчастого валу моторного агрегату.
Загальний принцип роботи
Теоретичні передумови, що лежать в основі схеми функціонування електрогенераторів, базуються на відомому випадку електромагнітної індукції, що трансформує один вид енергії (механічний) в інший (електричний). Дія цього ефекту проявляється при приміщенні мідних дротів, покладених у вигляді котушки, і поміщених у магнітне поле змінної величини.
Це сприяє появі у дротах електрорушійної сили, яка надає руху електрони. Цей рух електричних частинокпороджує в , але в кінцевих контактах проводів виникає електричне напруга, за рівнем безпосередньо залежить від цього, з якою швидкістю змінюється магнітне поле. Вироблену таким чином змінну напругу необхідно подавати у зовнішню мережу.
У автомобільному генераторі до створення магнітного явища використовуються обмотки статора, у якому під впливом поля обертається якір ротора. На валу якоря розміщені струмопровідні обмотки, підключені до спеціальних контактів як кілець. Ці кільцеві контакти також закріплені на валу та обертаються разом із ним. З кілець за допомогою струмопровідних щіток і відбувається знімання електричної напругита подача виробленої енергії електроспоживачам транспортного засобу.
Запуск генератора здійснюється за допомогою приводного ременя від фрикційного колеса колінчастого валу моторного агрегату, який для початку роботи запускається від джерела акумулятора. Для забезпечення ефективної трансформації виробленої енергії діаметр шківа генератора повинен помітно поступатися діаметром фрикційному колесу коленвала. Це забезпечує вищі обороти валу генераторного агрегату. У умовах він функціонує підвищенням свого ККД і забезпечує підвищені струмові характеристики.
Вимоги
Щоб забезпечити безпечну роботуу заданому діапазоні характеристик всього комплексу електропристроїв робота автомобільного генератора має задовольняти високим технічним параметрамта гарантувати вироблення стабільного в часі рівня напруги.
Основною вимогою до автомобільних генераторів є стабільне вироблення струму з необхідними потужними характеристиками. Ці параметри покликані забезпечувати:
- підзарядку;
- одночасне функціонування всього задіяного електроустаткування;
- стабільна напруга електромережі в широкому діапазоні зміни частот обертання валу ротора і навантажень, що динамічно підключаються;
Крім перерахованих вище параметрів, генератор конструюється з урахуванням його роботи в умовах критичних навантажень і повинен мати міцний корпус, мати при цьому малу масу і прийнятні габаритні розміри, володіти невисокими та прийнятним рівнем вироблених промислових радіоперешкод.
Пристрій та конструкція автомобільного генератора
Кріплення
Генератор автомобіля можна легко виявити у моторному відсіку, піднявши кришку капота. Там він закріплений болтами та спеціальними куточками до фронтальної частини двигуна. На корпусі генератора розміщені кріпильні лапи та натяжний вушок пристрою.
Корпус
У корпусній коробці генератора встановлені майже всі блоки агрегату. Він виробляється із застосуванням металів легких сплавів на основі алюмінію, який чудово підходить для виконання завдання відведення тепла. Конструкція корпусу є з'єднанням двох основних частин:
- фронтальної кришки з боку контактних кілець;
- торцевої заглушки з боку приводу;
На фронтальній кришці закріплені щітки, регулятор напруги та випрямляючий міст. Поєднання кришок в єдину конструкцію корпусу відбувається за допомогою спеціальних болтів.
Внутрішні поверхні кришок фіксують зовнішню поверхню статора, закріплюючи його положення. Також важливими конструктивними вузлами корпусної конструкції є фронтальний та тиловий підшипники, які забезпечують належні умови функціонування ротора та закріплюють його на кришці.
Ротор
Конструкція роторного вузла складається із схеми електромагніту з обмоткою збудження, змонтованої на валу, що несе. Сам вал виготовляється з легованої сталі, доповненої свинцевими присадками.
На вал ротора також закріплені мідні контактні кільця та спеціальні пружні щіткові контакти. Контактні кільця відповідають за подачу струму на ротор.
Статор
Статорний вузол - це конструкція, що складається з сердечника з численними пазами (у більшості випадків їх кількість дорівнює 36), в які укладені витки трьох обмоток, що мають між собою електричний контакт або за схемою «зірка», або за схемою «трикутник». Сердечник, іменований також магнитопроводом, виготовлений у вигляді порожнистого сферичного кола з металевих пластин, стягнутих між собою заклепками або заварених у єдиний монолітний блок.
Для підвищення на статорних обмотках рівня напруженості магнітного поляу процесі виробництва цих пластин використовують трансформаторне залізо з посиленими магнітними параметрами.
Регулятор напруги
Цей електронний вузол розроблений для компенсації нестабільності обертання роторного валу, з'єднаного з колінвалом силового агрегату автомобіля, що функціонує в широкому інтервалі зміни кількості обертів. Регулятор напруги підключений до графітових струмознімачів і сприяє стабілізації заданої постійної вихідної напруги, що надходить до електромережі машини. Цим він гарантує безперебійну експлуатацію електроустаткування.
За своїм конструкторським рішенням регулятори поділяються на дві групи:
- дискретні;
- інтегральні;
До першого типу належать електронні блоки, на конструктивній платі яких змонтовані радіоелементи, розроблені із застосуванням дискретної (корпусної) технології, що відрізняється неоптимальною щільністю компонування елементів.
До другого типу належить більшість сучасних електронних блоків регулювання напруги, розроблених з урахуванням інтегрального способу компонування радіоелементів, виготовлених на основі тонкоплівкової мікроелектронної технології.
Випрямляч
Зважаючи на те, що для правильного функціонування бортових приладів потрібно постійна напруга, Вихід генератора запитує мережу автомашини через електронний вузол, зібраний на потужних випрямних діодах.
Цей 3-фазний випрямляч, що складається з шести напівпровідникових діодів, три з яких підключені на мінусовий висновок (масу), а три інших приєднані до плюсового контакту генератора, призначений для трансформації змінної напругиу постійне. Фізично блок випрямляча складається з підковоподібного металевого тепловідведення з розміщеними на ньому діодами, що випрямляють.
Щітковий вузол
Цей вузол має вигляд пластмасової конструкції та сконструйований для передачі напруги на контактні кільця. Містить усередині корпусу кілька елементів, головні з яких - пружні щіткові щілинні контакти. Вони бувають двох модифікацій:
- електрографітні;
- міднографітні (більш зносостійкі).
Конструктивно щітковий вузол найчастіше виготовляється в одному блоці з регулятором напруги.
Система охолодження
Відведення надлишкового тепла, що утворюється всередині корпусу генератора, забезпечують вентилятори, закріплені на його валу ротора. Генератори, у яких щітки, регулятор напруги та випрямний блок винесені назовні, за межі його корпусу та захищені спеціальним кожухом, забирають свіже повітря через спеціальні щілини в ньому.
Крильчатка зовнішнього охолодження генератора Пристрій класичної конструкції, з розміщенням вищезгаданих вузлів усередині генераторного корпусу, забезпечують надходження повітряного свіжого потоку з боку контактних кілець.
Режими роботи
Для з'ясування принципу роботи автомобільного генератора необхідно представляти режими його експлуатації.
- початковий період запуску двигуна;
- робочий режим двигуна
У початковий момент запуску двигуна основним і єдиним споживачем, що витрачає електричну енергію, є стартер. Генератор ще не бере участі в виробленні енергії, і надходження електроенергії в цей момент надає тільки акумулятор. Зважаючи на те, що сила споживаного струму при цій схемі дуже велика і може досягати сотень ампер, інтенсивно витрачати запасену раніше електричну енергію.
Після закінчення процесу запуску двигун виходить на робочий режим, а генератор стає повноправним постачальником електроживлення. Він виробляє струм, необхідний функціонування різного електроустаткування, що підключається до роботи. Разом з цією функцією генератор здійснює заряд акумулятора при працюючому двигуні.
Після набору акумулятором необхідного, необхідність у процесі підзарядки зменшується, споживання струму помітно падає, а генератор продовжує підтримувати роботу електрообладнання. У міру підключення в роботу інших ресурсомістких споживачів електроенергії, потужності генератора в окремі моменти часу може не вистачати для забезпечення сумарного навантаження і тоді спільну роботувключається акумулятор, робота якого у цьому режимі характеризується у своїй швидкої втратою заряду.
Мас МоторсАвтономні генератори часто бувають незамінними, і повний списокїх можливих застосувань буде дуже довгим – від забезпечення електроенергією пляжної вечірки на вихідних до постійної роботиу приватної будівлі. Широкий спектр виконуваних робіт породив велику кількість типів автономних генераторів, що відрізняються як конструктивно, так і за характеристиками. Загальним у них є принцип дії — двигун. внутрішнього згоряннятого чи іншого типу обертає вал електрогенератора, перетворюючи механічну енергіюв електричну.
Найбільш очевидний поділ груп генераторів - на професійні та побутові.
- Побутовий генератор - це, як правило, переносний агрегат з бензиновим двигуном, не призначений для тривалої роботи, що має потужність у кілька кВА.
- Професійні генератори мають підвищені потужність та час безперервної роботи, а для більшої паливної економічності та збільшення ресурсу на них, як правило, встановлюються дизельні двигуни. При цьому якщо побутові електрогенератори виробляють однофазний струмнапругою 220 В, то професійні генератори в переважній більшості трифазні, розраховані на 380 вихідної напруги. Великі габарити та маса змушують або розміщувати потужні генератори на колісному шасі, або робити їх стаціонарними.
Отже, у цій класифікації ми вже виявили низку конструктивних відмінностей. Розглянемо їх у порядку.
Двигун
Як відомо, бензиновий двигун може працювати як за двотактним циклом, так і за чотиритактним. При цьому низька економічність і обмежений ресурс робить двотактні двигуни не найкращим вибором для приводу електрогенератора, хоча вони й простіше в конструкції, а отже, дешевше і легше.
Чотирьохтактний двигун, хоча він складніше та дорожче, витрачає значно менше палива та здатний опрацювати набагато більше. Тому генератори потужністю до 10 кВА зазвичай оснащуються двигунами саме такого типу.
— це переважно одноциліндрові агрегати з примусовим повітряним охолодженням, приготування горючої суміші здійснюється за допомогою карбюратора. Для запуску їх застосовується або тросовий стартер, або в конструкцію додатково включається електрозапуск (тоді, крім акумулятора, такі генератори мають і 12 В вихід: від цього ланцюга заряджається акумулятор і до нього можуть підключатися споживачі, розраховані на низьковольтне живлення). Найбільш поширені мотори з чавунною гільзою та верхньоклапанним газорозподільним механізмом – як правило, це мотори Honda GX та їх китайські копії.
Двигуни побутових бензогенераторів не призначені для тривалої безперервної експлуатації. Перевищення часу роботи, зазначеного в інструкції з експлуатації (як правило, не більше 5-7 годин) скоротить ресурс мотора.
Проте, навіть найдосконаліші бензинові двигуни мають обмежений ресурс: при належному догляді вони пропрацюють 3-4 тисячі мотогодин Чи багато це чи мало? При епізодичному використанні на виїзді, наприклад, для підключення електроінструменту - це досить великий ресурс, а ось постійно запитувати приватний будиноквід бензогенератора означає щороку перебирати двигун.
Значно більший ресурс мають дизельнісилові агрегати, крім того, вони вигідніші за тривалої експлуатації за рахунок більшої економічності. Тому всі потужні генераторні установки, як переносні, так і стаціонарні, використовують дизельні мотори.
Для таких агрегатів ряд недоліків дизельних моторів у порівнянні з бензиновими (дороговізна, більша вагаі шумність) не є важливими, певна незручність є лише при запуску дизельних моторів в холодну пору.
При експлуатації слід враховувати, що тривала робота на холостому ходібез навантаження для них шкідлива: порушується повнота згоряння палива, що призводить до підвищеної освіти сажі, що забиває випуск, і розрідження моторного масла дизельним паливом, що просочується через поршневі кільця. Тому до списку регламентних робіт для дизельних електростанцій обов'язково включається періодичне виведення їх на повну потужність.
Крім того, існують і генератори, що працюють. Конструктивно вони нічим не відрізняються від бензинових.крім системи живлення: замість карбюратора вони оснащені редуктором для регулювання тиску газу і каліброваною форсункою, що подає газ у впускний колектор. При цьому такі генератори як джерело палива можуть використовувати не тільки балон зі зрідженим газом, а й газову мережу - у цьому випадку витрати на паливо стають мінімальними. Недоліком подібних генераторів є низька мобільність (газовий балон габаритніший і важчий за бензобак, який, до того ж, можна дозаправляти прямо на місці), а також підвищена пожежна небезпека, особливо при неграмотній експлуатації. Однак як джерело в будинку, підключеному до газової магістралі, це непоганий варіант: немає необхідності дбати про підтримку рівня та якості палива в бензобаку, а ресурс двигуна під час роботи на газу вищий, ніж під час роботи на бензині.
Це основний вузол бензогенератора, що визначає його характеристики та сферу застосування. Принцип його дії полягає в збудженні струму в нерухомій обмотці статора змінним магнітним полем, створюваним обмоткою, що обертається (ротором) в генераторах синхронного типу або постійним магнітом в . При цьому кількість обмоток статора визначає кількість фаз на виході:
- Однофазні генератори мають одну силову обмотку, така схема поширена в побутових генераторах невеликий і середньої потужності;
- Трифазні генератори мають три силові обмотки і можуть запитувати як навантаження, розраховане на трифазне живлення напругою 380 вольт, так і однофазні споживачі (у цьому випадку з такою схемою їх необхідно розподілити за трьома групами рівної потужності).
Потужність генератора тісно пов'язана і з кількістю фаз, і з його загальною конструкцією:
- Малопотужні генератори (до 2 кВА) – це легкі бензинові агрегати, які не призначені для професійного застосування. Типове їх застосування - забезпечення енергією вуличних торгових точок;
- Генератори середньої потужності (до 6,5 кВА) - це техніка, що відноситься до напівпрофесійного та професійного класів, але при цьому досить компактна. Використовуються також бензинові двигуни. Подібний генератор зможе живити гаражну майстерню або невеликий будинок;
- Серед агрегатів високої потужності (до 15 кВА) можна зустріти як дизельні, так і дизельні, що часто мають більше одного циліндра. Висока потужність робить недоцільним використання однофазної схеми, тому такі генератори часто мають трифазний вихід 380, а потужніші генераторні установки випускаються виключно трифазними.
Крім високовольтної обмотки, багато генераторів оснащуються додатковою, яка через випрямляч живить споживачі, розраховані на 12 В постійного струму: безпечні перенесення, автомобільні компресори і таке інше.
Тип збудження генератора залежить від його потужності та області застосування. А синхронні генераторизначно простіше та дешевшесинхронних за рахунок відсутності обмотки збудження та щіткового вузла, а їх ресурс вищий. З іншого боку, синхронні генератори зміною струму обмотки дозволяють легко і точно регулювати вихідну напругу, а також значно краще працюють при різких змінах навантаження, особливо має високу індуктивність - наприклад, при підключенні потужного електродвигуна величина і тривалість просадки напруги будуть вищими. асинхронного генератора. З цієї причини бензогенератори, виконані по асинхронної схеми, часто постачаються спеціальною системоюпускового посилення, що короткочасно підвищує потужність, що віддається генератором.
Принцип роботи асинхронного генератора показано на відео
Є ще один важливий параметр змінного струму, Про який не можна забувати - це його частота. І якщо для ряду споживачів на кшталт ламп розжарювання вона не має великого значення, то для блоків живлення електронних пристроїв відхилення частоти напруги від номінальної загрожує не тільки порушенням їх роботи, але і пошкодженням.
Частота струму, що видається генератором, визначається двома параметрами: частотою обертання ротора та кількістю полюсів на ньому. Таким чином, двополюсний ротор для створення струму із частотою 50 Гц повинен обертатися із частотою 3000 об/хв, а чотириполюсний – 1500 об/хв. Підтримка заданих оборотів забезпечується механічним регулятором, що управляє дросельною заслінкою карбюратора на бензогенераторах або паливним насосом. високого тиску- На дизельних. Такий механізм простий і досить ефективний при постійному навантаженні, у той час як при різкій зміні струму, що споживається, частота змінюється на короткий проміжок часу. Крім того, необхідність підтримки постійної частоти змушує двигун генератора постійно працювати на тих самих оборотах максимальної потужності, хоча при низькому енергоспоживання двигун міг би забезпечити електроживлення і на менших оборотах - звідси зниження ресурсу мотора і підвищена витрата палива.
Цих недоліків вдалося уникнути з появою в широкому доступі потужної електроніки, що дозволила створити . Принцип дії силового інвертора простий: змінний струм, вироблений генератором, випрямляється, після чого перетворюється електронним блоком знову на змінний, але вже строго заданої частоти. Це робить частоту вихідної напруги абсолютно не залежною від частоти обертання ротора генератора, а отже дозволяє двигуну змінювати оберти в залежності від навантаження, зберігаючи ресурс і паливо.
Дешеві інвертори, як правило, можуть видавати напруга, за формою далека від ідеальної синусоїди. Підключення потужного індуктивного навантаження до такого інвертора призведе до перегріву та можливого пошкодженнясилового каскаду інвертора!
Є інверторні генератори і певні мінуси: за рахунок наявності електронного блокувони дорожчі, ніж звичайні бензогенератори, а також теоретично менш надійні. Крім того, можливості силової електроніки не безмежні, і максимальна потужність інверторних генераторів зараз не перевищує 7 кВА.
На відео показано пристрій бензогенератора з прикладу моделі марки Зубр
Вибір генератора
При виборі генератора потрібно почати з визначення необхідної потужності. Це питання не таке просте, як здається, оскільки споживачі в ланцюгах змінного струму мають як активний (омічний) опір, так і реактивний (ємнісний та індуктивний), а також найчастіше до виходу на робочий режим мають енергоспоживання значно більше за номінальне.
Найпростіший приклад: нам потрібний переносний генератор, від якого ми запитаємо перфоратор потужністю 800 Вт. Його електродвигун має значну індуктивну складову опору, яка при розрахунку енергоспоживання описується так званим коефіцієнтом потужності, що позначається як cosφ. Якщо для навантаження, що не має реактивного опору, він дорівнює одиниці, то зі зростанням ємності або індуктивності навантаження зростає. Крім того, не можна забувати і те, що сам генератор має значну індуктивність.
Саме через індуктивний опір обмоток генератора його потужність позначається не у ватах, а у вольт-амперах при заданому коефіцієнті потужності: наприклад, бензогенератор потужністю 5 кВА при власному cosφ=0,8 реально має максимальну потужність 4 кВт.
Таким чином, при необхідності запитати 800-ватний електродвигун з власним cosφ=0,5 нам знадобиться генератор, здатний довго віддавати потужність 1600 Вт, тобто його пікова потужність, що позначається в характеристиках, повинна бути в півтора-два рази більше. З урахуванням втрат у самому генераторі для нашого перфоратора доведеться придбати бензогенератор на 4 кВА.
У той же час, якщо нам потрібно буде запитати від цього ж генератора освітлення та електрообігрівач (споживачі, які не мають реактивного опору), їх сумарна потужність може бути вдвічі більше за тієї ж навантаженні сам генератор.
Далі визначимося з часом генератора. Як уже говорилося, для тривалої роботи краще дизельний силовий агрегат- Тому розглядаючи агрегат для постійного забезпеченняенергією будівлі (приватного будинку чи невеликого цеху), варто розглянути цей варіант, особливо з урахуванням вищеописаного розрахунку необхідної потужності генератора - бензиновий агрегат виявиться занадто ненажерливим. Оскільки постійний контроль над тривалим генератором здійснювати буде неможливо, він обов'язково повинен оснащуватися захисним пристроєм, що глушить двигун при падінні рівня моторного масла або його тиску.
У ряді випадків (необхідність частого транспортування, особливо ручного) менша маса бензогенератора може виявитися важливішим чинником, ніж економічність дизельного. Також бензиновий агрегат є кращим варіантом для короткочасної експлуатації — у цьому випадку економічність і ресурс відіграють значно меншу роль, ніж ціна самої установки.
Для аварійного постачання будинку електроенергією варто розглянути варіант підключення до газової мережі генератора, розрахованого використання природного газу.
Запуск
Переносний генератор необхідно розмістити на рівній сухій поверхні, а у разі роботи на відкритому просторі захистити його від попадання опадів. Оскільки одноциліндрові двигуни, що застосовуються в бензогенераторах, відрізняються високим рівнем вібрацій, не можна розташовувати на генераторі сторонні предмети, а особливо ємності з паливом, щоб уникнути їх падіння.
Перед запуском необхідно впевнитись у достатньому рівні моторного маслаі при необхідності долити його, після чого двигун генератора можна запускати.
Підключати навантаження до генератора можна лише після того, як двигун буде запущено. Не запускайте генератор, якщо до нього підключено електроприлади.
Для запуску бензинового двигуна служить спеціальна повітряна заслінка, що в закритому положенні збагачує паливну суміш. При першому запуску двигуна, особливо в холодну погоду, її необхідно закрити тим більше, чим нижче температура повітря, а в міру прогрівання двигуна плавно відкрити. Прогрітий двигун повинен запускатися без прикриття заслінки, інакше варто звернути увагу на регулювання карбюратора. Запуск в залежності від конструкції двигуна здійснюється або тросовим стартером (плавно витягніть його до відчуття опору, після чого різко збільшіть зусилля) або електричним (для запуску натисніть і утримуйте пускову кнопку).
Запуск дизельного мотора відрізняється тільки тим, що немає необхідності використовувати повітряну заслінку, але замість цього потрібно відкривати декомпресор - пристрій, що знижує тиск в камері згоряння для полегшення провороту колінчастого валу при запуску. Крім того, запуск дизельного мотора може ускладнити завозжена паливна система (перший запуск нового генератора або якщо до цього бак був вироблений насухо). У такому разі доведеться прокачати паливну систему (порядок прокачування відрізняється для різних двигунів і описується в посібнику з експлуатації).
Давши попрацювати генератору деякий час (у теплу пору року бензиновий двигун прогріється досить швидко, не більше хвилини), можна підключати навантаження, переконавшись, що індикатори працездатності або покажчик напруги генераторної установки вказують на повну працездатність.
Технічне обслуговування
Своєчасне обслуговування генераторної установки помітно позначається її ресурсі. Найчастішої уваги вимагає двигун, як її найскладніший вузол. Відповідно до заданої виробником періодичності, що вказується в годинах роботи, необхідно замінювати та обслуговувати повітряний фільтр. На потужних генераторах, оснащених складнішими двигунами, також змінюються масляний та паливний фільтри. Бензинові двигуни (газові набагато рідше) вимагають заміни свічок запалювання.
Якщо генератор використовується епізодично, не варто зберігати його заправленим - окислюється і розкладається з часом може призвести до засмічення відкладення карбюратора на беногенераторах і випадання парафіну на дизельних моторах, здатне повністю перекрити надходження палива. Також старе паливо ускладнить запуск.
Безпосередньо генератор - вузол майже вічний, лише іноді потрібно очищати щітковий вузол синхронного генератора від пилу і міняти самі щітки, а іноді - несучі підшипники ротора.
«А навіщо він, власне, потрібний?» – цілком резонно запитають багато читачів. Виявляється, що більшості подібний агрегат просто необхідний, причому причини кожного покупця свої.
Розпещені комфортом міські жителі, якось побачивши у приятеля на пікніку генератор, вже не уявляють собі відпочинку за містом без цього «дива»
Для інших станція – це часом єдине джерело електропостачання через проблеми з централізованою мережею або через її відсутність.
Ремонтні бригади, аварійні служби, власники котеджів, магазинів та АЗС – це далеко не повний перелікклієнтів фірм із продажу генераторів.
Ось і виходить, що дуже різні людидля абсолютно різних цілей рано чи пізно наважуються придбати свою власну автономну електророзетку. Саме так потрібно сприймати сучасну, компактну, економічну та тиху бензинову (дизельну) електростанцію.
Це треба знати
При виборі генератора зазвичай керуються особистими уподобаннями. Комусь подавай мобільність і малу вагу, іншому необхідні можливість автоматизації і тривалої безперервної роботи, а інший хоче те й інше відразу, та щоб дешево. Але у будь-якому разі доводиться вирішувати завдання вибору агрегату відповідної потужності. Для початку спробуємо з'ясувати, що це таке – «потужність електричного струму»?
Як розрахувати потрібну потужність генератора?
Візьмемо, наприклад, 2-кіловатний обігрівач, 1-кіловатний пилосос та 300-ватну морозильну камеру. Що поєднує такі різні навантаження? Виявляється, щоб «запитати» кожну з них, необхідно електрогенераторпотужністю щонайменше 3 кВ.А.
Виникає два резонні питання. Перший: чому та сама величина (потужність) вказується у різних одиницях виміру: кВт і кВ.А? І другий: чому споживачів електричної енергії (у нас це обігрівач, пилосос та морозильник) не можна «стригти під один гребінець»?
Що таке коефіцієнт потужності?
З шкільного курсуФізики відомо, що потужність дорівнює добутку напруги та струму. Тому логічно, що вимірюється вона у вольт-амперах, або ВА. Це повна або, як її ще називають, потужність, що здається. Остання поділяється на дві складові.
Активна (корисна) витрачається безпосередньо на виконання роботи, типової для даного електроприладу. Цю «видиму» частину вимірюють у Ват, або Вт. Реактивна, що вимірюється у вольт-амперах реактивних (вар), витрачається на створення магнітних полів у котушках та електричних полів у конденсаторах.
Після взаємодії з навантаженнями реактивного характеру синусоїди струму та напруги зсуваються один щодо одного на деякий кут Phi. Чим він ближчий до 0 (cos Phi – > 1), то більше вписувалося корисна потужність, оскільки у конкретний час перемножуються максимальні значення вольтажу і ампер. Прилади із cos Phi менше 0,7 підключати до мережі заборонено правилами.
Тепер відповімо на друге запитання. Почнемо з пилососа: чому стосовно нього не можна повністю реалізувати потужність генератора?
Електричний опір пилососа має реактивну складову, причому індуктивного характеру. Головний "винуватець" цього - електромотор з його обмотками, які додають до різниці фаз генератора (альтернатора) електростанції власну різницю фаз того ж знака (напрямку). У результаті доводиться застосовувати ще один – поправний – коефіцієнт потужності, що характеризує тепер споживача енергії.
Електрогенератор
Електрогенератор, або альтернаторЯк його часто називають фахівці, перетворює механічну енергію обертання валу двигуна в електромагнітну енергію змінного струму. Залежно від його типу та конструкції електростанція підходить для вирішення тих чи інших завдань.
Синхронний чи асинхронний?
Для збудження ЕРС (електрорушійної сили) в статорних обмотках (нерухома частина генератора) потрібно створити змінне магнітне поле. Це досягається обертанням намагніченого ротора (інша його назва – якір). Для намагнічування використовують різні прийоми.
Так, у синхронного генератора на якорі є обмотки, куди подається електричний струм. Змінюючи його величину, можна проводити магнітне полі, отже, і напруга на виході статорних обмоток. Роль регулятора чудово грає найпростіша електрична схемазі зворотним зв'язком по струму та напрузі. Завдяки цьому здатність синхронного альтернатора «ковтати» короткочасні навантаження дуже висока і обмежена лише омічним (активним) опором його обмоток.
Однак така схема має й недоліки. Насамперед, струм доводиться подавати на ротор, що обертається, для чого традиційно використовують щітковий вузол. Працюючи з досить великими (особливо під час навантаження) струмами, щітки перегріваються і частково «вигоряють». Це призводить до поганого їх прилягання до колектора, підвищення омічного опору і подальшого перегріву вузла. З іншого боку, рухливий контакт неминуче іскрити, отже, стає джерелом радіоперешкод.
Щоб уникнути передчасного зносу, рекомендується іноді контролювати стан щіткового вузла і за необхідності очищати чи змінювати щітки. До речі, після їх заміни бажано дати їм час «припрацювати» до колектора, а потім навантажувати станцію «за повною програмою».
Багато найсучасніших синхронні генераторизабезпечені безщітковими системами збудження струму на котушках ротора (їх ще називають brashless). Вони позбавлені перерахованих недоліків, а тому краще.
Взагалі немає обмоток на роторі. Для порушення ЕРС у його вихідний ланцюга використовують залишкову намагніченість якоря. Конструктивно такий альтернаторнабагато простіше, надійніше та довговічніше. До того ж, оскільки обмотки ротора не потрібно охолоджувати (їх просто немає), корпус асинхронного генератора можна зробити закритим і тим самим практично виключити попадання всередину пилу і вологи.
На жаль, асинхронники теж позбавлені недоліків. Стабільність напруги на виході у них зазвичай гірша, ніж у синхронників. Та й здатність до пускових навантажень залишає бажати кращого: при досягненні деякого критичного значення струму в статорних обмотках, ротор просто розмагнічується. Втім, намагнітити його нескладно – достатньо подати на певні входи вказану в інструкції напругу.
Перераховані «асинхронні проблеми» частково вирішують, оснащуючи станції регулятором напруги та стартовим підсилювачем. Однак усі ці «навороти» позбавляють агрегат його головної гідності простоти.
|
Скільки ж у ньому фаз?
Справді, навіщо потрібні незрозумілі три фази, коли й з однієї не розберешся? Але в тому й річ, що без них – нікуди. Почнемо з того що трифазна схемапідключення дозволяє передавати енергію трьох однофазних джерел всього за трьома проводами (у разі однофазної схеми потрібно було б виділити по два дроти на кожне таке джерело).
У результаті при рівній вихідної потужності трифазний альтернатор компактніший, легший і має більший ККД. До того ж він універсальніший – на виході дає як побутові 220 вольт, так і промислові 380. Але майте на увазі: повноцінно працювати на однофазне навантаження трифазний альтернатор може лише при правильному підключенні.
Двигун
Будь-який, навіть найпрекрасніший альтернаторне видасть і вата потужності, якщо його не обертатиме двигун. Які вони бувають і чим відрізняються?
Бензинові мотори
Зазвичай на бензинових електростанціяхмалої та середньої потужності застосовуються карбюраторні, або, як їх часто називають, бензинові мотори (дуже правильний термін – «двигун внутрішнього згоряння із зовнішнім сумішоутворенням»).
Як випливає з назви, паливом для них є бензин. Згоряючи, він віддає частину своєї енергії поршню, здійснюючи корисну роботу, А все що залишилося - витрачає на нагрівання атмосфери та деталей двигуна. Зрозуміло, що більше джоулів йде в корисну справу, тим краще.
Підвищення ККД - складне технічне завдання, для вирішення якої вдаються до різних прийомів.
Досягти якісного стрибка в боротьбі за зниження витрати палива вдалося при переході до верхньоклапанного компонування двигуна. Одна з таких схем з розподільчим валом у картері та штанговим приводом отримала в Останніми рокаминайбільшого поширення позначається OHV. Її використання дозволило зменшити площу поверхні камери згоряння, а значить, зменшити нагрівання деталей двигуна. Крім того, з'явилася можливість підвищити рівень стиснення (з 5–6 до 7–9 одиниць) при використанні бензину колишньої марки, що ще більше підвищило ефективність.
На жаль, подальше підвищення ККД бензинового двигуна за рахунок збільшення ступеня стиснення недоцільно - це вимагатиме значного збільшення октанового числа палива (тобто його вартості). В іншому випадку горюча суміш, детонуючи, згорятиме раніше часу, штовхаючи поршень проти його руху.
Для наступного якісного кроку необхідно кардинально покращити процес сумішоутворення, тобто відмовитися від карбюратора на користь систем упорскування з електронним управлінням. А ціна найпростішої з них наближається до вартості недорогого мотора разом з його карбюратором.
Дизельні мотори
Дизельні електростанціїмають недосяжно низьку для бензинового мотора витрату палива. У нього ступінь стиснення обмежена, головним чином, міцністю та термостійкістю деталей поршневої та кривошипно-шатунної груп. Для нормальної роботи в жорстких режимах дизельні двигуни доводиться робити дуже міцними, тобто важкими. Як наслідок, при високій частотіобертання валу вони зношуються швидше, ніж легші деталі карбюраторного двигуна. Вищесказане аж ніяк не означає того, що дизель менш довговічний (тут саме час згадати про високий запас міцності), а лише пояснює причину, через яку він «воліє» знижені обороти.
У такого мотора є два серйозні недоліки: висока вартість і відносно велика маса. Складність і дорожнечу ремонту в розрахунок брати не будемо - вони компенсовані надійністю та довговічністю.
Коротко підсумувати проблему вибору типу силової установки можна так:
- Будь-який дизель економічніший за бензиновий мотор і до своєї «кончини» зазвичай встигає окупити різницю в ціні.
- "Тихохідний" (1500 об./хв) дизель перевершує бензиновий мотор за ресурсом приблизно в чотири-п'ять разів, а за вагою - у два-три рази. "Швидкохідний" (3000 об./хв) за обома параметрами випереджає карбюраторний мотор приблизно в півтора рази.
– Якщо конструкції не передбачені свічки розжарювання (а вони є, як правило, лише на дуже потужних двигунах), запустити дизель при негативних температурах дуже непросто.
– Взимку на дизельному моторі слід використовувати спеціальні сорти палива.
Дво- та чотиритактні двигуни
Конструктивно двотактні мотори простіше і, відповідно, дешевші, легші та надійніші (іноді – ще й довговічніші) чотиритактні. Зворотний бік медалі – підвищена витрата палива та необхідність возитися з олією (його доводиться подавати разом із бензином).
Але немає худа без добра: олія, що густіє на морозі, не перешкоджає прокрутці холодного двигуна, кожен оборот якого, до речі, прирівнюється до двох «чотирьохтактних». Ті, хто працюють або живуть на Півночі, це чудово знають і віддають перевагу саме таким двигунам. Завести промерзлий «чотиритактник» практично неможливо, і тут уже не до економії...
Словник термінів
API– свідчення того, що рівень експлуатаційних властивостей олії визначено відповідно до стандартів Американського інституту нафти. Перша буква індексу, що йде в абревіатурі за API, означає категорію: S – для бензинових моторів, C – для дизельних.
Друга – групу якості. Самий низький рівень– у олій з літерою «А», вищий – «В» і т.д. Якщо позначення подвійне, наприклад API SJ/CF, значить мастило можна використовувати як SJ, і як CF.
AVR- Розшифровується як Automatic Voltage Regulator. Цю систему встановлюють на синхронні альтернатори для стабілізації вихідної напруги (зазвичай вона підтримується з точністю до 5%). Для прецизійного (точного) регулювання вдаються до додаткових електронних пристроїв, які зазвичай купують за окрему плату.
SAE– означає, що клас в'язкості олії визначено відповідно до стандартів Товариства автомобільних інженерів США. Зимові класи позначають як числа з індексом W (від winter – зима), наприклад SAE 5W; літні – лише числом, наприклад, SAE 30; а універсальні – комбінацією того й іншого через дефіс, наприклад, SAE 5W-30. До речі, для двигунів, що змащуються розбризкуванням, в'язкість особливо важлива. Занадто густе масло не утворює «олійного туману», а тому не надходить на пари, що труться.
Тепловий автомат без плавкого запобіжника– призначений захисту генератора від перевантажень. На сьогоднішній день це найпоширеніший пристрій захисту електромережі.
Безщітковий генератор (brashless)– синхронний альтернатор, у конструкції якого немає щіток. Він вимагає обслуговування, довговічний і під час роботи не створює радіоперешкод. Інтенсивно витісняє з ринку малої та середньої за потужністю техніки генератори традиційної конструкції.
Декомпресор– при ручному запуску автоматично відкриває один із клапанів двигуна і тим самим полегшує розкручування валу до необхідних обертів. Майже всі чотиритактні мотори (і дизельні, і бензинові), що мають ручний стартер, оснащують цим пристроєм.
Диференціальний захист від витоків струму- Звичайне ПЗВ, зараз воно має бути в будь-якій квартирі. Призначення – підвищення безпеки роботи із генератором. Справа в тому, що винуватцем більшості трав виступає струм, що проходить між фазою і землею. Приклад: людина стоїть на рамі генератора і торкається неізольованого дроту. Звичайний автомат у такій ситуації не спрацьовує – занадто мале навантаження, а от диференційний захист обов'язково розімкне силовий ланцюг.
Захист за рівнем олії- Передбачена на всіх сучасних моторах. При зниженні рівня нижче критичного вона відключає двигун або сигналізує звідси. На моторах з масляним насосом зазвичай контролюється не рівень, а тиск олії в робочому контурі.
Клас захисту DIN 40050- Німецький стандарт, за ним оцінюється захищеність альтернатора від зовнішніх впливів. Він позначається двома літерами (IP) та двома цифрами.
Перша цифра означає:
0 – захист відсутній;
1 – захист від сторонніх предметів розміром понад 50 мм;
2 – захист від торкання пальцями та від проникнення твердих сторонніх частинок діаметром понад 12 мм;
3 – захист від сторонніх предметів та частинок діаметром понад 2,5 мм;
4 – захист від торкання інструментом, пальцями та дротом діаметром понад 1 мм; захист від проникнення твердих сторонніх частинок діаметром понад 1 мм;
5 – повний захист від торкання допоміжними засобами будь-якого типу та від проникнення пилу.
Друга цифра означає:
0 – захист відсутній;
1 – захист від крапель води, що вертикально падають;
2 – захист від крапель води, що падають під кутом 15 градусів до вертикалі;
3 – захист від струменів води, що падають під кутом до 60 градусів до вертикалі;
4 – захист від водяного пилу, що розповсюджується з усіх боків;
5 – захист від струменів води, що падають з усіх боків під будь-яким кутом.
Системи підвищення економічності- Економічний режим включається або вручну, або автоматично при зменшенні споживаної потужності до критичного рівня. При цьому двигун станції починає працювати на знижених оборотах, що дозволяє витрачати істотно менше палива і зменшити рівень шуму.
Система стартового посилення- Застосовується для поліпшення перевантажувальної здатності. У разі асинхронників зазвичай не дозволяє досягти результатів, характерних для синхронників. До речі, у останніх система стартового посилення найчастіше є запобіжним автоматом, що має спеціальні характеристики.
Мастило під тиском– сприяє довговічній роботі двигуна з малим зносом та рідкісним обслуговуванням. Така система за наявності фільтрує олію, а отже, продовжує термін служби мастила та покращує стабільність її властивостей. Її застосування виправдане для дорогих двигунів із високою потужністю та завантаженістю деталей.
Паливний (паливопідкачуючий) насос- У бензинових електростанцій дозволяє помістити паливний бак (або додаткові ємності) нижче рівня карбюратора, а у дизельних - розмістити баки набагато нижче мотора (наприклад, на нижньому поверсі будівлі або взагалі під землею). Випускають насоси з механічним (їх розміщують безпосередньо на двигуні), електричним або пневматичним (вакуумним) приводом.
Управління повітряною заслінкою- Повітряна заслінка необхідна для штучного збагачення робочої суміші (так називають суміш повітря і бензину, що виробляється карбюратором). Вона сприяє легкому та впевненому запуску мотора, особливо в умовах знижених температур. Перед стартом заслінку слід закрити, а після прогріву – відкрити. Є як прості системи з вакуумним приводом, так і складніші з вакуумним приводом та датчиком температури. (Якщо керування заслінкою ручне – без автоматики, дистанційний запуск електростанції неможливий.)
Свічки розжарювання– служать полегшення запуску дизельного мотора за умов знижених температур. Зазвичай їх встановлюють потужні двигуни (за додаткову плату).
Довідкове бюро
Які особливості експлуатації дизеля?Щоб уникнути детонації та підвищити ступінь стиснення, пальне краще додавати в циліндр із повітрям не заздалегідь, а в момент запалювання. Саме так працює дизельний мотор, у якому компресія настільки велика, що температури стисненого повітря достатньо для самозаймання пального. Як наслідок, в окремій системі запалення немає потреби.
Для нагнітання палива у форсунки використовують ТНВД (паливний насос високого тиску). Його конструкція не складна, але вимагає дуже точної обробки та припасування деталей. У разі поломки або зношування його зазвичай не ремонтують, а, незважаючи на високу вартість (до 1/3 вартості всього мотора), замінюють цілком. Полагодити його в «польових» умовах просто нереально - тривіальні випадки начебто відкрутилася гайки в розрахунок брати не будемо.
Типовими несправностями паливної апаратури, що піддаються «лікуванню», вважаються всілякі засмічення фільтрів і зависання запірної голки форсунок. Не сказати, щоб легко, але за бажання впоратися з ними самостійно можна.
Чому взимку використовують спеціальну "солярку"?На відміну від бензину дизпаливо насичене різними домішками, більша частинаяких (за масою) відноситься до парафінів. Влітку вони себе ніяк не виявляють, а ось взимку – за негативних температур – кристалізуються, роблячи рідину більш в'язкою. Якщо їх зміст великий, «солярка» перетвориться на «студень» чи взагалі на « тверде тіло». А якщо мало, то кристалики, що утворилися, заб'ють фільтр тонкого очищення палива, навіть якщо в'язкість залишиться в нормі.
Щоб не потрапити в халепу, потрібно вчасно перейти на зимові сорти пального або скористатися спеціальними присадками. Якщо вміст бака вже нагадує шматок желе, вони, зрозуміло, не допоможуть, шукайте паяльну лампу. Застосовувати такі препарати необхідно наперед (у крайньому випадку – на стадії помутніння палива).
У чому особливості двотактного двигуна?За кожен оборот колінчастого валу (іншими словами, за два такти) кожен циліндр такого двигуна встигає «переварити» порцію пального, тоді як «чотирьохтактника» для цього потрібно два обороти. Наслідки - менші втрати на тертя і майже вдвічі велика потужністьза інших рівних умов.
Такти вихлопу та всмоктування поєднані з робітником та замінені «продувкою». В результаті поршень "недоотримує" частину енергії, а горюча суміш потрапляє не тільки в циліндр, а й у вихлопну трубу. Для «вдування» використовують простір під поршнем, зворотний бік якого виступає як поршня компресора.
Звідси й необхідність подавати масло разом із паливом – адже в картер його вже не наллєш. Виняток - двигуни з системою мастила замкнутого типу, але на малій техніці їх зазвичай не застосовують.
Чому генератори названі «синхронними» та «асинхронними»?Як відомо, електромотор – оборотна машина, тобто він здатний не лише споживати, а й виробляти електроенергію. А значить, електродвигун та електрогенератор – практично одне й те саме (невеликі відмінності лише в конструкції). До речі, саме від двигунів альтернатори отримали свою назву.
Розглянемо три котушки індуктивності, що розташовані по колу. До кожної з них підведено змінний струм, фази якого зрушені одна щодо одної на 120 градусів (саме такий кут між двома сусідніми котушками). Сума їх магнітних полів утворює вектор постійної довжини, що обертається з частотою, що дорівнює частоті змінного струму, що тече по обмотках.
Якщо такий статор помістити циліндричний ротор (якір) з струмопровідного матеріалу, він почне обертатися, слідуючи за вектором намагніченості. Чим більша різниця частот обертання його і сумарного поля котушок, тим більший на нього діє момент, що крутить. Характер такої роботи - асинхронний (швидкість обертання ротора не синхронна частоті зміни поля статора). Це схема роботи трифазного електромотора (можна було розглянути однофазний, але там ситуація менш наочна).
Щоб такий двигун зміг стати альтернатором (генератором змінного струму), його ротор має бути не тільки провідником, а й магнітом (тобто мати намагніченість). Звичайно, функціонує він синхронно, тобто частота струму, що виробляється, в точності дорівнює оборотам ротора, але за аналогією з мотором його називають асинхронним.
Синхронний електродвигун влаштований інакше. Ротор у разі є не провідником, а електромагнітом. Якщо до обмоток якоря підвести струм, то він почне рухатися і буде обертатися доти, поки напрямок його магнітного моменту не збігається з напрямком магнітного моменту статора. Щоб ротор продовжив обертання, треба змінити напрямок струму в обмотках. І так кожні півоберта. Виходить, що частота зміни змінного магнітного поля точно збігається з оборотами ротора. Звідси і назва – синхронний електродвигун. Для перетворення такого мотора на альтернатор дещо змінюють його конструкцію, але принцип роботи залишається незмінним.
Які марки альтернаторів найпопулярніші?Основні виробники альтернаторів: Generac (Англія), Leroy Somer (Франція), Mecc Alte (Італія), Metallwarenfabrik Gemmingen (Німеччина), Sawafuji (Японія), Sincro (Італія), Soga (Італія), Stanford (Англія), Yamaha (Японія) ) та ін.
Найпоширеніші марки двигунів.Бензинові двигуни випускають Briggs & Stratton (США), Honda (Японія), Kubota (Японія), Lombardini (Італія), Mitsubishi (Японія), Robin (Японія), Suzuki (Японія), Tecumseh (Італія), Yamaha (Японія) та ін. Знайти генератор із вітчизняним бензиновим мотором практично неможливо.
Дизельні двигуни виробляють Acme (Італія), Hatz (Німеччина), Honda (Японія), Iveco (Італія), Kubota (Японія), Lombardini (Італія), Robin (Японія), Yamaha (Японія), Yanmar (Японія) та ін. Вітчизняні дизелі випускають у В'ятці, Тулі, Челябінську, Володимирі, Рибінську та Ярославлі, але встановлюють їх, як правило, на потужних електростанціях.
Розвиток автомобілебудування супроводжувався зростанням вимог до безвідмовності та збільшення терміну служби автомобілів, комфорту їх експлуатації, зниження експлуатаційних витрат на технічне обслуговування та ремонт, а також відповідність дедалі більшим вимогам безпеки руху.
У зв'язку з цим виникла необхідність істотного збільшення потужності та терміну служби автомобільних генераторів, як основних джерел електричного струму, поліпшення їх експлуатаційних характеристик та зниження експлуатаційних витрат. З'явилася необхідність зменшення габаритних розмірів та маси генераторів, як, втім, і багатьох інших агрегатів та пристроїв, що дозволяло гнучко проектувати компонування та зовнішній дизайн автомобілів, а також отримувати економію дорогих металів.
Задоволення перерахованих вимог шляхом удосконалення конструкції та технології виробництва генераторів постійного струму, враховуючи низьку надійність та малий термін служби щітково-колекторного вузла, а також габаритні розміри та масу генераторів постійного струму стало нездійсненно. Тому було обрано новий напрямок у розвитку автомобільних генераторів – створення генераторів змінного струму.
Назва «генератор змінного струму» дещо умовна, і стосується переважно особливостей конструкції генератора, оскільки вони оснащені вбудованими напівпровідниковими випрямлячами і живлять споживачі постійним (випрямленим) струмом.
У генераторах постійного струму таким випрямлячем є щітково-колекторний вузол, що здійснює випрямлення змінного струму, отриманого в обмотках якоря.
Розвиток напівпровідникової техніки дозволило застосувати в генераторах змінного струму більш досконалий і надійний випрямляч на напівпровідникових діодах, в якому були відсутні механічні деталі і вузли, схильні до зносу і відмов.
Переваги та недоліки генераторів змінного струму
До основних переваг генераторів змінного струму в порівнянні з генераторами постійного струму можна віднести такі властивості:
- при однаковій потужності їх маса в 1,8 ... 2,5 рази менше, причому приблизно в три рази менше витрачається цінного кольорового металу - міді;
- при однакових габаритах генератори змінного струму видають більшу потужність;
- Струм починає вироблятися при меншій частоті обертання ротора;
- простіше схема та конструкція регулюючого пристрою внаслідок відсутності елемента обмеження сили струму та реле зворотного струму;
- простіше і надійніше конструкція струмознімального пристрою, особливо в безконтактних генераторах змінного струму;
- менші експлуатаційні витрати через високу надійність роботи та збільшення терміну служби.
З практичної точки зору переваги генератора змінного струму проявляються в тому, що струм, що виробляється ним, знімається з нерухомих обмоток, закріплених на корпусі-статорі. Обмотка збудження, виконана на роторі, що обертається, істотно легше нерухомих обмоток статора, тому ротор можна обертати з більшою швидкістю, не побоюючись явищ дисбалансу мас, що обертаються. Та й струм збудження в цьому випадку підвести простіше, оскільки він невеликий. В результаті щітки та контактні кільця служать довше.
Крім того, генератор постійного струму, на відміну від генератора змінного струму, починає виробляти струм при відносно великій частоті обертання якоря. З цієї причини для його повноцінного функціонування, наприклад, на холостих оборотах двигуна, необхідно значне передавальне число приводу, що в подальшому (на робочій частоті колінчастого валу) може призвести до дисбалансу (через значну масу якоря), зносу підшипників та елементів приводу генератора .
Певна перевага генераторів змінного струму проявляється також у тому, що при необхідності отримання високої напруги (наприклад, для живлення високовольтних споживачів), достатньо використовувати невеликий трансформатор. Збільшити напругу постійного струму в такий спосіб не вдасться. Незважаючи на те, що в автомобільних бортових мережах необхідність отримання високої напруги виникає дуже рідко, таку можливість не можна скидати з рахунків.
Основні недоліки генератора змінного струму - необхідність випрямлення струму, що виробляється ним, а також деяке розсіювання потужності в навколишніх ротор і статор металевих деталях через виникнення вихрових і реактивних струмів в змінному електромагнітному полі. Тим не менш, переваги генераторів змінного струму з лишком окупають зазначені недоліки.
Перші автомобільні генератори змінного струму були спроектовані для роботи з окремими селеновими випрямлячами та вібраційними регуляторами напруги. Селенові випрямлячі мали значні розміри, і їх доводилося розміщувати окремо від генератора у місцях, де забезпечувалося хороше охолодження. Для приєднання такого випрямляча до генератора була потрібна додаткова проводка.
Крім того, селенові випрямлячі були недостатньо теплостійкі, і допускали максимальну робочу температуру не вище +80?
З цих причин надалі від селенових випрямлячів відмовилися, і стали застосовувати кремнієві діоди, які були менш габаритні, мали хорошу теплостійкість, що дозволяло розміщувати їх безпосередньо в генераторі.
На зміну вібраційним регуляторам напруги прийшли спочатку контактно-транзисторні, потім безконтактні на дискретних елементах і безконтактні інтегральні регулятори.
Габаритні розміри інтегральних регуляторів дозволяють вбудовувати їх у генератор, який разом із вбудованими регулятором та випрямляючим блоком називається генераторною установкою.
Принциповий пристрій генератора змінного струму
на Рис. 1представлена спрощена схема генератора змінного струму, який складається з двох основних частин: статора з нерухомою обмоткою, в якій індукується змінний струм, і ротора, що створює магнітне поле.
Полюси ротора по черзі проходять повз нерухомі котушки статора, розміщені на пазах з внутрішньої сторони корпусу генератора. При цьому змінюється напрямок магнітного потоку, а, отже, і напрямок індукованої в котушці ЕРС.
Зазвичай кількість полюсів магніту на роторі та кількість котушок у корпусі дозволяє отримати трифазний струм. У трифазних генераторів обмотки мають одну загальну точку, де з'єднуються їхні кінці, тому така схема з'єднання називається «зіркою», а загальна точка обмотки – нульовою точкою.
Другі кінці обмоток приєднують до двухполуперіодного випрямляча. Магнітне поле ротора може створюватись постійним магнітом або електромагнітом. В останньому випадку до обмотки збудження електромагніту підводиться постійна напруга.
Застосування в роторі електромагнітів ускладнює конструкцію генератора, так як необхідно підводити напругу до деталі, що обертається - ротору, але в цьому випадку можливе регулювання напруги зміною частоти обертання ротора. Крім того, магнітні властивості постійних магнітів суттєво залежать від їхньої температури.
Більш детально пристрій та робота автомобільного генератора змінного струму наведено на .
Безконтактні генератори з електромагнітним збудженням
Для автомобільних генераторів надійність та термін служби визначаються трьома факторами:
- якістю електричної ізоляції;
- якістю підшипникових вузлів;
- надійністю струмознімальних (щітково-контактних) пристроїв.
Перші два чинники залежить від рівня розвитку суміжних виробництв. Третій фактор може бути виключений шляхом використання безконтактних генераторів, що мають більш високу надійність та ресурс, ніж контактні генератори, що використовують щітково-контактні струмознімальні пристрої. Це стимулювало створення автомобільних безконтактних генераторів змінного струму з електромагнітним збудженням – індукторних генераторів та генераторів із укороченими полюсами.
До безконтактних генераторів з електромагнітним збудженням відносяться індукторні генератори та генератори з укороченими дзьобами. Працює генератор у такий спосіб. Обмотка збудження, якою протікає постійний струм, Створює в магнітній системі потік, який при обертанні ротора змінюється за величиною без зміни знака. Цей потік замикається, проходячи через повітряні зазори між валом та елементами ротора, зубці якого виконані у вигляді зірочки, повітряний зазор між ротором та статором, магнітопровід статора та кришку генератора.
Зміна магнітного потоку в якорі при обертанні ротора відбувається за рахунок зміни магнітного опору повітряного проміжку між зубцями статора і ротора.
Магнітний потік Фу індукторних генераторів пульсуючий. Магнітний потік у повітряному зазорі періодично змінюється від Ф махколи осі зубців ротора і статора збігаються, до Ф minколи осі зубців ротора і статора зміщені на кут 180˚електричних градусів. Таким чином, магнітний потік має середню постійну та змінну складову з амплітудою
Ф пер = 0,5 (Ф mах - Ф min)
3убец і западина ротора (індуктора) генератора утворюють пару полюсів, тому частота струму якоря в індукторі генератора може бути визначена за формулою:
f = zn/60
де z – число зубців ротора.
У генераторах з укороченими полюсами безконтактність досягається за рахунок нерухомого кріплення обмотки збудження за допомогою немагнітної обойми. Полюси дзьобоподібної форми мають довжину менше половини довжини активної частини ротора. У процесі обертання ротора магнітний потік збудження перетинає витки статора обмотки, індукуючи в них ЕРС.
Генератори з укороченими полюсами прості за конструкцією, технологічні. Ротори таких генераторів мають мале розсіювання.
До недоліків можна віднести дещо більшу, ніж у контактних генераторів, масу за тієї ж потужності. Також слід зазначити труднощі кріплення обмотки збудження та забезпечення жорсткості та механічної міцності її кріплення.
Застосування на автомобілях існуючих конструкцій індукторних генераторів довго стримувалося такими труднощами:
- невисокі питомі показники;
- підвищений рівень пульсації випрямленої напруги;
- підвищений рівень шуму.
Подальше вдосконалення конструкції та усунення перелічених вище недоліків дозволило використовувати індукторні генератори змінного струму на автомобілях.
Вперше безщіткові генератори з укороченими полюсами 45.3701 та 49.3701 були використані на автомобілях марки «УАЗ».
Невеликий відеоролик дозволить наочно зрозуміти основні принципи роботи та влаштування автомобільного генератора змінного струму.