Как работает возбуждение генератора: Устройство,принцип действия автомобильных генераторов

Устройство,принцип действия автомобильных генераторов

Электрооборудование любого автомобиля включает в себя генератор – основной источник электроэнергии. Вместе с регулятором напряжения он называется генераторной установкой. На современные автомобили устанавливаются генераторы переменного тока. Они в наибольшей степени отвечают предъявляемым требованиям.
Основные требования к автомобильным генераторам
1. Генератор должен обеспечивать бесперебойную подачу тока и обладать достаточной мощностью, чтобы:
– одновременно снабжать электроэнергией работающих потребителей и заряжать АКБ;
– при включении всех штатных потребителей электроэнергии на малых оборотах двигателя не происходил сильный разряд аккумуляторной батареи;
– напряжение в бортовой сети находилось в заданных пределах во всем диапазоне электрических нагрузок и частот вращения ротора.
2. Генератор должен иметь достаточную прочность, большой ресурс, небольшие массу и габариты, невысокий уровень шума и радиопомех.

Принцип действия генератора
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 переменное электрическое напряжение. И, наоборот, для образования магнитного потока достаточно пропустить через катушку электрический ток. Таким образом, для получения переменного электрического тока требуются катушка, по которой протекает постоянный электрический ток, образуя магнитный поток, называемая обмоткой возбуждения и стальная полюсная система, назначение которой – подвести магнитный поток к катушкам, называемым обмоткой статора, в которых наводится переменное напряжение. Эти катушки помещены в пазы стальной конструкции, магнитопровода (пакета железа) статора. Обмотка статора с его магнитопроводом образует, собственно, статор генератора, его важнейшую неподвижную часть, в которой образуется электрический ток, а обмотка возбуждения с полюсной системой и некоторыми другими деталями (валом, контактными кольцами) – ротор, его важнейшую вращающуюся часть. Питание обмотки возбуждения может осуществляться от самого генератора. В этом случае генератор работает на самовозбуждении. При этом остаточный магнитный поток в генераторе, т. е. поток, который образуют стальные части магнитопровода при отсутствии тока в обмотке возбуждения, невелик и обеспечивает самовозбуждение генератора только на слишком высоких частотах вращения. Поэтому в схему генераторной установки, там, где обмотки возбуждения не соединены с аккумуляторной батареей, вводят такое внешнее соединение, обычно через лампу контроля работоспособного состояния генераторной установки. Ток, поступающий через эту лампу в обмотку возбуждения, после включения выключателя зажигания и обеспечивает первоначальное возбуждение генератора. Сила этого тока не должна быть слишком большой, чтобы не разряжать аккумуляторную батарею, но и не слишком малой, т. к. в этом случае генератор возбуждается при слишком высоких частотах вращения, поэтому фирмы-изготовители оговаривают необходимую мощность контрольной лампы – обычно 2. ..3 Вт.

При вращении ротора напротив катушек обмотки статора появляются попеременно «северный», и «южный» полюсы ротора, т. е. направление магнитного потока, пронизывающего катушку, меняется, что и вызывает появление в ней переменного напряжения. Частота этого напряжения f зависит от частоты вращения ротора генератора N и числа его пар полюсов р:
f=p*N/60
За редким исключением генераторы зарубежных фирм, также как и отечественные, имеют шесть «южных» и шесть «северных» полюсов в магнитной системе ротора. В этом случае частота f в 10 раз меньше частоты вращения я ротора генератора. Поскольку свое вращение ротор генератора получает от коленчатого вала двигателя, то по частоте переменного напряжения генератора можно измерять частоту вращения коленчатого вала двигателя. Для этого у генератора делается вывод обмотки статора, к которому и подключается тахометр. При этом напряжение на входе тахометра имеет пульсирующий характер, т. к. он оказывается включенным параллельно диоду силового выпрямителя генератора. С учетом передаточного числа i ременной передачи от двигателя к генератору частота сигнала на входе тахометра fт связана с частотой вращения коленчатого вала двигателя Nдв соотношением:
f=p*Nдв(i)/60
Конечно, в случае проскальзывания приводного ремня это соотношение немного нарушается и поэтому следует следить, чтобы ремень всегда был достаточно натянут. При р=6 , (в большинстве случаев) приведенное выше соотношение упрощается fт = Nдв (i)/10. Бортовая сеть требует подведения к ней постоянного напряжения. Поэтому обмотка статора питает бортовую сеть автомобиля через выпрямитель, встроенный в генератор.

Обмотка статора генераторов зарубежных фирм, как и отечественных – трехфазная. Она состоит из трех частей, называемых обмотками фаз или просто фазами, напряжение и токи в которых смещены друг относительно друга на треть периода, т. е. на 120 электрических градусов, как это показано на рис. I. Фазы могут соединяться в «звезду» или «треугольник». При этом различают фазные и линейные напряжения и токи. Фазные напряжения Uф действуют между концами обмоток фаз. я токи Iф протекают в этих обмотках, линейные же напряжения Uл действуют между проводами, соединяющими обмотку статора с выпрямителем. В этих проводах протекают линейные токи Jл. Естественно, выпрямитель выпрямляет те величины, которые к нему подводятся, т. е. линейные.

При соединении в «треугольник» фазные токи в корень из 3 раза меньше линейных, в то время как у «звезды» линейные и фазные токи равны. Это значит, что при том же отдаваемом генератором токе, ток в обмотках фаз, 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 толстым проводом, что технологичнее. Однако линейные напряжения у «звезды» в корень из 3 больше фазного, в то время как у «треугольника» они равны и для получения такого же выходного напряжения, при тех же частотах вращения «треугольник» требует соответствующего увеличения числа витков его фаз по сравнению со «звездой».

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».

Выпрямитель для трехфазной системы содержит шесть силовых полупроводниковых диодов, три из которых: VD1, VD3 и VD5 соединены с выводом «+» генератора, а другие три: VD2, VD4 и VD6 с выводом «-» («массой»). При необходимости форсирования мощности генератора применяется дополнительное плечо выпрямителя на диодах VD7, VD8, показанное на рис.1, пунктиром. Такая схема выпрямителя может иметь место только при соединении обмоток статора в «звезду», т. к. дополнительное плечо запитывается от «нулевой» точки «звезды».

У значительного количества типов генераторов зарубежных фирм обмотка возбуждения подключается к собственному выпрямителю, собранному на диодах VD9-VD 11.Такое подключение обмотки возбуждения препятствует протеканию через нее тока разряда аккумуляторной батареи при неработающем двигателе автомобиля. 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. По графику фазных напряжений (рис. 1) можно определить, какие диоды открыты, а какие закрыты в данный момент. Фазные напряжения Uф1 действует в обмотке первой фазы, Uф2 – второй, Uф3 – третьей. Эти напряжения 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 t1, когда напряжение второй фазы отсутствует, первой фазы – положительно, а третьей – отрицательно. Направление напряжений фаз соответствует стрелкам, показанным на рис. 1. Ток через обмотки, диоды и нагрузку будет протекать в направлении этих стрелок. При этом открыты диоды VD1 и VD4. Рассмотрев любые другие моменты времени, легко убедиться, что в трехфазной системе напряжения, возникающего в обмотках фаз генератора, диоды силового выпрямителя переходят из открытого состояния в закрытое и обратно таким образом, что ток в нагрузке имеет только одно направление – от вывода «+» генераторной установки к ее выводу «-» («массе»), т. е. в нагрузке протекает постоянный (выпрямленный) ток. Диоды выпрямителя обмотки возбуждения работают аналогично, питая выпрямленным током эту обмотку. Причем в выпрямитель обмотки возбуждения тоже входят 6 диодов, но три из них VD2, VD4, VD6 общие с силовым выпрямителем. Так в момент времени t1 открыты диоды VD4 и VD9, через которые выпрямленный ток и поступает в обмотку возбуждения. Этот ток значительно меньше, чем ток, отдаваемый генератором в нагрузку. Поэтому в качестве диодов VD9-VD11 применяются малогабаритные слаботочные диоды на ток не более 2 А (для сравнения, диоды силового выпрямителя допускают протекание токов силой до 25…35 А).

Рис. 1. Принципиальная схема генераторной установки. Uф1 — Uф3 — напряжение в обмотках фаз: Ud — выпрямленное напряжение; 1, 2, 3 — обмотки трех фаз статора: 4 — диоды силового выпрямителя; 5 — аккумуляторная батарея; 6 — нагрузка; 7 — диоды выпрямителя обмотки возбуждения; 8 — обмотка возбуждения; 9 — регулятор напряжения.


Остается рассмотреть принцип работы плеча выпрямителя, содержащего диоды VD7 и VD8. Если бы фазные напряжения изменялись чисто по синусоиде, эти диоды вообще не участвовали бы в процессе преобразования переменного тока в постоянный. Однако в реальных генераторах форма фазных напряжений отличается от синусоиды. Она представляет собой сумму синусоид, которые называются гармоническими составляющими или гармониками – первой, частота которой совпадает с частотой фазного напряжения, и высшими, главным образом, третьей, частота которой в три раза выше, чем первой. Представление реальной формы фазного напряжения в виде суммы двух гармоник (первой и третьей) показано на рис. 2.

Рис. 2. Представление фазного напряжения Uф в виде суммы синусоид первой, U1, и третьей U3, гармоник


Из электротехники известно, что в линейном напряжении, т. е. в том напряжении, которое подводится к выпрямителю и выпрямляется, третья гармоника отсутствует. Это объясняется тем, что третьи гармоники всех фазных напряжений совпадают по фазе, т. е. одновременно достигают одинаковых значений и при этом взаимно уравновешивают и взаимоуничтожают друг друга в линейном напряжении. Таким образом, третья гармоника в фазном напряжении присутствует, а в линейном – нет. Следовательно, мощность, развиваемая третьей гармоникой фазного напряжения, не может быть использована потребителями. Чтобы использовать эту мощность добавлены диоды VD7 и VD8, подсоединенные к нулевой точке обмоток фаз, т. е. к точке где сказывается действие фазного напряжения. Таким образом, эти диоды выпрямляют только напряжение третьей гармоники фазного напряжения. Применение этих диодов увеличивает мощность генератора на 5. ..15% при частоте вращения более 3000 мин-1.

Выпрямленное напряжение, как это показано на рис. 1, носит пульсирующий характер. Эти пульсации можно использовать для диагностики выпрямителя. Если пульсации идентичны – выпрямитель работает нормально, если же картинка на экране осциллографа имеет нарушение симметрии – возможен отказ диода. Проверку эту следует производить при отключенной аккумуляторной батарее. 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.

Применение в регуляторе напряжения электроники и особенно, микроэлектроники, т. е. применение полевых транзисторов или выполнение всей схемы регулятора напряжения на монокристалле кремния, потребовало введения в генераторную установку элементов защиты ее от всплесков высокого напряжения, возникающих, например, при внезапном отключении аккумуляторной батареи, сбросе нагрузки. Такая защита обеспечивается тем, что диоды силового моста заменены 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.

Устройство автомобильного генератора
По своему конструктивному исполнению генераторные установки можно разделить на две группы – генераторы традиционной конструкции с вентилятором у приводного шкива и генераторы так называемой компактной конструкции с двумя вентиляторами во внутренней полости генератора. Обычно «компактные» генераторы оснащаются приводом с повышенным передаточным отношением через поликлиновый ремень и поэтому по принятой у некоторых фирм терминологии, называются высокоскоростными генераторами. При этом внутри этих групп можно выделить генераторы, у которых щеточный узел расположен во внутренней полости генератора между полюсной системой ротора и задней крышкой и генераторы, где контактные кольца и щетки расположены вне внутренней полости. В этом случае генератор имеет кожух, под которым располагается щеточный узел, выпрямитель и, как правило, регулятор напряжения.

Любой генератор содержит статор с обмоткой, зажатый между двумя крышками – передней, со стороны привода, и задней, со стороны контактных колец. Крышки, отлитые из алюминиевых сплавов, имеют вентиляционные окна, через которые воздух продувается вентилятором сквозь генератор.

Генераторы традиционной конструкции снабжены вентиляционными окнами только в торцевой части, генераторы «компактной» конструкции еще и на цилиндрической части над лобовыми сторонами обмотки статора. «Компактную» конструкцию отличает также сильно развитое оребрение, особенно в цилиндрической части крышек. На крышке со стороны контактных колец крепятся щеточный узел, который часто объединен с регулятором напряжения, и выпрямительный узел. Крышки обычно стянуты между собой тремя или четырьмя винтами, причем статор обычно оказывается зажат между крышками, посадочные поверхности которых охватывают статор по наружной поверхности. Иногда статор полностью утоплен в передней крышке и не упирается в заднюю крышку, существуют конструкции, у которых средние листы пакета статора выступают над остальными и они являются посадочным местом для крышек. Крепежные лапы и натяжное ухо генератора отливаются заодно с крышками, причем, если крепление двухлапное, то лапы имеют обе крышки, если однолапное – только передняя. Впрочем, встречаются конструкции, у которых однолапное крепление осуществляется стыковкой приливов задней и передней крышек, а также двухлапные крепления, при котором одна из лап, выполненная штамповкой из стали, привертывается к задней крышке, как, например, у некоторых генераторов фирмы Paris-Rhone прежних выпусков. При двухлапном креплении в отверстии задней лапы обычно располагается дистанционная втулка, позволяющая при установке генератора выбирать зазор между кронштейном двигателя и посадочным местом лап. Отверстие в натяжном ухе может быть одно с резьбой или без, но встречается и несколько отверстий, чем достигается возможность установки этого генератора на разные марки двигателей. Для этой же цели применяют два натяжных уха на одном генераторе.

Статор генератора (рис. 3) набирается из стальных листов толщиной 0.8…1 мм, но чаще выполняется навивкой «на ребро». Такое исполнение обеспечивает меньше отходов при обработке и высокую технологичность. При выполнении пакета статора навивкой ярмо статора над пазами обычно имеет выступы, по которым при навивке фиксируется положение слоев друг относительно друга. Эти выступы улучшают охлаждение статора за счет более развитой его наружной поверхности. Необходимость экономии металла привела и к созданию конструкции пакета статора, набранного из отдельных подковообразных сегментов. Скрепление между собой отдельных листов пакета статора в монолитную конструкцию осуществляется сваркой или заклепками. Практически все генераторы автомобилей массовых выпусков имеют 36 пазов, в которых располагается обмотка статора. Пазы изолированы пленочной изоляцией или напылением эпоксидного компаунда.

Рис.3. Статор генератора: 1 — сердечник, 2 — обмотка, 3 — пазовый клин, 4 — паз, 5 — вывод для соединения с выпрямителем


В пазах располагается обмотка статора, выполняемая по схемам (рис. 4) в виде петлевой распределенной (рис.4-а) или волновой сосредоточенной (рис.4-б), волновой распределенной (рис.4-б) обмоток. Петлевая обмотка отличается тем, что ее секции (или полусекции) выполнены в виде катушек с лобовыми соединениями по обоим сторонам пакета статора напротив друг друга. Волновая обмотка действительно напоминает волну, т. к. ее лобовые соединения между сторонами секции (или полусекции) расположены поочередно то с одной, то с другой стороны пакета статора. У распределенной обмотки секция разбивается на две полусекции, исходящие из одного паза, причем одна полусекция исходит влево, другая направо. Расстояние между сторонами секции (или полусекции) каждой обмотки фазы составляет 3 пазовых деления, т.е. если одна сторона секции лежит в пазу, условно принятом за первый, то вторая сторона укладывается в четвертый паз. Обмотка закрепляется в пазу пазовым клином из изоляционного материала. Обязательной является пропитка статора лаком после укладки обмотки.

Рис.4 Схема обмотки статора генератора: А — петлевая распределенная, Б — волновая сосредоточенная, В — волновая распределенная
——- 1 фаза, — — — — — — 2 фаза, -..-..-..- 3 фаза


Особенностью автомобильных генераторов является вид полюсной системы ротора (рис.5). Она содержит две полюсные половины с выступами – полюсами клювообразной формы по шесть на каждой половине. Полюсные половины выполняются штамповкой и могут иметь выступы – полувтулки. В случае отсутствия выступов при напрессовке на вал между полюсными половинами устанавливается втулка с обмоткой возбуждения, намотанной на каркас, при этом намотка осуществляется после установки втулки внутрь каркаса.

Рис. 5. Ротор автомобильного генератора: а — в сборе; б — полюсная система в разобранном виде; 1,3- полюсные половины; 2 — обмотка возбуждения; 4 — контактные кольца; 5 — вал.


Если полюсные половины имеют полувтулки, то обмотка возбуждения предварительно наматывается на каркас и устанавливается при напрессовке полюсных половин так, что полувтулки входят внутрь каркаса. Торцевые щечки каркаса имеют выступы-фиксаторы, входящие в межполюсные промежутки на торцах полюсных половин и препятствующие провороту каркаса на втулке. Напрессовка полюсных половин на вал сопровождается их зачеканкой, что уменьшает воздушные зазоры между втулкой и полюсными половинами или полувтулками, и положительно сказывается на выходных характеристиках генератора. При зачеканке металл затекает в проточки вала, что затрудняет перемотку обмотки возбуждения при ее перегорании или обрыве, т. к. полюсная система ротора становится трудноразборной. Обмотка возбуждения в сборе с ротором пропитывается лаком. Клювы полюсов по краям обычно имеют скосы с одной или двух сторон для уменьшения магнитного шума генераторов. В некоторых конструкциях для той же цели под острыми конусами клювов размещается антишумовое немагнитное кольцо, расположенное над обмоткой возбуждения. Это кольцо предотвращает возможность колебания клювов при изменении магнитного потока и, следовательно, излучения ими магнитного шума.

После сборки производится динамическая балансировка ротора, которая осуществляется высверливанием излишка материала у полюсных половин. На валу ротора располагаются также контактные кольца, выполняемые чаще всего из меди, с опрессовкой их пластмассой. К кольцам припаиваются или привариваются выводы обмотки возбуждения. Иногда кольца выполняются из латуни или нержавеющей стали, что снижает их износ и окисление особенно при работе во влажной среде. Диаметр колец при расположении щеточно – контактного узла вне внутренней полости генератора не может превышать внутренний диаметр подшипника, устанавливаемого в крышку со стороны контактных колец, т. к. при сборке подшипник проходит над кольцами. Малый диаметр колец способствует кроме того уменьшению износа щеток. Именно по условиям монтажа некоторые фирмы применяют в качестве задней опоры ротора роликовые подшипники, т.к. шариковые того же диаметра имеют меньший ресурс.

Валы роторов выполняются, как правило, из мягкой автоматной стали, однако, при применении роликового подшипника, ролики которого работают непосредственно по концу вала со стороны контактных колец, вал выполняется из легированной стали, а цапфа вала цементируется и закаливается. На конце вала, снабженном резьбой, прорезается паз под шпонку для крепления шкива. Однако, во многих современных конструкциях шпонка отсутствует. В этом случае торцевая часть вала имеет углубление или выступ под ключ в виде шестигранника. Это позволяет удерживать вал от проворота при затяжке гайки крепления шкива, или при разборке, когда необходимо снять шкив и вентилятор.

Щеточный узел – это пластмассовая конструкция, в которой размещаются щетки т. е. скользящие контакты. В автомобильных генераторах применяются щетки двух типов – меднографитные и электрографитные. Последние имеют повышенное падение напряжения в контакте с кольцом по сравнению с меднографитными, что неблагоприятно сказывается на выходных характеристиках генератора, однако они обеспечивают значительно меньший износ контактных колец. Щетки прижимаются к кольцам усилием пружин. Обычно щетки устанавливаются по радиусу контактных колец, но встречаются и так называемые реактивные щеткодержатели, где ось щеток образует угол с радиусом кольца в месте контакта щетки. Это уменьшает трение щетки в направляющих щеткодержателя и тем обеспечивается более надежный контакт щетки с кольцом. Часто щеткодержатель и регулятор напряжения образуют неразборный единый узел.

Выпрямительные узлы применяются двух типов – либо это пластины-теплоотводы, в которые запрессовываются (или припаиваются) диоды силового выпрямителя или на которых распаиваются и герметизируются кремниевые переходы этих диодов, либо это конструкции с сильно развитым оребрением, в которых диоды, обычно таблеточного типа, припаиваются к теплоотводам. Диоды дополнительного выпрямителя имеют обычно пластмассовый корпус цилиндрической формы или в виде горошины или выполняются в виде отдельного герметизированного блока, включение в схему которого осуществляется шинками. Включение выпрямительных блоков в схему генератора осуществляется распайкой или сваркой выводов фаз на специальных монтажных площадках выпрямителя или винтами. Наиболее опасным для генератора и особенно для проводки автомобильной бортовой сети является перемыкание пластинтеплоотводов, соединенных с «массой» и выводом «+» генератора случайно попавшими между ними металлическими предметами или проводящими мостиками, образованными загрязнением, т.к. при этом происходит короткое замыкание по цепи аккумуляторной батареи и возможен пожар. Во избежание этого пластины и другие части выпрямителя генераторов некоторых фирм частично или полностью покрывают изоляционным слоем. В монолитную конструкцию выпрямительного блока теплоотводы объединяются в основном монтажными платами из изоляционного материала, армированными соединительными шинками.

Подшипниковые узлы генераторов это, как правило, радиальные шариковые подшипники с одноразовой закладкой пластичной смазки на весь срок службы и одно или двухсторонними уплотнениями, встроенными в подшипник. Роликовые подшипники применяются только со стороны контактных колец и достаточно редко, в основном, американскими фирмами. Посадка шариковых подшипников на вал со стороны контактных колец – обычно плотная, со стороны привода – скользящая, в посадочное место крышки наоборот – со стороны контактных колец – скользящая, со стороны привода – плотная. Так как наружная обойма подшипника со стороны контактных колец имеет возможность проворачиваться в посадочном месте крышки, то подшипник и крышка могут вскоре выйти из строя, возникнет задевание ротора за статор. Для предотвращения проворачивания подшипника в посадочное место крышки помещают различные устройства – резиновые кольца, пластмассовые стаканчики, гофрированные стальные пружины и т. п.

Конструкцию регуляторов напряжения в значительной мере определяет технология их изготовления. При изготовлении схемы на дискретных элементах, регулятор обычно имеет печатную плату, на которой располагаются эти элементы. При этом некоторые элементы, например, настроечные резисторы могут выполняться по толстопленочной технологии. Гибридная технология предполагает, что резисторы выполняются на керамической пластине и соединяются с полупроводниковыми элементами – диодами, стабилитронами, транзисторами, которые в бескорпусном или корпусном исполнении распаиваются на металлической подложке. В регуляторе, выполненном на монокристалле кремния, вся схема регулятора размещена в этом кристалле. Гибридные регуляторы напряжения и регуляторы напряжения на монокристалле ни разборке, ни ремонту не подлежат.

Охлаждение генератора осуществляется одним или двумя вентиляторами, закрепленными на его валу. При этом у традиционной конструкции генераторов (рис. 6-а) воздух засасывается центробежным вентилятором в крышку со стороны контактных колец. У генераторов, имеющих щеточный узел, регулятор напряжения и выпрямитель вне внутренней полости и защищенных кожухом, воздух засасывается через прорези этого кожуха, направляющие воздух в наиболее нагретые места – к выпрямителю и регулятору напряжения. На автомобилях с плотной компоновкой подкапотного пространства, в котором температура воздуха слишком велика, применяют генераторы со специальным кожухом (рис. 6-б), закрепленным на задней крышке и снабженным патрубком со шлангом, через который в генератор поступает холодный и чистый забортный воздух. Такие конструкции применяются, например, на автомобилях BMW. У генераторов «компактной» конструкции охлаждающий воздух забирается со стороны как задней, так и передней крышек.

Рис .6. Система охлаждения генераторов: а — генераторы обычной конструкции; б — генераторы для повышенной температуры в подкапотном пространстве; в — генераторы компактной конструкции. Стрелками показано направление воздушных потоков.


Генераторы большой мощности, устанавливаемые на спецавтомобили, грузовики и автобусы имеют некоторые отличия. В частности, в них встречаются две полюсные системы ротора, насаженные на один вал и, следовательно, две обмотки возбуждения, 72 паза на статоре и т. п. Однако принципиальных отличий в конструктивном исполнении этих генераторов от рассмотренных конструкций нет.

Стартер генератор карбюратор автоэлектрика –Различные схемы автомобильных генераторов

Схемы с внешним регулятором напряжения

Схемы со встроенным регулятором напряжения

Схемы с питанием обмотки возбуждения от выхода генератора

Схемы генераторов с дополнительными диодами

Схемы с многофункциональными регуляторами напряжения

Общие описания

Схемы с питанием обмотки возбуждения от выхода генератора 

Автомобильный генератор возбуждается от аккумулятора.  Как только включается зажигание, выходной транзистор регулятора открывается и через него идет  ток  возбуждения ,  генератор возбуждается. Когда генератор заработал, возбуждение происходит уже от самого генератора по той же цепи, через замок зажигания. При включенном зажигании в таких схемах плюс аккумулятора всегда остается подключенным к  обмотке возбуждения.

Регулятор напряжения может быть внешним и встроенным. Внешний регулятор это отдельная коробочка, которая соединяется с генератором проводами и стоит в стороне от генератора. Встроенный регулятор, входит в состав генератора, крепится внутри или снаружи корпуса, обычно, встроенный регулятор сделан вместе со щетками.

Это схема с внешним регулятором напряжения, с заземленной щеткой. По такой схеме сделан генератор Г 221, для автомобиля «Жигули» ВАЗ 2101,02, 03, 06, и ранней «Нивы»

Работа схемы автомобильного генератора (это описание применимо для всех последующих схем)

Схема генератора состоит из обмотки генератора, выпрямителя (Диодного моста), обмотки возбуждения в роторе, регулятора напряжения, аккумулятора и подключенных к генератору приборов электрооборудования. Аккумулятор и генератор работают совместно.  Когда генератор не работает все электрооборудование питается от аккумулятора. Когда генератор возбуждается, все начинает работать от генератора,  и  аккумулятор заряжается. Аккумулятор создает первоначальный ток, для возбуждения генератора, то есть, намагничивает ротор. Аккумулятор для генератора нужен обязательно. Если нет аккумулятора, генератор можно крутить сколько угодно, он не заработает.

При включении зажигания, ток от плюса аккумулятора идет в ротор через щетки. Этот ток проходит через открытый транзистор регулятора напряжения. Ток  обмотки ротора намагничивает железные полюса с клювами. Двигатель заводится,  ротор раскручивается, и обмотка статора начинает испытывать резкие изменения магнитного поля от мелькающих клювов ротора. В обмотке статора возникает Электродвижущая сила (ЭДС). В цепи обмотки появляется переменный ток. Этот ток проходит через диодный мост, становится выпрямленным, близким по форме к постоянному.

Обмотка и ротор

Диодный мост

На всех приборах автомобиля и на аккумуляторе начинает действовать напряжение генератора. Напряжение генератора становится выше ЭДС аккумулятора, и он начинает заряжаться.

Когда генератор работает, ток возбуждения в ротор идет уже не от аккумулятора, а от самого генератора.   Регулирование напряжения генератора происходит изменением тока возбуждения.. 

Проблема возникает в том, что, ЭДС генератора значительно превышает необходимое значение напряжения, для работы электрооборудования.  Для того, чтобы поддерживать напряжение на заданном уровне 13, 8 – 14, 2 Вольта, к генератору подключен регулятор напряжения, он ограничивает напряжение генератора..

Регулирование напряжения

При включении, регулятор обязательно открыт, чтобы пропустить ток возбуждения, который намагничивает ротор. Когда генератор раскручивается, ЭДС сильно вырастает, регулятор, подключенный в выходу генератора, чувствует, что напряжении становится выше и закрывается, ток возбуждения уменьшается, напряжение генератора падает. Регулятор чувствует, что напряжение стало ниже и снова открывается, появляется ток возбуждения и напряжение растет, регулятор снова закрывается, и т. д. Напряжение пилообразно изменяется и в среднем поддерживается на заданном уровне.

С увеличением количества включенных приборов, мощность которую отдает генератор растет, а значит, напряжение на выходе генератора снижается, регулятор напряжения отслеживает это снижение и поддерживает напряжение генератора, пока хватает его мощности.

Регулятор поддерживает заданное напряжение на выходе генератора при изменениях числа оборотов и изменениях нагрузки. Это обеспечивает правильную зарядку аккумулятора, и нормальную работу всего электрооборудования.

Схема с внешним регулятором с заземленным транзистором, используется для многих типов устаревших генераторов. 1631,  192,  и.т..п. для автомобилей Волга и Газель с двигателем 402. На многих американских автомобилях, вплоть, до 90 годов, применялись генераторы с внешним регулятором напряжения. Например автомобили «Газель» с двигателем «Крайслер» были сделаны по такой схеме.

 

Схема генератора со встроенным регулятором напряжения

В этом случае регулятор напряжения смонтирован в единый узел со щеточным узлом, и установлен на генератор.

    

По такой схеме сделаны генераторы 58.3701, для автомобиля «Москвич» и все генераторы для автомобилей УАЗ, ЗиЛ, ГАЗ  80 -х — 90-х годов выпуска.

Все три схемы — это  схемы с питанием обмотки возбуждения от выхода генератора.  Первоначальное возбуждение происходит от аккумулятора, а после запуска  ток возбуждения берется с выхода генератора, то есть с той же самой точки.

Недостаток  Схемы с питанием обмотки возбуждения от выхода генератора.

Цепь возбуждения работает через замок зажигания, поэтому работа генератора зависит от состояния контактов замка зажигания, провода цепи возбуждения получаются очень длинными и, в целом, надежность  схемы недостаточно высокая.

Аккумулятор всегда подключен к плюсовому выводу генератора, это необходимо для того, чтобы генератор и аккумулятор могли работать как источники заменяя друг друга — двигатель не работает — источник аккумулятор, двигатель заработал — источник генератор, и все работает от него, а аккумулятор заряжается. Когда генератор не работает, аккумулятор, прямо  подключенный к нему, не может  бесполезно разряжаться через диодный мост потому, что диодный мост не пропускает ток в обратном направлении, но,

через обмотку возбуждения в роторе, аккумулятор может разрядиться.

Если двигатель не завелся и генератор не заработал, а зажигание осталось включено, то идет ток ротора от аккумулятора (а это 3 – 5 Ампер) и разряжает его. По разным причинам такие ситуации иногда возникают и тогда, через несколько часов невыключенного зажигания, двигатель не заведется. Такие схемы, в которых ротор запитан от выхода генератора и, значит, подключен непосредственно к аккумулятору, могут привести к неожиданной разрядке аккумулятора.

 

Схемы генераторов с дополнительными диодами

Можно сделать схему возбуждения генератора более короткой и надежной. Ток возбуждения  проходит только внутри генератора и не проходит во внешнюю цепь через замок зажигания. Для этого ток возбуждения берется  с обмоток генератора, выпрямляется отдельным маленьким выпрямителем и отправляется сразу в обмотку возбуждения.

Схема с дополнительными диодами позволяет защитить аккумулятор от случайного разряда через обмотку возбуждения. В такой схеме обмотка возбуждение, на прямую, не подсоединена  к выходу генератора и аккумулятора. Ток возбуждения протекает не от выхода диодного моста, соединенного с аккумулятором, а  прямо от своих обмоток  в обмотку возбуждения, через дополнительный выпрямитель.

Для первоначального возбуждения приходится использовать аккумулятор. Ток первоначального возбуждения, при включении замка зажигания, проходит в обмотку возбуждения через лампочку. Лампочка имеет большое сопротивление, поэтому ток в цепи возбуждения протекает маленький (лампочка светится), такого тока вполне достаточно для подмагничивания ротора. Как только ротор подмагнитился, генератор начинает вырабатывать напряжение и появляется ток в обмотках, этот ток идет через дополнительные диоды в обмотку возбуждения и намагничивание ротора возрастает, так генератор, практически сразу, возбуждается, получив первоначальный толчок маленьким током через лампочку. Дальше генератор работает уже самостоятельно, потребляя необходимый ток возбуждения через дополнительные диоды.  

Цепь внешнего возбуждения остается подключенной, она используется снова при следующем запуске двигателя. Лампочка, фактически, разделяет цепь первоначального возбуждения генератора и цепь рабочего возбуждения. Ток обмотки  возбуждения может достигать 5-и Ампер, но чтобы обмотка возбуждения не могла  потреблять такой ток от аккумулятора,  в цепи первоначального возбуждения и стоит лампочка ограничивающая этот ток. На первый взгляд проблема остается — если ротор генератора не крутится, а зажигание включено, то аккумулятор разряжается, но разражается очень маленьким током через лампочку (лампочка горит).  Ток лампочки может гореть несколько дней и это не приведет к полному разряду нормального аккумулятора. 

Очень важное преимущество такой схемы состоит в том, лампочка  не только ограничивает ток разрядки аккумулятора через обмотку возбуждения, но то, что она становится очень полезным индикатором состояния системы генератор — аккумулятор и позволят контролировать процесс зарядки аккумулятора и исправность — неисправность генератора.

 Схема генератора с дополнительными диодами и регулятором напряжения  типа L (D+)

Схема генератора с возбуждением типа L.

  Такая схема широко применялась на автомобилях выпуска 90-х годов. ВАЗ 2108-09, ВАЗ 2107 — 05, ВАЗ 2110, 11, 12, «Газель», «Волга» с двигателем 406, Генераторы 372.3701,  9402,3701, 9422, 3701, и многие другие. Генераторы BOSCH, VALEO 

У регуляторов типа L, на точку L подключается выход лампочки для первоначального возбуждения, а когда генератор заработал, то на эту точку приходит напряжение самого генератора, через дополнительный выпрямитель. Такой регулятор считает, что напряжение на выходе дополнительного выпрямителя — это и есть напряжение бортовой сети, поэтому он поддерживает напряжение на выходе генератора, «опираясь» на значение напряжения на точке L. Это получается недостаточно точно.

 Такие регуляторы применялись на многих генераторах 90-х годов для автомобилей Mitsubishi, и их корейских клонах.

У регуляторов SL два входа. Точка L имеет такое же подключение, выполняет туже функцию, но, контрольное  напряжение, относительно которого нужно поддерживать заданное напряжение поступает на точку S.

Это вход с высоким сопротивлением, который тока не потребляет. Он подключается на силовой выход генератора, где напряжение, действительно мало отличается от напряжения бортовой сети. Таким образом, регуляторы SL поддерживают напряжение на выходе генератора более точно, так как контролируют напряжение на самом выходе.  На точке S  при выключенном зажигании должно быть 12 Вольт (связь с аккумулятором). Если цепь оборвана, что иногда бывает, то генератор работает, но держит напряжение примерно на 1 Вольт выше нужного значения и требуется восстановление проводки, чтобы защитить аккумулятор от перезаряда.

Разрядка аккумулятора по цепи S невозможна так как вход S регулятора имеет очень большое сопротивление.

На Российском регуляторе SL  типа 1702.3702 (для  ВАЗ 2108)  неподключение или обрыв точки S, полностью отключает регулятор.

Такое решение использовали BOSCH, Mitsubishi, DELCO COR.  Генераторы БАТЭ для ВАЗ 2110 и для 406-го  двигателя 3202, 3222, были выполнены по этой схеме.

Обмотка, намотанная звездой, имеет среднюю точку, если ее подключить к выпрямителю, то с выпрямителя можно снять больший ток. Для выпрямления тока от средней точки нужно дополнительное плечо диодного моста, то есть нужно еще 2 диода. Таким образом, в том же корпусе и с той же обмоткой, можно получить генератор, который будет мощнее на 10 — 15 процентов, только нужен другой диодный мост, на 8 диодов. Такой генератор поддерживает работу большего числа потребителей, что актуально с увеличением числа электронных схем управления в современных автомобилях.

 

 

Лампочка

Лампочка не только ограничивает ток, но становится простым и очень полезным сигнализатором.

При включении зажигания лампочка загорается, через нее идет ток первоначально возбуждения, это значит, что цепь возбуждения целая и генератор готов к работе.

После запуска двигателя лампочка гаснет – это значит, что генератор заработал.

Если при включении зажигания лапочка не загорелась, то значит, цепь возбуждения не включилась и генератор не заработает.

Если лампочка загорелась, а после запуска двигателя не погасла, то значит, что цепь возбуждения целая, но генератор не заработал, надо искать неисправность, иначе, через два часа машина безнадежно встанет.

Если лампочка загорелась на ходу, то, то значит, генератор перестал работать (например, порвался ремень), двигатель продолжает работать, пока аккумулятор заряжен, но ехать нужно туда, где отремонтируют генератор.

Лампочка так действует потому, что с одной стороны, она подключается к плюсу аккумулятора, а с другой стороны к обмотке возбуждения. При включении замка зажигания, пока генератор стоит, появляется ток через обмотку возбуждения на минус и лампочка горит, показывая, что цепь возбуждения генератора целая. То есть, плюс питания подводится, лампочка целая, проводка до генератора целая, щетки на месте, контакт на кольцах хороший, обмотка ротора целая, регулятор целый, контакт на массу хороший. Как только генератор закрутился, и на выходе дополнительно выпрямителя, появляется плюс, который подействует на лампочку с другой стороны и лампочка погаснет (от плюса к плюсу ток не идет), это и означает, что генератор заработал.

Тусклое свечение лампочки может быть потому, что плохо затянут контакт плюсового вывода генератора, или неисправен диодный мост

Познакомимся с функцией контрольной лампочки генератора более подробно

 

 

Схема генераторов  DENSO, которые применялись на автомобилях Тойота

Схема генератора с регулятором напряжения  типа S IG L

Регуляторы такого типа применялись на генераторах фирмы Денсо для автомобилей Тойота

Регулятор представляет собой микросхему с несколькими навесными элементами.

Силовой транзистор Т2, который работает в ключевом режиме, включает и отключает ток возбуждения.

Транзистор Т1 управляет лампочкой контроля зарядки.

Микросхема работает по более сложной программе, чем регулятор на дискретных элементах, что позволяет упростить схему самого генератора.

Регулятор напряжения имеет разъем S IG L, для внешнего подсоединения, и клеммы для внутреннего подсоединения к цепям генератора B, P, F, E

Назначение выводов внешних

S – подвод напряжения с выхода генератора и аккумулятора для контроля уровня напряжения.

IG- питания цепей регулятора после включения замка зажигания

L — подключение лампочки контроля заряда

Назначение выводов внутренних соединений регулятора

B — подвод тока возбуждения от выхода генератора

P — подвод переменного напряжения с фазы генератора

F — отвод тока возбуждения от ротора

E – земля

 

Работа схемы

В выключенном состоянии к точке В подведен плюс от аккумулятора, но транзистор Т2 полностью закрыт и тока по цепи возбуждения нет. Плюс действует на точке S, но это вход с очень высоким сопротивлением и тока не потребляет.

При включении зажигания плюс от аккумулятора попадает на точку IG и на точку L через лампочку.

Микросхема DD получает питание по цепи IG. Транзистор Т1 открывается и лампочка загорается, сигнализируя о том, что генератор готов к работе, но еще не работает.

Микросхема DD переводит транзистор Т2 в импульсный режим, с такой скважностью, что среднее значение тока оказывается достаточным для подвозбуждения генератора. От плюса, через точку В, в обмотку возбуждения идет ток  через транзистор Т2. Ток очень маленький и противодействие ротора вращению двигателя получается очень слабым, что облегчает запуск двигателя и создает более щадящий режим для аккумулятора и стартера.

Стартер начинает раскручивать двигатель. Ротор вращается и подмагниченный начальным током возбуждения, начинает генерировать в обмотке генератора переменное напряжение.

Возникшее переменное напряжение, с одной из обмоток попадает на точку Р регулятора, и на соответствующую ножку микросхемы. Сигнал о появлении переменного напряжения, означает, что двигатель завелся и можно включать генератор. Микросхема переводит  транзистор Т2, на такую длительность импульсов при которой ток возбуждения  становится достаточно большим, чтобы генератор вышел на рабочее напряжение и начал отдавать достаточную мощность. Ток возбуждения (показано стрелками) от плюса, через точку В, идет в обмотку возбуждения, и через транзистор на Т2 на массу.  Ротор сильно намагничивается и генератор начинает работать. Транзистор Т1 получает от микросхемы команду на закрытие и лампочка гаснет, что подтверждает нормальный режим работы генератора.

Далее задача регулятора состоит в поддержании рабочего уровня напряжения на выходе генератора.

Генератор все время поднимает напряжение и стремится превысить его нормальный уровень. Регулятор ограничивает напряжение на заданном уровне. Микросхема DD обеспечивает широтно – импульсное управление (ШИМ – регулятор). Среднее значение тока, протекающего в обмотку зависит от длительности импульса открытого состояния ключевого транзистора Т2. Когда напряжение на выходе генератор возрастает, то микросхема, получая значение этого напряжения на точку S, уменьшает длительность открытого состояния транзистора, и среднее значение тока возбуждения снижается, напряжение на выходе генератора снижается, далее, длительность импульсов вновь увеличивается и напряжение возрастает, таким образом, поддерживается заданный уровень выходного напряжения с достаточно высокой точностью — около 14, 4 Вольта

Диод, шунтирующий обмотку возбуждения, как обычно, создает контур для ЭДС самоиндукции, при резком размыкании тока возбуждения, что снижает импульс высокого напряжения, которое может пробить выходной транзистор Т2

 

Схема генератора не нуждается в дополнительном выпрямителе для питания обмотки возбуждения.

Схема регулятора напряжения защищает аккумулятор от разрядки через обмотку возбуждения, в случае если зажигание включено, а двигатель не работает.

Как и в схеме с дополнительным выпрямителем, схема потребляет ток на свечение лампочки – сигнализатора разрядки и еще потребляет небольшой ток через обмотку возбуждения, необходимый для первоначального возбуждения, этот ток определяется импульсным режимом транзистора Т2 , его среднее значение оказывается достаточно мало, чтобы не оказывать существенное влияние на разрядку аккумулятора, поэтому в автомобиле, который не завелся, долгое время может быть включено зажигания без риска разрядки аккумулятора через генератор.

 

На данном рисунке показана схема генераторов на 100 и 110 Ампер, для генераторов меньшей мощности достаточно обычного диодного моста с шестью диодами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Устройство, принцип действия и конструкция синхронного генератора, режимы работы

Синхронным генератором (СГ) называют устройство, выполняющее функцию трансформации механической энергии в электрическую. Принцип работы и устройство синхронного генератора достаточно просты и надежны. Такое энергетическое оборудование востребовано для использования в мобильных авторемонтных мастерских, для ремонта и обслуживания станков-качалок, спецмашин нефтегазовой отрасли, на ГЭС, ТЭС, АЭС, в транспортных системах.

Основные конструктивные элементы

Основные части синхронного генератора: неподвижная — статор, вращающаяся — ротор, представляющая собой электромагнит, и две основные обмотки.
  1. Одна обмотка статора («обмотка возбуждения») запитывается от источника постоянного тока, функцию которого выполняет электронный регулятор напряжения. Регулятор используется в генераторах с самовозбуждением. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение осуществляется с использованием остаточного магнетизма магнитопровода СГ. При этом энергия переменного тока поступает от обмотки статора СГ. Комплекс из понижающего трансформатора и полупроводникового выпрямителя-преобразователя трансформирует ее в энергию постоянного тока.
  2. Ток, протекающий в обмотке возбуждения статора, наводит ЭДС на обмотке возбуждения якоря генератора. Статор возбудителя, как конструкционный элемент может отсутствовать, и тогда его функции выполняют постоянные магниты.
  3. Обмотка ротора, в которой индуцируется ЭДС, называется обмоткой возбуждения якоря, или якорем возбудителя.
  4. Переменное напряжение, возникающее на обмотке якоря возбудителя, выпрямляется в блоке вращающихся диодов, которые так же называются словосочетанием «диодный мост», и превращает силовую обмотку ротора во вращающийся электромагнит, который наводит ЭДС в силовой обмотке статора СГ.
  5. Силовые обмотки и обмотки возбуждения монтируются в пазы якоря и ротора.
  6. Генераторы по типу выходного напряжения делятся на одно-, или трехфазные. Основное распространение в промышленности имеют трехфазные синхронные генераторы, а в быту — однофазные.

В конструкцию статора входит корпус, внутри которого расположен сердечник, или пакет, собираемый из листов электротехнической стали особой формы. На качество электрического тока влияют такие факторы как: цельность листов в пакете (бывают цельными или составными), качество и материал обмотки. Для обмотки применяется медный эмаль-провод, а в дешевых устройствах возможна замена меди на алюминий.

Роторы изготавливаются явнополюсными или неявнополюсными.

  • Явнополюсные роторы предназначены для синхронных генераторов, работающих с двигателями внутреннего сгорания с низкой частотой вращения — 1500 и 3000 об/мин.
  • Неявнополюсные роторы востребованы в высокоскоростных (более 3000 об/мин) механизмах переменного электрического тока высокой мощности. Обычно их размещают на одном валу с паровыми турбинами. Такие СГ называют «турбогенераторы».

Определение скорости вращения

Понятие «синхронный» означает, что число оборотов находится в прямой математической зависимости от частоты тока. Эта зависимость определяется по формуле n = 60*f/p, где:

  • n — скорость вращения, об/мин;
  • f — частота, в бытовой электрической сети она равна 50 Гц;
  • p — количество пар полюсов.

Принцип работы СГ

Принцип действия машины в режиме синхронного генератора:

  1. При пропускании через обмотку возбуждения постоянного тока образуется стабильное во времени магнитное поле с чередующейся полярностью.
  2. При вращении магнитного поля относительно проводников обмотки якоря возбуждаются переменные ЭДС.
  3. Переменные ЭДС суммируются, образуя ЭДС фаз. Трехфазная система образуется тремя одинаковыми обмотками, размещаемыми на якоре под электрическим углом друг к другу, равным 120°.

В случаях, если централизованное электроснабжение имеет недостаточную мощность или отсутствует, как, например, на удаленных стройплощадках, нефтегазодобывающих объектах, морских и воздушных судах, СГ в составе с двигателем внутреннего сгорания функционируют в автономном режиме. При необходимости создания мощных источников питания синхронные двигатели включают на параллельную работу. Такой способ включения позволяет более полно использовать мощность каждой машины и при необходимости выводить отдельные СГ в ремонт без прекращения эффективного электроснабжения потребителей.

Второй режим работы синхронной машины — выполнение функций электродвигателя. Обычно СГ востребован в качестве двигателя в высокомощных установках более 50 кВт. Для работы в режиме электродвигателя обмотку статора подключают к электросети, а обмотку ротора — к источнику постоянного тока. Вращающий момент возникает при взаимодействии вращающегося магнитного поля СГ с постоянным током обмотки возбуждения.

Устройство генератора автомобиля

Здравствуйте любители авторемонта. Сегодня разберем устройство и принцип работы автомобильного генератора.

Из чего состоит генератор автомобиля

1. Статор и ротор, и у обоих имеются обмотка. На роторе с одной стороны находятся токосъемные кольца, на которые подается напряжение, через щетки происходит возбуждение обмотки статора.

2. Графитовые щетки, которые скользят по медным кольцам во время работы генератора. Через них подаваемое напряжение возбуждает обмотку статора во время вращения ротора.

3. Силовые диоды, через них происходит питание всего электрооборудования автомобиля и зарядка АКБ во время работы двигателя.

4. Вспомогательные диоды. В большинстве своем присутствуют в генераторах, но не всегда.

Они находятся вместе с силовыми диодами на одном и том же креплении (своеобразная подкова).

Служат для питания регулятора напряжения генератора, а так же именно с них снимается напряжение регулятором для регулирования необходимого напряжения в бортовой сети автомобиля.

5. Регулятор напряжения, это электронная схема регулирующая степень возбудимости генератора, иными словами при помощи его устанавливается требуемое напряжение на выходе генератора от 14,2 до 14,4 Вольт.

Как работает генератор автомобиля

Работа генератора начинается с его возбуждения, т.е. с того момента, когда он начнет выдавать напряжения на своем силовом выходе «+».

Возбуждение генератора и появление напряжения происходит в момент, когда ротор генератора начинает вращаться и достигает определенных оборотов.

Но перед тем, как генератор выйдет на свои минимальные рабочие обороты он создает достаточно большое сопротивление для двигателя.

Поэтому, на некоторых современных автомобилях подключение генератора происходит только после того, как двигатель автомобиля заведется.

Таким образом получается, когда генератор крутится он выдает переменное напряжение, которое выпрямляется силовыми диодами, которые и питают все электрические и электронные приборы автомобиля, а вот задача электронного регулятора напряжения поддерживать на силовом выходе генератора те самые 14,2 – 14,4 Вольта.

Я надеюсь, что те, кто абсолютно не понимал в устройстве автомобильного генератора и принципе его работы, теперь начнут хоть чуть – чуть в этом разбираться.

Ну а как электронный регулятор напряжения стабилизирует напряжение на выходе генератора можно прочитать в статье «Как работает электронный регулятор напряжения автомобиля», а в статье «Как самому проверить диодный мост генератора» вы научитесь проверять диоды генератора самостоятельно.

C уважением автор блога: Doctor Shmi

Возбуждение генератора 101

Генераторы превращают механическую энергию в электрическую, перемещая электрические проводники в магнитном поле. Возбуждение создает электромагнитное поле, вызывающее это механическое преобразование в электрическое. Рич Деннис из Emerson представил базовую презентацию по управлению возбуждением на собрании группы пользователей Ovation в 2017 году.

Управление возбуждением включает регулирование синхронной машины, возбудитель, синхронную машину для энергосистемы.Регулятор является источником управления, а система возбуждения — источником энергии. Система регулятора включает в себя контроль напряжения, контроль тока, контроль коэффициента мощности, ограничители и защиту, стабилизатор энергосистемы, контроль возбуждения, контроль девозбуждения и управление выключателем возбуждения. Системы возбудителей могут быть вращающимися или статическими. Вращающиеся включают бесщеточные и щеточные типы, а статические включают составные и потенциальные источники.

Генератор имеет первичный двигатель, такой как турбина или дизель-генератор.Система возбуждения создает электромагнитное поле в роторе. Статор имеет якорную обмотку, в которой индуцируется электрическая энергия.

Чем сильнее создается магнитное поле, тем сильнее вырабатывается электрическая энергия. Сила магнитного поля регулируется путем управления током ротора. Трехфазная электрическая энергия создается тремя отдельными проволочными обмотками статора.

Ток для создания электромагнитного поля представляет собой постоянный ток (DC), который может варьироваться от 50 ампер до 9000 ампер и более в зависимости от размера генератора.Современные системы возбуждения являются статическими, в которых постоянный ток создается путем выпрямления переменного тока с помощью трансформаторов тока с насыщением (SCT) и силовых трансформаторов напряжения (PPT). Источник необходим для создания возбуждения, прежде чем оно сможет быть самоподдерживающимся от генератора.

Подсистемы для системы возбуждения включают в себя процессоры и устройства ввода-вывода, которые контролируют напряжение и ток на клеммах генератора, напряжение и ток возбуждения, напряжение и ток возбуждения вращающегося возбудителя, переключатели управления, состояние выключателя и разрешения безопасности.Выходы включают в себя оповещение, аварийные сигналы, счетчики и полный набор данных для распределенной системы управления. Силовая шина необходима для подачи тока возбуждения на каждый конец катушки ротора.

Автоматические выключатели

используются для защиты как стороны переменного, так и постоянного тока генератора. Силовые выпрямители преобразуют мощность переменного тока в мощность постоянного тока. Системы охлаждения поддерживают рабочие температуры, необходимые для надежной работы. Система полевого разряда необходима для отвода энергии от ротора во время торможения механического источника энергии. Оборудование для возбуждения поля используется для создания начального электромагнитного поля до тех пор, пока генератор не создаст достаточное напряжение для самовозбуждения и поддержания преобразования механической энергии в электрическую.

Рич рассказал о решениях Ovation Excitation, обеспечивающих предварительный интерфейс и проектирование оборудования, проектирование, установку и текущие испытания. Контроллер возбуждения Ovation совместим со стандартом IEEE 421 и поддерживает множество пользовательских и модифицированных опций в соответствии с приложением.

Роторное возбуждение — обзор

10.3 АРН от управления возбуждением ротора

Ток возбуждения, необходимый для генератора, обеспечивается системой возбуждения. АРН является жизненно важным компонентом этой системы наряду с возбудителем или источником питания, измерительными элементами, СЭП и блоком защиты.

Источником питания возбуждения может быть возбудитель, представляющий собой отдельный генератор постоянного или переменного тока. Возбудитель имеет обмотку возбуждения (постоянного тока) в статоре и обмотку якоря в роторе. В случае возбудителя переменного тока в обмотке ротора индуцируется трехфазный переменный ток, который выпрямляется с помощью установленного в роторе диодного, тиристорного или транзисторного моста.Однако для бесщеточной системы возбуждения и с пилотным возбудителем его якорь в статоре и поле представляет собой постоянный магнит. Однако основным возбудителем является генератор переменного тока на роторе. Различные варианты и варианты систем возбуждения изображены на рис. 2.40.

Роторные системы возбуждения, как правило, подразделяются на три группы в зависимости от источника питания, используемого для возбуждения (IEEE, 2006):

1.

Системы возбуждения постоянного тока : используют генераторы постоянного тока для питания поля обмотки синхронной машины.

2.

Системы возбуждения переменного тока : Используйте генераторы переменного тока с помощью вращающихся или статических выпрямителей для питания обмотки возбуждения генератора.

3.

Статические системы возбуждения : Используйте трансформаторы и выпрямители для преобразования переменного тока в постоянный для возбуждения обмотки возбуждения генератора.

Также существует другая общая и широкая классификация систем возбуждения, которая классифицируется по источнику питания возбуждения.Два основных класса:

1.

Отдельные системы возбуждения, которые могут быть статическими или бесщеточными. Бесщеточные системы используются для возбуждения более крупных генераторов (выработка электроэнергии ~ 600 МВА), а также в горючих и взрывоопасных средах. Бесщеточные системы состоят из генератора переменного тока, вращающегося диодного моста на роторе и поля на статоре.Когда эта система оснащена пилотным возбудителем, она состоит из другого генератора переменного тока на статоре и реализована с возбуждением от постоянных магнитов на роторе. Попытки построить бесколлекторную систему с тиристорным мостом не увенчались успехом из-за проблем с надежностью управления тиристорами. Следствием этой проблемы является существенный недостаток этих систем, а также невозможность обеспечить девозбуждение генератора. Другим недостатком является более медленная реакция системы, особенно при слабом возбуждении (рис.9.16).

Рис. 9.16. Принципиальная схема бесщеточной системы возбуждения.

2.

S Системы электромагнитного возбуждения : Преимуществами этой системы являются простота и низкая стоимость. Тиристорный или транзисторный мост питается от клемм генератора через трансформатор. Основным недостатком является то, что напряжение питания возбуждения и, следовательно, ток возбуждения напрямую зависят от выходного напряжения генератора. Существуют также бесколлекторные системы самовозбуждения, хотя они мало используются.

Первоначально выходное напряжение генератора регулировалось отдельным небольшим генератором или возбудителем, соединенным с валом генератора. Поле было установлено на статоре с АРН, регулирующим его входной ток. Ротор возбудителя действовал как генератор постоянного тока, а выход возбудителя затем управляется АРН для обеспечения возбуждения поля постоянного тока основного генератора через токосъемные кольца.

Вышеупомянутая система ввела отставание в нарастании магнитных полей как в возбудителе, так и в основном генераторе.Поэтому была разработана идея системы самовозбуждения/шунтового возбуждения. В этой системе отдельный возбудитель был исключен, а источник питания использовался непосредственно от выходной клеммы генератора с соответствующими управляемыми выходными выпрямителями для цепи возбуждения поля постоянного тока. Преимущество этой системы возбуждения заключается в том, что она может мгновенно изменить выходное напряжение, чтобы обеспечить требуемый ток, необходимый для управления основным генерируемым напряжением. Хотя запаздывание в обмотке возбуждения основного генератора все еще сохраняется, что обусловлено его постоянной времени, доступность источника более высокого напряжения для мгновенной подачи требуемого тока возбуждения уменьшает запаздывание.

В системе самовозбуждения/шунтового возбуждения выходное напряжение генератора отсутствует на начальном этапе пуска ТГ. Чтобы исправить эту ситуацию, первоначально система возбуждения была прошита кратковременной подачей постоянного тока от аккумуляторной батареи станции. Эта процедура помогла создать достаточную напряженность поля для генерирования достаточного напряжения на клеммах, которое, в свою очередь, можно было подавать обратно в качестве источника питания для запуска нормальной системы возбуждения. Некоторые проблемы все еще существуют в этой системе; поскольку машина запускается на малых скоростях, система возбуждения должна быть включена с самого начала.Этот тип импульсного возбуждения подходит для осевых турбин, где турбина уже имеет достаточно высокую скорость.

Чтобы избежать всех этих проблем, была необходима альтернативная схема, которая заключалась в обеспечении другого источника питания во время запуска ТГ. Возбуждение при запуске будет продолжаться до тех пор, пока комплект TG не будет готов производить требуемую мощность для питания системы самовозбуждения. В этот момент источник питания возбуждения переключается на систему, подключенную к выходной клемме генератора.Источником питания пускового возбуждения может быть станционный трансформатор или дизель-генератор или газовая турбина, которые предполагается постоянно иметь в наличии.

Доступные сегодня выпрямители представляют собой мостовую схему на тиристорах с цифровой системой управления напряжением. Другими важными и необходимыми аксессуарами являются автоматические выключатели возбуждения, резистор полевого разряда, трансформаторы напряжения, автоматические выключатели входного переменного тока, блок предохранителей и т. д. и немного громоздкий, отсюда и разработка бесщеточной системы возбуждения, которая широко используется для обеспечения постоянного тока для создания магнитного поля ротора для основного генератора.Бесщеточная система возбуждения состоит из основного возбудителя и вспомогательного возбудителя. На рис. 9.16 показан вариант компоновки и расположения различных аксессуаров системы возбуждения синхронного генератора.

Пилотный возбудитель включает стационарную якорную обмотку в виде генератора переменного тока с выпрямителем и постоянного магнитного поля в виде постоянного магнита и монтируется на одном валу ротора с основным генератором ТГ. Основной возбудитель, напротив, включает стационарное постоянное магнитное поле и якорную обмотку в виде генератора переменного тока с выпрямителем на том же валу ротора, что и основной генератор ТГ.

Всякий раз, когда вал ротора ТГ вращается, на клеммах генератора или якоря пилотного возбудителя возникает электродвижущая сила (ЭДС) из-за эффекта вращения магнитного поля постоянного магнита. Полученное таким образом напряжение переменного тока преобразуется в напряжение постоянного тока из постоянного тока с помощью выпрямителей. Затем этот выпрямленный выход постоянного тока подается на стационарную обмотку возбуждения основного возбудителя. Как только этот ток протекает через поле, на вращающихся выводах генератора основного возбудителя возникает ЭДС из-за эффекта относительного движения обмотки магнитного поля и генератора возбудителя. Это переменное напряжение снова преобразуется в постоянное напряжение из постоянного тока с помощью выпрямителей. Этот выпрямленный выход постоянного тока затем подается на обмотку вращающегося поля на валу ротора главного генератора.

В качестве генератора главного возбудителя связанные с ним выпрямители и обмотка возбуждения главного генератора смонтированы на роторе, и соединение между ними не требует каких-либо скользящих контактов в виде токосъемных колец, щеток и т. д. Таким образом, функция реализована бесщеточная система возбуждения. Использование бесщеточного устройства повышает надежность/доступность и эффективность за счет уменьшения потерь.Проблема обслуживания также уменьшается. Другой вид бесщеточной системы возбуждения показан на рис. 2.40.

10.3.2 Использование тиристоров/полупроводников в бесщеточной системе возбуждения

Обычно тиристоры используются в цепи вращающихся выпрямителей основного возбудителя вместо полупроводниковых диодов по следующим причинам:

1.

Более высокий ток грузоподъемность и их пригодность для применения во вращающихся машинах.

2.

Тиристоры менее чувствительны к вибрации, ускорению и экстремальным погодным условиям, а именно температуре.

3.

Выходные токи можно плавно регулировать в широком диапазоне как для нормального режима работы, т. е. для принудительного режима работы, так и для режима девозбуждения, который также известен как встречное возбуждение.

Многие предпочитают силовые транзисторы тиристорам из-за низкого (емкости перехода) эффекта и лучшего переключения.Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) популярны из-за их преимущества на входе MOSFET в сочетании с биполярным преимуществом транзисторов с биполярным переходом (BJT). Использование IGBT в выпрямителях, а также в управлении приводом переменного тока очень популярно. Время переключения IGBT может быть не таким, как у MOSFET, но быстрее, чем у BJT. ABB Unitrol является примером управления возбуждением с помощью IGBT.

10.3.3 Выход контроллера АРН и управление тиристорным затвором в бесщеточной системе возбуждения

Цифровая или микропроцессорная система управления получает измеряемую переменную от ПТ в точке выхода генератора и проверяет значение ошибки, вычитая его до установленного значения по желанию.Выход контроллера представляет собой импульсы одинаковой величины, но время их появления на затворе тиристора, то есть затворы запуска или запуска, варьируются в зависимости от выхода контроллера. Цифровые системы управления силовыми транзисторами выдают импульсы тока для управления входной базовой цепью, но для IGBT это устройство, управляемое напряжением.

10.3.4 Влияние управления реактивной мощностью на ток возбуждения АРН/ротора

Во многих случаях ротор выходит из строя из-за протекающего через него очень высокого тока, необходимого для поддержания напряжения на клеммах генератора.Изоляция ротора, подвергающаяся сильным механическим нагрузкам, при чрезмерном нагреве из-за высокого тока ротора может выйти из строя на более ранней стадии, чем нормальный ожидаемый срок службы. Поскольку работы по ремонту ротора трудоемки и затратны, прилагаются большие усилия для снижения тока ротора до значения меньше предельного, но все же на безопасном и стабильном уровне. Используя подходящий метод и оборудование для управления реактивной реактивной мощностью, можно уменьшить выходной ток генератора с заметным улучшением коэффициента мощности, что, в свою очередь, потребует меньшей ЭДС генератора для поддержания напряжения на выходных клеммах, совместимого с подключением к сети.

Возбудители генераторов переменного и постоянного тока Обзор

Обзор генераторных возбудителей переменного и постоянного тока

Промышленные электродвигатели и генераторы Меню
Поставщики электрогенераторов

Возбудители генераторов переменного и постоянного тока Обзор

Генераторам требуется постоянный ток для возбуждения магнитного поля. Постоянный ток возбуждения получается из отдельного источника, называемого возбудителем.В системах выработки электроэнергии переменного тока используются возбудители вращающегося или статического типа. Существует два типа вращающихся возбудителей: щеточные и бесщеточные. Основное различие между щеточными и бесщеточными возбудителями заключается в методе, используемом для передачи постоянного тока возбуждения в поля генератора. Статическое возбуждение полей генератора осуществляется в нескольких формах, включая импульсное напряжение поля от аккумуляторных батарей и напряжение от системы твердотельных компонентов. Генераторы постоянного тока имеют либо отдельное возбуждение, либо самовозбуждение.

Используемые в настоящее время системы возбуждения включают генераторы постоянного тока с прямым или зубчатым приводом, приводимые в действие валом, генераторы постоянного тока с ременным или отдельным первичным или моторным приводом, а также постоянный ток, подаваемый через статические выпрямители.

Щеточный возбудитель может быть установлен на том же валу, что и якорь генератора переменного тока, или может быть размещен отдельно от генератора, но рядом с ним. Когда он размещен отдельно, возбудитель вращается генератором переменного тока через приводной ремень.

Отличительной особенностью щеточного генератора является то, что для передачи постоянного тока возбуждения на вращающееся поле генератора используются неподвижные щетки.Передача тока осуществляется через вращающиеся контактные кольца (токосъемные кольца), которые соприкасаются со щетками.

Каждое кольцо коллектора представляет собой поковку из закаленной стали, которая крепится на валу возбудителя. На каждом возбудителе используются два токосъемных кольца, каждое кольцо полностью изолировано от вала и друг от друга. Внутреннее кольцо обычно подключается для отрицательной полярности, внешнее кольцо — для положительной полярности.

Возбудитель с вращающимся выпрямителем является одним из примеров бесщеточного возбуждения поля. В возбудителях с вращающимся выпрямителем щетки и токосъемные кольца заменены вращающимся твердотельным выпрямителем в сборе. Якорь возбудителя, узел вращения генератора и узел выпрямителя установлены на общем валу. Узел выпрямителя вращается вместе с валом генератора, а также от каждой обмотки, но изолирован от него.

Статические возбудители не содержат движущихся частей. Часть переменного тока от каждой фазы выхода генератора возвращается к обмоткам возбуждения в качестве возбуждения постоянного тока через систему трансформаторов, выпрямителей и реакторов.Внешний источник постоянного тока необходим для начального возбуждения обмоток возбуждения. В генераторах с приводом от двигателя начальное возбуждение может быть получено от аккумуляторных батарей, используемых для запуска двигателя, или от управляющего напряжения на распределительном устройстве.

Справки: «Объединенные управления армии и флота, Эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт собственных генераторов, 26 августа 1996 г. »

электрогенератор | инструмент | Британика

электрический генератор , также называемый динамо-машиной , любая машина, которая преобразует механическую энергию в электричество для передачи и распределения по линиям электропередач бытовым, коммерческим и промышленным потребителям.Генераторы также производят электроэнергию, необходимую для автомобилей, самолетов, кораблей и поездов.

Механическая мощность для электрического генератора обычно получается от вращающегося вала и равна крутящему моменту вала, умноженному на вращательную или угловую скорость. Механическая энергия может поступать из ряда источников: гидравлические турбины на плотинах или водопадах; Ветряные турбины; паровые турбины, использующие пар, полученный с использованием тепла от сжигания ископаемого топлива или ядерного деления; газовые турбины, сжигающие газ непосредственно в турбине; или бензиновые и дизельные двигатели. Конструкция и скорость генератора могут значительно различаться в зависимости от характеристик механического первичного двигателя.

Британская викторина

Энергия и ископаемое топливо

От ископаемого топлива и солнечной энергии до электрических чудес Томаса Эдисона и Николы Теслы — мир живет за счет энергии.Используйте свои природные ресурсы и проверьте свои знания об энергии в этой викторине.

Почти все генераторы, используемые для питания электрических сетей, генерируют переменный ток, который меняет полярность с фиксированной частотой (обычно 50 или 60 циклов, или двойных перемен в секунду). Поскольку несколько генераторов подключены к электрической сети, они должны работать на одной частоте для одновременной генерации. Поэтому они известны как синхронные генераторы или, в некоторых случаях, генераторы переменного тока.

Генераторы синхронные

Основной причиной выбора переменного тока для силовых сетей является то, что его постоянное изменение во времени позволяет использовать трансформаторы. Эти устройства преобразуют электроэнергию любого напряжения и тока в высокое напряжение и малый ток для передачи на большие расстояния, а затем преобразуют ее в низкое напряжение, подходящее для каждого отдельного потребителя (обычно 120 или 240 вольт для бытовых нужд). Конкретной используемой формой переменного тока является синусоида, форма которой показана на рисунке 1.Это было выбрано потому, что это единственная повторяющаяся форма, для которой две волны, смещенные друг от друга во времени, могут быть добавлены или вычтены, и в результате получится одна и та же форма. В идеале тогда все напряжения и токи имеют синусоидальную форму. Синхронный генератор предназначен для воспроизведения этой формы настолько точно, насколько это практически возможно. Это станет очевидным, когда основные компоненты и характеристики такого генератора будут описаны ниже.

Ротор

Элементарный синхронный генератор показан в разрезе на рисунке 2.Центральный вал ротора соединен с механическим первичным двигателем. Магнитное поле создается проводниками или катушками, намотанными в пазах, прорезанных на поверхности цилиндрического железного ротора. Этот набор катушек, соединенных последовательно, известен как обмотка возбуждения. Положение катушек возбуждения таково, что направленная наружу или радиальная составляющая магнитного поля, создаваемая в воздушном зазоре к статору, примерно синусоидально распределяется по периферии ротора. На рис. 2 плотность поля в воздушном зазоре максимальна снаружи вверху, максимальна внутрь внизу и равна нулю с двух сторон, что приблизительно соответствует синусоидальному распределению.

Элементарный синхронный генератор.

Британская энциклопедия, Inc.

Статор простейшего генератора на рис. 2 состоит из цилиндрического кольца из железа, обеспечивающего свободный путь для магнитного потока. В этом случае статор содержит только одну катушку, две стороны которой размещены в пазах в железе, а концы соединены вместе изогнутыми проводниками по периферии статора. Катушка обычно состоит из нескольких витков.

При вращении ротора в обмотке статора индуцируется напряжение.В любой момент величина напряжения пропорциональна скорости, с которой магнитное поле, окружаемое катушкой, меняется со временем, то есть скорости, с которой магнитное поле проходит две стороны катушки. Следовательно, напряжение будет максимальным в одном направлении, когда ротор повернется на 90° от положения, показанного на рисунке 2, и будет максимальным в противоположном направлении через 180° позже. Форма сигнала напряжения будет приблизительно синусоидальной, показанной на рисунке 1.

Конструкция ротора генератора на рис. 2 имеет два полюса, один для магнитного потока, направленного наружу, и соответствующий, для потока, направленного внутрь.В катушке статора индуцируется одна полная синусоида за каждый оборот ротора. Таким образом, частота электрической мощности, измеряемая в герцах (циклах в секунду), равна скорости вращения ротора в оборотах в секунду. Например, чтобы обеспечить подачу электроэнергии с частотой 60 герц, частота вращения первичного двигателя и ротора должна составлять 60 оборотов в секунду или 3600 оборотов в минуту. Это удобная скорость для многих паровых и газовых турбин. Для очень больших турбин такая скорость может быть избыточной по причинам механического напряжения.В этом случае ротор генератора выполнен с четырьмя полюсами, разнесенными с интервалом 90°. Напряжение, индуцируемое в катушке статора, расположенной под таким же углом в 90°, будет состоять из двух полных синусоид за один оборот. Требуемая скорость ротора для частоты 60 герц составляет тогда 1800 оборотов в минуту. Для более низких скоростей, используемых в большинстве водяных турбин, можно использовать большее количество пар полюсов. Возможные значения частоты вращения ротора в оборотах в минуту равны 120 f / p , где f — частота, а p — число полюсов.

Синхронный генератор в качестве ветрового генератора

Синхронный генератор в качестве ветрового генератора

Как и генератор постоянного тока в предыдущем уроке, работа синхронного генератора также основана на законе электромагнитной индукции Фарадея, работающем в аналогичен генератору переменного тока автомобильного типа.

Отличие на этот раз в том, что синхронный генератор вырабатывает трехфазное напряжение переменного тока на выходе из своих обмоток статора, в отличие от генератора постоянного тока, который вырабатывает один выход постоянного или постоянного тока.Однофазные синхронные генераторы также доступны для систем синхронных генераторов маломощных бытовых ветряных турбин.

По сути, синхронный генератор представляет собой синхронную электромеханическую машину, используемую в качестве генератора, и состоит из магнитного поля на вращающемся роторе и неподвижного статора, содержащего несколько обмоток, которые обеспечивают генерируемую мощность. Система магнитного поля ротора (возбуждение) создается либо с помощью постоянных магнитов, установленных непосредственно на роторе, либо за счет электромагнитного возбуждения от внешнего постоянного тока, протекающего в обмотках возбуждения ротора.

Этот постоянный ток возбуждения передается на ротор синхронной машины через контактные кольца и угольные или графитовые щетки. В отличие от предыдущей конструкции генератора постоянного тока, синхронные генераторы не требуют сложной коммутации, что обеспечивает более простую конструкцию. Затем синхронный генератор работает аналогично автомобильному генератору переменного тока и состоит из двух следующих общих частей:

Основные компоненты синхронного генератора

  • Статор: — Статор несет три отдельных (3-фазных) якоря. обмотки физически и электрически смещены друг от друга на 120 градусов, создавая выходное напряжение переменного тока.
  • Ротор: — Ротор несет магнитное поле либо в виде постоянных магнитов, либо в виде намотанных катушек, подключенных к внешнему источнику питания постоянного тока через токосъемные кольца и угольные щетки.

Говоря о «синхронном генераторе», терминология, используемая для описания частей машины, является обратной терминологии для описания генератора постоянного тока. Обмотки возбуждения — это обмотки, создающие основное магнитное поле, которые являются обмотками ротора для синхронной машины, а обмотки якоря — это обмотки, в которых индуцируется основное напряжение, обычно называемые обмотками статора.Другими словами, для синхронной машины обмотки ротора являются обмотками возбуждения, а обмотки статора — обмотками якоря, как показано на рисунке.

Конструкция синхронного генератора

В приведенном выше примере показана базовая конструкция синхронного генератора с явно выраженным двухполюсным ротором. Эта обмотка ротора подключена к напряжению питания постоянного тока, создающему ток возбуждения I f . Внешнее напряжение возбуждения постоянного тока, которое может достигать 250 вольт постоянного тока, создает электромагнитное поле вокруг катушки со статическими северным и южным полюсами.

Когда вал ротора генератора вращается лопастями турбины (первичный двигатель), полюса ротора также будут двигаться, создавая вращающееся магнитное поле, поскольку северный и южный полюса вращаются с той же угловой скоростью, что и лопасти турбины (при условии прямого водить машину). Когда ротор вращается, его магнитный поток пересекает отдельные катушки статора одну за другой, и по закону Фарадея в каждой катушке статора индуцируется ЭДС и, следовательно, ток.

Величина напряжения, индуцированного в обмотке статора, как показано выше, является функцией напряженности магнитного поля, которая определяется током возбуждения, скоростью вращения ротора и числом витков в обмотке статора.Поскольку синхронная машина имеет три обмотки статора, в обмотках статора создается трехфазное напряжение, соответствующее обмоткам А, В и С, которые электрически разнесены на 120 o друг от друга, как показано выше.

Эта трехфазная обмотка статора подключается непосредственно к нагрузке, и, поскольку эти катушки являются стационарными, им не нужно проходить через большие ненадежные контактные кольца, коллектор или угольные щетки. Кроме того, поскольку катушки, генерирующие основной ток, являются стационарными, упрощается намотка и изоляция обмоток, поскольку они не подвергаются вращательным и центробежным силам, что позволяет генерировать более высокие напряжения.

Синхронный генератор с постоянными магнитами

Как мы видели, синхронные машины с возбуждением возбуждения требуют возбуждения постоянным током в обмотке ротора. Это возбуждение осуществляется за счет использования щеток и контактных колец на валу генератора. Однако есть несколько недостатков, таких как необходимость регулярного обслуживания, очистки от угольной пыли и т. д. Альтернативным подходом является использование бесщеточного возбуждения, в котором вместо электромагнитов используются постоянные магниты.

Как следует из названия, в синхронном генераторе с постоянными магнитами (PMSG) поле возбуждения создается с помощью постоянных магнитов в роторе.Постоянные магниты могут быть установлены на поверхности ротора, встроены в поверхность или установлены внутри ротора. Воздушный зазор между статором и ротором уменьшен для обеспечения максимальной эффективности и сведения к минимуму количества необходимого редкоземельного магнитного материала. Постоянные магниты обычно используются в маломощных и недорогих синхронных генераторах.

Для низкоскоростных ветряных турбин с прямым приводом генератор с постоянными магнитами является более конкурентоспособным, поскольку он может иметь большее число полюсов, составляющее 60 или более полюсов, по сравнению с обычным синхронным генератором с фазным ротором.Кроме того, реализация возбуждения с постоянными магнитами проще, надежнее, но не позволяет контролировать возбуждение или реактивную мощность. Одним из основных недостатков синхронных генераторов ветряных турбин с постоянными магнитами является то, что без контроля потока ротора они достигают максимальной эффективности только при одной заранее определенной скорости ветра.

Синхронная скорость генераторов

Частота выходного напряжения зависит от скорости вращения ротора, другими словами, от его «угловой скорости», а также от количества отдельных магнитных полюсов на роторе. В нашем простом примере выше синхронная машина имеет два полюса, один северный полюс и один южный полюс. Другими словами, машина имеет два отдельных полюса или одну пару полюсов (север-юг), также известную как пары полюсов.

Когда ротор делает один полный оборот, 360 o , генерируется один цикл ЭДС индукции, поэтому частота будет равна одному циклу на каждый полный оборот или 360 o . Если удвоить количество магнитных полюсов до четырех, (две пары полюсов), то на каждый оборот ротора будет генерироваться два цикла ЭДС индукции и так далее.

Поскольку один цикл ЭДС индукции создается с помощью одной пары полюсов, количество циклов ЭДС, возникающих за один оборот ротора, будет, следовательно, равно количеству пар полюсов, P. Таким образом, если количество циклов на число оборотов задается как: P/2 относительно числа полюсов, а количество оборотов ротора N в секунду задается как: N/60, тогда частота ( ƒ ) ЭДС индукции будет определяться как:

In синхронный двигатель, его угловая скорость фиксируется частотой напряжения питания, поэтому N обычно называют синхронной скоростью. Тогда для P-полюсного синхронного генератора скорость вращения первичного двигателя (лопастей турбины) для получения требуемой выходной частоты ЭДС индукции 50 Гц или 60 Гц будет:

При 50 Гц

Количество
отдельных полюсов
2 4 8 12 24 36 9 36 48
ROTARY SPEET
(RPM)
3000 1 500 750 500 250 167 125 125 125

на 60hz

отдельных полюсов

2 4 8 12 24 36 48
Скорость вращения
(RPM)
3,600 1,800 900 600 3 3 200 150 150

Так для данного с синхронный генератор, спроектированный с фиксированным числом полюсов, генератор должен работать с фиксированной синхронной скоростью, чтобы поддерживать постоянную частоту ЭДС индукции на требуемом уровне, 50 Гц или 60 Гц для питания сетевых приборов. Другими словами, частота создаваемой ЭДС синхронизирована с механическим вращением ротора.

Тогда сверху видно, что для генерации 60 Гц с помощью 2-полюсной машины ротор должен вращаться со скоростью 3600 об/мин, или для генерации 50 Гц с помощью 4-полюсной машины ротор должен вращаться со скоростью 1500 об/мин. мин. Для синхронного генератора, который приводится в действие электродвигателем или парогенератором, эта синхронная скорость может быть легко достигнута, однако при использовании в качестве синхронного генератора ветровой турбины это может оказаться невозможным, поскольку скорость и мощность ветра постоянно меняется.

Из нашего предыдущего учебника по проектированию ветряных турбин мы знаем, что все ветряные турбины выигрывают от ротора, работающего с оптимальным передаточным отношением скорости вращения . Но чтобы получить TSR от 6 до 8, угловая скорость лопастей, как правило, очень низкая и составляет от 100 до 500 об/мин, поэтому, глядя на наши таблицы выше, нам потребуется синхронный генератор с большим числом магнитных полюсов, например, 12 или выше.

Кроме того, потребуется какая-либо форма механического ограничителя скорости, такая как бесступенчатая трансмиссия или бесступенчатая трансмиссия, чтобы поддерживать вращение лопастей ротора с постоянной максимальной скоростью для ветряной турбины с прямым приводом.Однако для синхронной машины чем больше у нее полюсов, тем крупнее, тяжелее и дороже становится машина, которая может быть приемлемой или неприемлемой.

Одним из решений является использование синхронной машины с небольшим числом полюсов, которая может вращаться с более высокой скоростью от 1500 до 3600 об/мин, приводимой в движение через редуктор. Низкая скорость вращения лопастей ротора ветряных турбин увеличивается с помощью редуктора, который позволяет скорости генератора оставаться более постоянной при изменении скорости вращения лопастей турбины, поскольку изменение на 10% при 1500 об/мин менее проблематично, чем изменение на 10% при 100 об/мин.Этот редуктор может согласовать скорость генератора с переменной скоростью вращения лопастей, что позволяет работать с переменной скоростью в более широком диапазоне.

Однако использование редуктора или системы шкивов требует регулярного технического обслуживания, увеличивает вес ветряной турбины, создает шум, увеличивает потери мощности и снижает эффективность системы, поскольку требуется дополнительная энергия для привода шестерен редуктора и внутренних компонентов.

Существует много преимуществ использования системы прямого привода без механической коробки передач, но отсутствие коробки передач означает более крупную синхронную машину с увеличением как размера, так и стоимости генератора, который должен работать на низких скоростях.Итак, как мы можем управлять синхронным генератором в системе низкоскоростных ветряных турбин, скорость вращения лопастей ротора которых определяется только мощностью ветра. Путем выпрямления сгенерированного 3-фазного питания в источник постоянного или постоянного тока.

Синхронные генераторные выпрямители

Диодные выпрямители представляют собой электронные устройства, используемые для преобразования переменного тока (переменного тока) в постоянный (постоянный ток). Преобразовывая выходную мощность синхронного генератора в источник постоянного тока, генератор ветровой турбины может работать на других скоростях и частотах, отличных от его фиксированной синхронной скорости.

Это позволяет преобразовывать переменную частоту и переменное выходное напряжение генератора в постоянное напряжение переменного уровня. Преобразовывая выход переменного тока в постоянный, генератор теперь можно использовать как часть ветряной системы для зарядки аккумуляторов или как часть ветроэнергетической системы с переменной скоростью. Затем синхронный генератор переменного тока преобразуется в генератор постоянного тока.

Схема простейшего выпрямителя использует схему диодного моста для преобразования переменного тока, генерируемого генератором, в флуктуирующий источник постоянного тока, амплитуда которого определяется скоростью вращения генератора.В этой схеме выпрямителя синхронного генератора, показанной ниже, 3-фазный выход генератора выпрямляется до постоянного тока с помощью 3-фазного выпрямителя.

Цепь генераторного выпрямителя

Принципиальная схема мостового трехфазного выпрямителя переменного тока в постоянный показана выше. В этой конфигурации ветряная турбина может управлять генератором на частоте, не зависящей от синхронной частоты, поскольку изменение скорости генератора изменяет частоту генератора. Следовательно, можно изменять скорость генератора в более широком диапазоне и работать с оптимальной скоростью для получения максимальной мощности в зависимости от фактической скорости ветра.

Обратите внимание, что выходное напряжение трехфазного мостового выпрямителя не является чистым постоянным током. Выходное напряжение имеет уровень постоянного тока вместе с большими колебаниями переменного тока. Эта форма сигнала обычно известна как «пульсирующий постоянный ток», который можно использовать для зарядки аккумуляторов, но нельзя использовать в качестве удовлетворительного источника постоянного тока. Чтобы удалить эти пульсации переменного тока, используется фильтр или схема сглаживания. Эти схемы сглаживания или схемы фильтра пульсаций используют комбинации катушек индуктивности и конденсаторов для получения плавного постоянного напряжения и тока.

При использовании в качестве части системы, подключенной к сети, синхронные машины могут быть подключены к сети только тогда, когда их частота, фазовый угол и выходное напряжение такие же, как у сети, другими словами, они вращаются синхронно. скорость, как мы видели выше. Но, преобразовывая их переменное выходное напряжение и частоту в постоянный источник постоянного тока, мы теперь можем преобразовать это постоянное напряжение в источник переменного тока с правильной частотой и амплитудой, соответствующей сети электросети, используя либо однофазную, либо трехфазную сеть. фазоинвертор.

Инвертор — это устройство, которое преобразует электричество постоянного тока (DC) в электричество переменного тока (AC), которое может подаваться непосредственно в электрическую сеть, поскольку подключенные к сети инверторы работают синхронно с коммунальной сетью и производят идентичную электроэнергию. к мощности коммунальной сети. Подключенные к сети синусоидальные инверторы для ветровых установок выбираются с диапазоном входного напряжения, соответствующим выпрямленному выходному напряжению турбины.

Преимущество непрямого подключения к сети заключается в том, что ветряная турбина может работать с переменной скоростью.Еще одним преимуществом выпрямления выходного сигнала генератора является то, что ветряные турбины с синхронными генераторами, которые используют электромагниты в своей конструкции ротора, могут использовать этот постоянный ток для питания обмоток катушек вокруг электромагнитов в роторе. Однако недостатком непрямого подключения к сети является стоимость, поскольку системе требуется инвертор и два выпрямителя, один для управления током статора, а другой для генерирования выходного тока, как показано ниже.

Схема синхронного генератора

Краткий обзор учебного пособия

Синхронный генератор с фазным ротором уже используется в качестве генератора ветровой турбины, но одним из основных недостатков синхронного генератора может быть его сложность и стоимость. Безредукторные генераторы с прямым приводом представляют собой очень медленно вращающиеся синхронные генераторы с большим количеством полюсов для достижения их синхронной скорости. Генераторы с меньшим количеством полюсов имеют более высокие скорости вращения, поэтому требуют коробки передач или трансмиссии, что увеличивает стоимость.

Синхронные генераторы производят электричество, основная выходная частота которого синхронизирована со скоростью вращения ротора. Сетевым генераторам требуется постоянная фиксированная скорость для синхронизации с частотой сети общего пользования, и необходимо возбуждать обмотку ротора от внешнего источника постоянного тока с помощью токосъемных колец и щеток.

Основным недостатком одной операции с фиксированной скоростью является то, что она почти никогда не улавливает энергию ветра с максимальной эффективностью. Энергия ветра теряется, когда скорость ветра выше или ниже определенного значения, выбранного в качестве синхронной скорости.

Ветряные турбины с регулируемой скоростью используют выпрямители и инверторы для преобразования переменного напряжения, выходной переменной частоты синхронного генератора в фиксированное напряжение, фиксированную выходную частоту 50 Гц или 60 Гц, требуемую энергосистемой. Это позволяет использовать синхронные генераторы с постоянными магнитами, снижая стоимость. Для низкоскоростных генераторов ветряных турбин с прямым приводом генератор с постоянными магнитами более конкурентоспособен, поскольку он может иметь большее число полюсов, составляющее 60 или более полюсов, по сравнению с обычным синхронным генератором с фазным ротором.

В следующем уроке о ветроэнергетике и генераторах ветряных турбин мы рассмотрим работу и конструкцию другого типа электрической машины, называемой индукционным генератором, также известной как «асинхронный генератор».Асинхронные генераторы также могут использоваться для выработки трехфазной электроэнергии переменного тока, подключенной к сети.

Чтобы узнать больше о «синхронных генераторах» или получить дополнительную информацию об энергии ветра о различных доступных системах генерации ветряных турбин, или изучить преимущества и недостатки использования синхронных генераторов как части системы ветряных турбин, подключенной к сети, щелкните здесь, чтобы Получите копию одной из лучших книг о синхронных генераторах и двигателях прямо сегодня на Amazon.

4.3 Система возбуждения генератора

Общий

Курс разработан для повышения уровня знаний персонала, эксплуатирующего и обслуживающего энергоблоки.

Цели курса  

Позвольте участникам понять и объяснить теорию и функциональность системы возбуждения генератора с синхронизацией, контролем напряжения и нагрузки. Кроме того, будут объяснены аспекты безопасности при работе с электрическими системами.

Учебный план
  • Конструкция и функциональность генератора. Статор, ротор, регулятор и возбудитель.
  • Обзор фундаментального электричества и магнетизма.
  • Основы управления:
    • П-, ПИ- и ПИД-регуляторы.
  • Система возбуждения генератора:
    • Конструкция и функциональность
    • Основные компоненты
    • Схема
    • Автоматическая регулировка напряжения
    • Интерфейсы
    • Функции и режимы управления
    • Вращающийся выпрямитель
    • Диагностика
  • Производство электроэнергии и контроль напряжения:
    • Контроль активной и реактивной мощности (МВт, МВАр)
    • Диаграмма возможностей генератора
    • Оборудование для синхронизации
    • Ручная и автоматическая синхронизация
    • Распределение нагрузки блока
  • Опасности и меры предосторожности, связанные с работой с электрическими системами:
    • Поражение электрическим током и вспышка дуги
    • Средства индивидуальной защиты (СИЗ)
    • Барьеры безопасности оборудования
    • Планирование работы
    • Выявление опасностей и их снижение
    • Оценка рисков
    • Инструменты и оборудование для обеспечения безопасности

Система возбуждения генератора


Целевая группа
Весь обслуживающий электротехнический персонал и операторы.

 

Методы обучения
Курс состоит из лекций, упражнений и посещений объектов.

 

Продолжительность курса
3 дня.

Системы и методы управления возбуждением генератора

Системы возбуждения

Каркасы возбуждения можно охарактеризовать как каркасы, подающие ток возбуждения на скручивание ротора генератора. Всесторонне продуманные схемы возбуждения обеспечивают неизменное качество работы, безопасность и быструю переходную реакцию.

К четырем основным методам возбуждения относятся:

  • Шунтирующий метод или система возбуждения с самовозбуждением
  • Система повышения возбуждения (EBS)
  • Генератор с постоянными магнитами (PMG)
  • Вспомогательная обмотка (AUX).

У каждой техники есть свои фокусные точки. Во всех методах используется автоматический регулятор напряжения (AVR) для подачи постоянного тока на статор возбудителя. Выходная мощность переменного тока ротора возбудителя компенсируется вкладом постоянного тока для основного ротора генератора.Дальнейшие разработки фреймворков используют дополнительный вклад в AVR.

В этой статье исследуется разработка, возможности и применение каждой техники, а также схемы и схемы для каждой из них.

Автоматический регулятор напряжения (АРН)

 

Разработка AVR отличается от используемого возбуждения. Все получают вклады от статора генератора , когда он вращается. AVR, способные мгновенно уменьшать или стирать внутреннюю музыку, вызванную входными сигналами стека, используются для приложений с непрямой загрузкой.Обычно используются два вида:

Силиконовый управляемый выпрямитель (SCR) — измеряет уровень мощности статора и определяет его оконечную нагрузку для напряжения возбудителя. Может вызывать неудобства при использовании с непрямыми грузами.

Полевой транзистор (FET) — измеряет уровень мощности от статора и переводит его во флаг широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для возбудителя. Этот стиль AVR, также называемый миганием поля, может использоваться для стратегий возбуждения.Непрямолинейные нагрузки не вызывают входных данных о сбоях возбуждения.

Шунт или система возбуждения с автономным питанием

Стратегия шунтирования представляет собой простой и практичный план подачи питания на АРН. Этот метод не требует дополнительных сегментов или проводки. В тот момент, когда возникают проблемы, расследование перестраивается с меньшим количеством сегментов и проводки для утверждения.

Когда генератор поворачивается, статор подает входное напряжение на АРН.Более того, в АРН есть датчики, контролирующие выход статора.

АРН действует как стабилизатор энергосистемы. Он подает питание на возбудитель, который преобразуется в постоянный ток. Затем ток подается на статор для выхода стека.

Самым большим недостатком этой статической системы возбуждения является то, что АРН зависит от кучи, питаемой генератором. В момент, когда куча строится, напряжение начинает уменьшаться, и АРН должен дать больше энергии возбудителю, чтобы помочь запросу.

Это толкает AVR как можно дальше. Если АРН проталкивается, он сдерживает пробой поля возбуждения. Выходное напряжение уменьшается до небольшой суммы.

В случае короткого замыкания в питании АРН генератор не будет иметь источника возбуждения. Это приводит к потере выходной мощности генератора.

Генераторы

с шунтирующим или автономным питанием могут использоваться при прямой нагрузке (постоянная нагрузка). Генераторы с этим методом возбуждения не рекомендуются для приложений с непрямолинейными нагрузками (разной нагрузкой).Звуки, связанные с непрямолинейными нагрузками, могут вызывать нарушения поля возбуждения.

Система усиления возбуждения (EBS)

Платформа EBS содержит аналогичные основные части, обеспечивающие вклад и получение доходов от AVR. Дополнительные сегменты в этой структуре:

  • Модуль управления форсированием возбуждения (EBC)
  • Генератор форсирования возбуждения (EBG).

EBG установлен на определенном конце генератора.Внешний вид такой же, как у неизменного магнита. EBG подает питание на контроллер, когда вал генератора вращается.

Модуль управления EBC подключен параллельно регулятору напряжения (АРН) и возбудителю. EBC получает движение от AVR. В момент, когда это необходимо, контроллер подает на возбудитель изменяющиеся уровни тока возбуждения на уровнях, которые зависят от потребностей каркаса.

Дополнительная мощность, поддерживаемая системой возбуждения, отвечает требованиям стека.Это позволяет генератору запуститься и компенсировать напряжение возбуждения.

Эта схема возбуждения не предназначена для приложений с длительным питанием. Он предлагается для применения в условиях кризиса или снижения мощности. В момент запуска генератора каркас EBS отделяется до момента, когда достигается рабочая скорость. EBG все еще вырабатывает энергию, но контроллер не управляет ею.

Каркас учитывает динамическую реакцию, является более доступным и отвечает требованиям для обеспечения 300% тока короткого замыкания. Непрямые нагрузки, например запуск двигателя, усиливаются по сравнению со стратегией шунтирования или самовозбуждения.

Генератор на постоянных магнитах (PMG)

Синхронные генераторы, оснащенные неизменяемыми постоянными магнитами, являются одними из наиболее понятных стратегий с независимым питанием. На определенном конце вала генератора установлен вечный магнит.

Современные системы возбуждения, такие как PMG, подают на АРН раздельную мощность при вращении вала генератора.АРН обеспечивает питание, используя дополнительную мощность при обеспечении непрямых нагрузок, например, запуск двигателей.

При вращении вала генератора создается безупречный, незацепленный, непрерывный трехступенчатый сигнал.

Некоторые из наиболее заметных преимуществ использования генераторов, оснащенных технологией возбуждения PMG:

  • Поле возбуждения не комкается с учетом управляемой отсечки очистить.
  • Изменение нагрузки не влияет на поле возбуждения.
  • Напряжение производится при вводном запуске и не зависит от выдающихся результатов в полевых условиях.
  • При пуске двигателя поле возбуждения не падает ввиду отсутствия питания АРН.

Система PMG увеличивает вес и размер генераторной части. Это наиболее часто используемый метод возбуждения для приложений, использующих двигатели, которые запускаются и останавливаются, и другие непрямолинейные нагрузки.

Вспомогательная обмотка (AUX)

Стратегия намотки помощника используется уже довольно давно.Использования идут от морского до промышленного применения и более функциональны в более крупных учреждениях.

Эта стратегия имеет другое поле возбуждения, но не использует сегмент, связанный с определенным концом полюса генератора. В этих методах используется вращение вала и вечный магнит или генератор для дополнительного возбуждения.

В статор введена дополнительная одноступенчатая обмотка. По мере вращения вала генератора основные обмотки статора подают напряжение на АРН, как и во всех ранее упомянутых методах.

Дополнительные одноступенчатые обмотки подают напряжение на АРН. Это делает необходимым дополнительное напряжение возбуждения при работе с непрямолинейными нагрузками.

Для приложений с прямой нагрузкой могут использоваться стратегии шунтирования, EBS, PMG и AUX. Возбуждение шунта является самой разумной стратегией.

Для приложений с непрямой нагрузкой можно использовать стратегии возбуждения EBS, PMG и AUX. Возбуждение PMG является наиболее известным и широко используемым.

Часто задаваемые вопросы о возбуждении в генераторе :

Что такое возбудитель?

Возбудитель помогает создавать магнитное поле, подавая электрический ток, который может быть в форме батареи или генератора.

Зачем генераторам возбуждение?

Механическая энергия превращается в электрическую путем перемещения электрических проводников в магнитном поле с помощью генераторов. Возбуждение создает это электромагнитное поле, которое инициирует преобразование.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

2019 © Все права защищены. Карта сайта