Меню

Как получить ток в обмотке генератора



Возбуждение синхронных генераторов

Обмотки роторов синхронных генераторов получают питание от специальных источников постоянного тока, называемых возбудителями.

Мощность возбудителей составляет 0,3-1% мощности генератора, а номинальное напряжение — от 100 до 650 В. Чем мощнее генератор, тем обычно больше номинальное напряжение возбуждения.

Современные схемы возбуждения кроме возбудителя содержат большое количество вспомогательного оборудования. Совокупность возбудителя, вспомогательных и регулирующих устройств принято называть системой возбуждения.

Электрическое соединение возбудителя с обмоткой ротора генератора выполняется преимущественно при помощи контактных колец и щеток. Созданы и применяются бесщеточные системы возбуждения.

Системы возбуждения должны быть надежными и экономичными, допускать регулирование тока возбуждения в необходимых пределах, быть достаточно быстродействующими, а также обеспечивать потолочное возбуждение при возникновении аварии в сети.

Регулируя ток возбуждения, изменяют напряжение синхронного генератора и отдаваемую им в сеть реактивную мощность. Регулирование возбуждения генератора позволяет повысить устойчивость параллельной работы.

При глубоких снижениях напряжения, которые имеют место, например, при коротких замыканиях, применяется форсировка (быстрое увеличение) возбуждения генераторов, что способствует прекращению электрических качаний и сохранению устойчивости параллельной работы генераторов. Кроме того, быстродействующее регулирование и форсировка возбуждения повышают надежность работы релейной защиты и облегчают условия самозапуска электродвигателей собственных нужд электростанций.

Изменение напряжения возбуждения при форсировке

Рис.1. Изменение напряжения возбуждения при форсировке

Важнейшими характеристиками систем возбуждения являются: быстродействие, определяемое скоростью нарастания напряжения на обмотке ротора при форсировке V = 0,632(Uf,пот — Uf,ном) / Uf,номt1 (рис.1), и отношение потолочного напряжения к номинальному напряжению возбуждения Uf,пот / Uf,ном = kф — так называемая кратность форсировки.

Согласно ГОСТ турбогенераторы должны иметь kф≥2, а скорость нарастания возбуждения не менее 2 1/с. Кратность форсировки для гидрогенераторов должна быть не менее 1,8 для коллекторных возбудителей, соединенных с валом генератора, и не менее 2 для других систем возбуждения. Скорость нарастания напряжения возбуждения должна быть не менее 1,3 1/с для гидрогенераторов до 4 MBА включительно и не менее 1,5 1/с для гидрогенераторов больших мощностей.

Для мощных гидрогенераторов, работающих на дальние электропередачи, к системам возбуждения предъявляется более высокое требование (kф=3-4, скорость нарастания возбуждения до 10Uf,ном в секунду).

Обмотка ротора и системы возбуждения генераторов с косвенным охлаждением должны выдерживать двукратный по отношению к номинальному ток в течение 50 с. Для генераторов с непосредственным охлаждением обмоток ротора это время сокращается до 20 с, для генераторов 800-1000 МВт принято время 15 с, 1200 МВт — 10 с (ГОСТ533-85Е).

Системы возбуждения генераторов можно разделить на две группы: независимое возбуждение и самовозбуждение (зависимое возбуждение).

К первой группе относятся все электромашинные возбудители постоянного и переменного тока, сопряженные с валом генератора. Вторую группу составляют системы возбуждения, получающие питание непосредственно от выводов генератора через специальные понижающие трансформаторы. К этой группе могут быть отнесены системы возбуждения с отдельно установленными электромашинными возбудителями, приводимыми во вращение электродвигателями переменного тока, которые получают питание от шин собственных нужд электростанций.

Независимое возбуждение генераторов

Независимое возбуждение генераторов получило наибольшее распространение. Основное достоинство этого способа состоит в том, что возбуждение синхронного генератора не зависит от режима электрической сети и поэтому является наиболее надежным.

На генераторах мощностью до 100 МВт включительно применяют, как правило, в качестве возбудителя генератор постоянного тока, соединенный с валом синхронного генератора (рис.2).

Принципиальная схема независимого электромашинного возбуждения генератора

Рис.2. Принципиальная схема независимого электромашинного возбуждения генератора

Возбуждение самого возбудителя выполнено по схеме самовозбуждения (обмотка возбуждения возбудителя LGE питается от якоря самого возбудителя). Регулирование возбуждения возбудителя осуществляется вручную шунтовым реостатом RR, установленным в цепи LGE, или автоматически регулятором возбуждения АРВ.

Недостатки системы возбуждения с генератором постоянного тока определяются в основном недостатками самого возбудителя. Одним из недостатков является сравнительно невысокая скорость нарастания возбуждения, особенно у возбудителей гидрогенераторов, которые имеют низкую частоту вращения (V=1-2 1/с).

Другой недостаток рассматриваемой системы возбуждения характерен для турбогенераторов, имеющих большую частоту вращения. Он обусловлен снижением надежности работы генератора постоянного тока из-за вибрации и тяжелых условий работы щеток и коллектора (условий коммутации).

Для турбогенераторов мощностью выше 165 МВт мощность возбуждения становится настолько значительной, что выполнить надежно работающий генератор постоянного тока на частоту вращения 3000 об/мин по условиям коммутации становится затруднительным.

Для снижения частоты вращения возбудителя с целью повышения надежности его работы иногда выполняют соединение возбудителя с валом генератора через редуктор. Такая система была применена для ряда турбогенераторов, в том числе и для генераторов ТГВ-300 и ТВМ-300. Недостатком этой системы возбуждения является наличие дополнительной механической передачи.

Для возбуждения крупных генераторов в СССР применяются системы возбуждения с полупроводниковыми выпрямителями.

В системе возбуждения с использованием полупроводниковых выпрямителей с валом турбогенератора сочленен вспомогательный генератор, напряжение которого выпрямляется и подводится к обмотке ротора турбогенератора (рис.3).

Принципиальная схема высокочастотного возбуждения турбогенератора

Рис.3. Принципиальная схема высокочастотного возбуждения турбогенератора

В качестве вспомогательного генератора применяется высокочастотный генератор индукторного типа. Такой генератор не имеет обмотки на вращающемся роторе, что повышает его надежность в эксплуатации. Повышенная частота (500 Гц) позволяет уменьшить габариты и повысить быстродействие системы возбуждения.

Индукторный высокочастотный генератор-возбудитель ВГТ имеет три обмотки возбуждения, расположенные вместе с трехфазной обмоткой переменного тока на неподвижном статоре. Первая из них LGE1 включается последовательно с обмоткой ротора основного генератора LG и обеспечивает основное возбуждение ВГТ. Благодаря включению LGE1 последовательно с обмоткой ротора основного генератора обеспечивается резкое увеличение возбуждения ВГТ при коротких замыканиях в энергосистеме вследствие броска тока в роторе. Обмотки IGE2 и LGЕЗ получают питание от высокочастотного подвозбудителя GEA через выпрямители. Подвозбудитель (высокочастотная машина 400 Гц с постоянными магнитами), как и вспомогательный генератор ВГТ, соединен с валом турбогенератора.

Регулирование тока в LGE2 и LGE3 осуществляется с помощью двух устройств — соответственно регуляторов электромагнитного типа АРВ (автоматический регулятор возбуждения) и УБФ (устройство бесконтактной форсировки возбуждения).

Устройство АРВ обеспечивает поддержание напряжения генератора в нормальном режиме работы изменением тока в обмотке LGE2. Устройство УБФ обеспечивает начальное возбуждение генератора и его форсировку при снижении напряжений более чем на 5%.

Высокочастотная система возбуждения обеспечивает kф=2 и скорость нарастания напряжения возбуждения не менее 2 1/с.

Принципиальная схема независимого тиристорного возбуждения генераторов

Рис.4. Принципиальная схема независимого тиристорного возбуждения генераторов

Принципиальная схема системы независимого тиристорного возбуждения (ТН) представлена на рис.4. На одном валу с генератором G располагается синхронный вспомогательный генератор GE, который имеет на статоре трехфазную обмотку с отпайками. В схеме, показанной на рис.4, имеются две группы тиристоров: рабочая VS1 и форсировочная VS2. На стороне переменного тока они включены на разное напряжение, на стороне постоянного тока — параллельно. Возбуждение генератора в нормальном режиме обеспечивает рабочая группа тиристоров VS1, которые открываются подачей на управляющий электрод соответствующего потенциала.

Форсировочная группа при этом почти закрыта. В режиме форсировки возбуждения тиристоры FS2, питающиеся от полного напряжения вспомогательного генератора, открываются полностью и дают весь ток форсировки. Рабочая группа при этом запирается более высоким напряжением форсировочной группы.

Рассмотренная система имеет наибольшее быстродействие по сравнению с другими системами и позволяет получить kф>2. Системы независимого тиристорного возбуждения нашли широкое применение. Ранее, до освоения отечественной промышленностью производства тиристоров достаточной мощности, по аналогичным схемам выполнялись схемы ионного независимого возбуждения (ИН), где применялись ртутные вентили с сеточным управлением.

Все генераторы с рассмотренными выше возбудителями имеют специальную конструкцию для подвода тока к обмотке ротора. Она представляет собой контактные кольца на валу ротора, к которым ток подводится с помощью щеток. Такая контактная система недостаточно надежна. Этот недостаток особенно проявляется при токах возбуждения 3000 А и более (генераторы мощностью 300 МВт и больше).

Перспективной, особенно для турбогенераторов большой мощности, является система бесщеточного возбуждения, не обладающая указанными недостатками. В этой системе возбуждения, сущность которой поясняет рис.5, нет подвижных контактных соединений.

Принципиальная схема бесщеточного возбуждения генераторов

Рис.5. Принципиальная схема бесщеточного возбуждения генераторов

Источником энергии для питания обмотки ротора LG является вспомогательный синхронный генератор GE. Этот генератор выполнен по типу обратимых машин, т.е. обмотка переменного тока расположена на вращающейся части, а обмотка возбуждения неподвижна. Возбуждение генератора GE осуществляется от возбудителя GEA.

Ток от вращающейся обмотки переменного тока вспомогательного генератора подводится через проводники, закрепленные на валу, к вращающемуся полупроводниковому (обычно кремниевому) выпрямителю. Выпрямленный ток подводится непосредственно к обмотке возбуждения основного генератора.

Регулирование тока возбуждения в обмотке ротора LG производится изменением тока в обмотке возбуждения вспомогательного генератора LGE.

Вращающийся полупроводниковый преобразователь VD снаружи закрывается звукопоглощающим кожухом.

Система бесщеточного возбуждения интенсивно совершенствуется и является перспективной для генераторов всех типов, особенно для турбогенераторов большой мощности (300-1200 МВт).

Системы самовозбуждения

Системы самовозбуждения менее надежны, чем системы независимого возбуждения, поскольку в них работа возбудителя зависит от режима сети переменного тока. Короткие замыкания в сети, сопровождающиеся понижением напряжения, нарушают нормальную работу системы возбуждения, которая именно в этих случаях должна обеспечить форсировку тока в обмотке ротора генератора.

Принципиальная схема зависимого электромашинного возбуждения

Рис.6. Принципиальная схема зависимого электромашинного возбуждения

Принципиальная схема возбуждения синхронного генератора с электромашинным возбудительным агрегатом показана на рис.6. Возбудительный агрегат состоит из асинхронного двигателя М, питающегося от шин собственных нужд электростанции и генератора постоянного тока GE. Для повышения надежности работы возбудительного агрегата при форсировке возбуждения асинхронный двигатель, вращающий возбудитель GE, выбирается с необходимой перегрузочной способностью.

Читайте также:  Как избавиться от блуждающего тока

Такие возбудительные агрегаты получили широкое распространение на электростанциях в качестве резервных источников возбуждения.

Принципиальная схема полупроводникового самовозбуждения

Рис.7. Принципиальная схема полупроводникового самовозбуждения

Один из возможных вариантов схем самовозбуждения с полупроводниковыми преобразователями представлен на рис.7.

Основными элементами схемы являются: две группы полупроводниковых преобразователей — неуправляемые вентили VD и управляемые VS, трансформатор силового компаундирования ТА и выпрямительный трансформатор ТЕ.

Неуправляемые вентили VD получают питание от трансформаторов ТА, вторичный ток которых пропорционален току статора генератора, управляемые вентили VS получают питание от трансформатора ТЕ, вторичное напряжение которого пропорционально напряжению генератора.

Вентили VD, ток которых пропорционален току статора генератора, обеспечивают возбуждение машины при нагрузке и форсировку возбуждения при коротких замыканиях. Мощность вентилей VS рассчитывают таким образом, чтобы она была достаточна для возбуждения генераторов на холостом ходу и для регулирования возбуждения в нормальном режиме. В номинальном режиме неуправляемые вентили обеспечивают 70-80% тока возбуждения генератора. При надлежащем выборе параметров система полупроводникового самовозбуждения по своим свойствам приближается к системе независимого тиристорного (ионного) возбуждения и поэтому применяется на мощных синхронных машинах. Ранее промышленность широко выпускала системы ионного самовозбуждения с ртутными вентилями.

Источник

forum.injectorservice.com.ua

Диагностика автомобилей с помощью USB Autoscope

  • Темы без ответов
  • Активные темы
  • Поиск

АВТОЛИКБЕЗ. Ещё раз о возбуждении генератора

АВТОЛИКБЕЗ. Ещё раз о возбуждении генератора

Сообщение Саша-Ирпень » 02 фев 2014, 10:15

После запуска мотора исправный генератор должен начать выдавать напряжение, другими словами — возбудиться.
Попробую, в меру своих слабых знаний рассказать, как было реализовано возбуждение начиная от «Копейки», (ВАЗ 2101) и до
сегодняшней «Калины». (Прошу не судить строго за возможные неточности. Конструктивная критика приветствуется). Материал буду
выкладывать частями, т. к. не располагаю большим количеством
свободного времени.

ВАЗ 2101:
На приведенной электросхеме можно проследить путь движения тока. (показано красными стрелками).
Ток идет по пути: «+» АКБ», болт «30» генератора, Клеммы «30/1 » и «15» замка зажигания, предохранитель 10, выводы «15» и «67» реле
регулятора, вывод «67» геенратора, обмотка возбуждения, (ротора) генератора, масса блока и «-» АКБ.

ДОСТОИНСТВА:
К достоинствам этой схемы можно отнести её простоту и понятность. Также, её удобно диагностировать, измеряя напряжения и ток в
разных точках.

НЕДОСТАТКИ:
(Вот недостатков довольно таки много).
При включенном зажигании весь ток возбуждения, (ок. 2,2 а), протекает через ротор.
Поэтому:
при холодном пуске, возникает дополнительное торможение проворачиванию двигателя, поскольку обмотка возбуждения
«забирает» дополнительный ток от АКБ, которого и так » в обрез» при зимнем пуске.
При включенном «по забывчивости» зажигании происходит разряд АКБ, которая за сутки разрядится «в ноль».
Даже после запуска мотора, ток продолжает течь через замок, (хотя внутри генератора, совсем рядом, также, имеется напряжение).
Этот ток дает дополнительную нагрузку на контактную группу замка зажигания, которой и так не очень легко.
Из-за длинной цепи возбуждения, на ней происходит заметное падение напряжения, что снижает точность регулирования напряжения
бортсети регулятором напряжения. (Хотя совсем рядом, внутри генератора имеется напряжение, которое можно было бы. ).
Частые окисления предохранителя №10 вызывают сбои в работе
генератора.
.
Часть этих недостатков была устранена на ВАЗ 2105 с генератором Г222 и регулятором напряжения Я112В.

Re: Ещё раз о возбуждении генератора.

Сообщение Саша-Ирпень » 03 фев 2014, 05:11

Часть этих недостатков была устранена на ВАЗ 2105 с генератором Г222 и регулятором напряжения Я112В.
В этом генераторе ток возбуждения разделен на силовой и управляющий. Силовой ток идет от силового болта «30»
установленного на задней крышке генератора. Для этого на регуляторе напряжения имеется специальный провод, подключаемый к
этому болту. По этому проводу и течет силовой ток. А вот, управление этим током, (т. е. его включение), производится замком
зажигания. Тогда ток течет по цепи, которая подобна протеканию тока на Г221.

Впервые столкнувшись с этим генератором я провел несколько измерений. Оказалось, что его ток управления, (шина «15», от
предохранителя №9) составляет ок. 15 ма, (0,015а) и появляется только при включенном зажигании. А вот силовой ток = 3 а и,
также, появляется только после появления питания на управляющем выводе. Управляющий ток открывает выходные транзисторы включенные
по схеме Дарлингтона и через ротор начинает протекать ток.

(Генератор Г222 уже мощнее, чем его предшественник. Поэтому и ток ротора на нем = 3 а, а ток отдачи этого генератора будет 50а. В
отличие от Г221 ток ротора которого будет 2,2 а, а ток отдачи 42 ампера).

Примерно в это же время появился генератор 29.37.01. Это был самый мощный генератор легкового автомобиля того времени. Он
выдавал ток 60а. Устанавливался он на М2140, Иж-комби и Иж-2715. Даже на «Мечту многих» того времени — Газ 24, тогда устанавливался 40-а
амперный генератор. Правда, уже на Газ 24-10 установили генератор 16.37.01, который выдавал 65 ампер.

Так вот, 29.37.01 хотя и имел регулятор напряжения Я112А, установленный на корпусе генератора, но был запитан по более
«древней» схеме, чем его ВАЗовский родственник. Обмотка возбуждения на нем питается только от замка зажигания, от шины «15».

ДОСТОИНСТВА: К достоинствам этого генератора относится подключение силового питания от силовой магистрали. Но, остальные
недостатки его «младшего брата» Г221, у него остались.

НОВЫЕ НЕДОСТАТКИ: Конструкция Г222, (с «Р.Н.» установленном на генераторе), создала неудобства с доступом к регулятору
напряжения и измерениям, (проверкам) в контрольных точках. Из-за этого данная конструкция не получила любви в «широких массах».
Поэтому, в большинстве случаев ремонтники просто выбрасывают Я112В, устанавливая вместо неё, (чаще всего на правом
брызговике), привычное РН127.
.
Следующий, (и очень большой), шаг в совершенствовании генератора был сделан в генераторе с плечом дополнительных диодов —
37.37.01, который устанавливался на ВАЗ 2108.

Re: Ещё раз о возбуждении генератора.

Сообщение Саша-Ирпень » 04 фев 2014, 05:22

Следующий, (и очень большой), шаг в совершенствовании генератора был сделан в генераторе с плечом дополнительных диодов — 37.37.01, который устанавливался на ВАЗ 2108. (Хотя, с начала 90-х годов этот генератор начали ставить и на ВАЗ 2107).
В конструкции этого генератора устранено большинство недостатков его «старших братьев».
Так, при включении зажигания через ротор течет мизерный ток, (в несколько сот миллиампер), протекающий через контрольную лампочку щитка приборов. (Иногда, применяются ещё и два мощных резистора по 50 ом, подстраховывающие возбуждение в случае перегорания лампочки). Благодаря этому, сведены к минимуму как разряд АКБ при оставленном включенном зажигании, так и притормаживание двигателя при пуске.
После возбуждения генератора он переходит на самопитание, т. е. ток ротора берется от плеча дополнительных диодов и не нагружает контактную группу замка зажигания. Аналогично, стали ненужными провода от шины «15» замка зажигания и к генератору подходит только один провод от щитка приборов.

Казалось бы — вот она идеальная конструкция, лишенная всех недостатков. Но, совершенству нет предела, да и как оказалось недостатки у этой конструкции тоже имеются:
Генераторы в «возрасте», частенько перестают возбуждаться на оборотах холостого хода. После прогазовки все нормализуется, а при проверке, обычно, придраться не к чему. Если же, любыми способами, увеличить ток возбуждения, то дефект пропадает.

Для понимания сути этой проблемки давайте, чуть подробнее рассмотрим сам процесс возбуждения генератора с плечом дополнительных диодов:
После включения генератора, загорается лампочка на щитке приборов, через которую протекает ток ок. 200ма. Ток течет через лампочку, провод коричневый с белым, штекер «61», «+» щетку, обмотку ротора, «-» щетку, открытые выходные транзисторы «Р.Н.» и на массу блока цилиндров. Этот ток создает вокруг ротора магнитное поле, которое при вращении генератора, суммируясь с остаточным магнитным полем ротора, создает в обмотке статора Э.Д.С. После выпрямления плечом дополнительных диодов, Э.Д.С., также, подается на ротор. Этот ток, ещё больше усиливает магнитное поле ротора и т. д. Происходит лавинообразное нарастание выходного напряжения генератора и он возбуждается, т. е. выходит на рабочий режим.
С первого взгляда, может показаться, что даже самый малый ток, поданный на «61» вывод, будет «усилен» и генератор должен возбудиться. Но, это не так. Существует некая пороговая величина тока возбуждения. Для того, чтобы понять, почему так, давайте вспомним вольт-амперную характеристику полупроводникового диода.
На графике видно, что при напряжении, примерно, до 0,6 вольта, через диод протекает очень-очень маленький ток. А уже выше 0,6 вольта, сила тока пропускаемого диодом резко увеличивается.

Желающие могут проделать несколько экспериментов:
1). Если, аналоговым омметром, измерить сопротивление полупроводникового диода в прямом направлении на пределе *1, то мы получим сопротивление ок. 7-8 ом. Но, если ещё несколько раз измерить его сопротивление, но уже на пределах *10, *100, *1000, то стрелка прибора, все равно, дойдет до того же места, что и на пределе *1. Получается, что сопротивление диода не одинаковое. Нет, просто на электронно дырочном переходе, (т. е. на полупроводниковом диоде), происходит падение напряжения ок 0,6 вольта, что и искажает показания омметра. Поэтому, в цифровых китайских тестерах имеется, специальный режим — проверка диодов.

Читайте также:  Падение напряжения внутри источника тока равно 2

2). (Этот эксперимент я лично проводил совсем недавно). Если подать напряжение на лампочку 3 вт, , через диод, (как в генераторе), то лампочка засветится. Но, если измерять протекающий ток миллиамперметром, а напряжение подавать через реостат, плавно увеличивая его величину от «нуля» вольт, то можно увидеть, что примерно до 0,6 вольта, в цепи протекает мизерный ток. (Я намерял ок. 200 микроампер). И, только выше 0,6 вольта, величина тока заметно возрастает.

3). Если включить 2 диода последовательно, (а ведь при выпрямлении переменного тока в генераторе он ВСЕГДА течет через ДВА диода), то возрастание тока получим, только, при напряжении выше 1,2 вольта.

ВЫВОДЫ:
При возбуждении генератора, он начнет возбуждаться только при превышении некоего порогового напряжения. При включенном зажигании, лампочка щитка приборов/обмотка ротора с «Р.Н». образуют делитель напряжения. Величину напряжения на меньшем плече можно измерить вольтметром. (На выводе «61»). Обычно, оно = 2-3 вольтам. Если эта величина ниже определенного порога, то ток возбуждения на ХХ не потечет. Если внутри генератора имеются окисленные контакты, то к минимальной величине порогового напряжения, (скажем 1,2 в на диодах + 0,5 в падение на выходном транзисторе «Р.Н».) понадобится ещё дополнительное напряжение.
(Получается, что схемотехника возбуждения Г222 многократно надежней, чем генератора с плечом доп. диодов).

Какая же величина тока возбуждения, приходящему к генератору от щитка приборов, будет оптимальной? Может быть, не мелочиться и сделать ток по максимуму? Или, наоборот, по минимуму? Как у каждой медали, у обеих вариантов будет две стороны.
При минимальном токе возбуждения, при ухудшении контактов, подсевшей АКБ, старении генератора и т. п. ухудшится возбуждение генератора.
При максимальном же токе, генератор возбудится преждевременно, еще при пуске мотора, что притормозит вращение коленвала.
Еще один момент. Генератор заряжает АКБ по величине напряжения. (Напомню, что существует ешё и второй способ зарядки — по величине тока). Поэтому, после затяжного зимнего пуска, когда АКБ сильно подсела, номинальное напряжение возбудившегося генератора, даст, соответственно, очень большой ток зарядки.
Поэтому, оптимальным решением было бы использование надежного возбуждения, как на Г222, самопитания генератора, как на 37.37.01. и регуливания тока зарядки АКБ в зависимости от ситуации. Вот примерный путь дальнейшего совершенствования конструкции генератора.

ПОЖЕЛАНИЕ:
Напомню, что если на ВАЗ 2105-07 и на карбюраторных ВАЗ 2108-09 на щитке приборов был вольтметр, который позволял увидеть как перезаряд, так и пониженное напряжение в бортсети, то на инжекторных авто вольтметра мы уже не увидим. Поэтому, лампочка контроля работы генератора погаснет при равенстве напряжений силового и дополнительного плеча диодов. А вот величина этого напряжения, при неисправности генератора, может быть далека от нормы. Поэтому, если бы по лампочке увидеть ещё и величину выходного напряжения генератора.
.

Генераторы «десятого» семейства не претерпели принципиальных изменений в сравнении с «девяточными».

Источник

Как работает автомобильный генератор, схемы

Как работает автомобильный генератор, схемы

Генератор — один из главных элементов электрооборудования автомобиля, обеспечивающий одновременное питание потребителей и подзаряд аккумуляторной батареи.

Принцип действия устройства построен на превращении механической энергии, которая поступает от мотора, в напряжение.

В комплексе с регулятором напряжения узел называется генераторной установкой.

В современных автомобилях предусмотрен агрегат переменного тока, в полной мере удовлетворяющий всем заявленным требованиям.

Устройство генератора

Элементы источника переменного тока спрятаны в одном корпусе, который также является основой для статорной обмотки.

В процессе изготовления кожуха применяются легкие сплавы (чаще всего алюминия и дюрали), а для охлаждения предусмотрены отверстия, обеспечивающие своевременный отвод тепла от обмотки.

В передней и задней части кожуха предусмотрены подшипники, к которым и крепится ротор — главный элемент источника питания.

В кожухе помещаются почти все элементы устройства. При этом сам корпус состоит из двух крышек, расположенных с левой и с правой стороны — около приводного вала и контрольных колец соответственно.

Две крышки объединяются между собой с помощью специальных болтов, изготовленных из алюминиевого сплава. Этот металл отличается незначительной массой и способностью рассеивать тепло.

Не менее важную роль играет щеточный узел, передающий напряжение на контактные кольца и обеспечивающий работу узла.

Изделие состоит из пары графитных щеток, двух пружин и щеткодержателя.

Также уделим внимание элементам, расположенным внутри кожуха:

  • Ротор — стальной элемент, имеющий одну обмотку и, по сути, представляющий собой электромагнит. Ротор находится на валу, а сверху обмотки установлены втулки клювообразной формы. Ток подается с помощью медных колец, которые расположены на валу и объединены с обмоткой через специальные щетки.
  • Обмотка — устройство, изготовленное из медной проволоки и закрепленное в пазы сердечника. Сам сердечник выполнен в форме окружности и изготавливается с применением специального материала, обладающего улучшенными магнитными качествами. В электротехнике металл носит название «трансформаторное железо». У статора есть три обмотки, связанные между собой и объединенные в звезду или треугольник. В точке объединения установлен диодный мост, обеспечивающий выпрямление напряжения. Обмотка изготовлена из специальной проволоки, имеющей двойную термоустойчивую изоляцию, покрытую специальным лаком.
  • Реле-регулятор — ключевой элемент установки, обеспечивающий стабильное напряжение на выходе устройства. Монтаж регулятора может производиться в кожухе генератора или снаружи. В первом случае он находится возле графитных щеток, а во втором — там, где щетки крепятся к щеткодержателю (но в разных моделях авто монтаж может осуществляться по-разному). Ниже представлены реле-регуляторы с щеточным узлом.
  • Выпрямительный мост — элемент, предназначенный для преобразования переменного тока на выходе статора в постоянное напряжение. Выпрямитель состоит из трех пар диодов, которые установлены на токопроводящем основании и попарно объединяются друг с дружкой. В среде автовладельцев и мастеров СТО диодный мост часто называется «подковой» из-за схожести с этим предметом.

Какие требования предъявляются к автомобильному генератору?

К генераторной установке автомобиля выдвигается ряд требований:

  • Напряжение на выходе устройства и, соответственно, в бортовой сети должно поддерживаться в определенном диапазоне, вне зависимости от нагрузки или частоты вращения коленвала.
  • Выходные параметры должны иметь такие показатели, чтобы в любом из режимов работы машины АКБ получала достаточное напряжение заряда.

При этом каждый автовладелец должен особое внимание уделять уровню и стабильности напряжения на выходе. Это требование вызвано тем, что аккумулятор чувствителен к подобным изменениям.

Например, в случае снижения напряжения ниже нормы АКБ не заряжается до необходимого уровня. В итоге возможны проблемы в процессе пуска мотора.

В обратной ситуации, когда установка выдает повышенное напряжение, аккумулятор перезаряжается и быстрее ломается.

Источник

Расчёт генератора, основные параметры и изготовление

Для расчёта напряжения генератора воспользуемся простой формулой, она очень простая и не должна вызвать проблем. Подробнее с примером можно почитать здесь — Расчёт ЭДС генератора. Про фазы и соединения катушек будет ниже, а пока разберемся с напряжением генератора.

Формула E=B·V·L где: Е-напряжение генератора (V). B-магнитная индукция магнитов(Тл). V-скорость движения магнитов (м/с). L-активная длина проводника (м).

С буквой Е — это напряжение генератора, которое нам нужно вычислить, а далее буква В — которая не известна, так-как мы не знаем какая магнитная индукция магнитов. Но если помучить поисковик и почитать форумы, то можно узнать что магнитная индукция неодимовых магнитов около 1,25Тл, конечно она разная для разных марок магнитов, но это среднее значение. Так-же известно что чем дальше от магнита — тем меньше и магнитная индукция. В общем если в случае изготовления дискового генератора расстояние между магнитами на противоположных дисках будет равно толщине магнитов, то магнитная индукция будет примерно 1.0Тл, если расстояние больше, то естественно магнитное поле будет слабее. Если к примеру у вас магниты толщиной 10мм, и вы делаете расстояние между магнитами 10мм, то индукция будет где то 1.0Тл, а статор в этом случае получится не более 8мм толщиной, и по 1мм на зазоры. Если расстояние будет скажем 12-14мм, то магнитная индукция упадет до 0.8-0.7Тл и ниже.

Для генераторов с железом принцип такой-же, но толщина магнитов может быть разная, некоторые ставят магниты толщиной 10-15мм, хотя для магнитной индукции в 1.0Тл достаточно толщины магнитов 3-4мм. Ещё важна толщина — магнито-пропускаемость статора, на зубы которого наматываются катушки. Если переборщить с толщиной магнитов то статор не сможет замкнуть всё магнитное поле и оно выйдет наружу, и к статору снаружи будет магнитися железо. То-есть это потери магнитного поля и нет смысла использовать слишком мощные магниты так-как часть магнитного поля не будет использоваться. Все конечно зависит от конкретных условий, но если не известна магнитная индукция, то лучше её брать как 0.8-1Тл.

Вернемся к формуле, V — это скорость движения магнитов, рассчитать её очень просто. К примеру если диаметр ротора с магнитами у нас 20см, то 20*3.14=62.8см. То-есть получается что за один оборот магниты проходят расстояние 62.8см или 0.62метра. Если диаметр ротора 8см, то аналогично 8*3.14=25.12см или 0.25м.

L — это активная длина проводника, то-есть это та длинна медного провода, которая попадает под магниты, ведь именно только тот участок провода вырабатывает электричество, который попадает под магнитное поле магнитов. Для дисковых аксиальных генераторов длинна активного проводника равна длинне магнитов. К примеру если у вас круглые магниты размером 30*10мм, то L=30мм, ну а если прямоугольные размером 50*30*10мм, то L=50мм. Для генераторов с железным статором активная длинна проводника равна ширине статора.

Читайте также:  Равенство при резонансе токов

Активная длинна проводника

Активная длинна проводника, расчёт катушек генератора

Теперь попробуем высчитать напряжение генератора, но сначало разберемся с катушками генератора

Ниже схема соединения однофазного генератора

Соединение катушек

соединение катушек однофазного генератора

Соединение катушек трехфазного генератора

Соединение катушек

соединение катушек трёхфазного генератора, на рисунке статор состоящий из 15-ти катушек

Вернёмся к формуле E=B·V·L. К примеру планируется намотать 18 катушек проводом 1.0 мм, и в катушку помещается по 80 витков, значит всего у нас витков 18*80=1440 витков. Если генератор однофазный то так и считаем по всем катушкам, а если трёхфазный то будем брать катушки одной фазы, в данном случае шесть катушек в фазе, а потом вычислим данные при соединении звездой или треугольником. Я буду считать трёхфазный, по этому беру шесть катушек 80*6=480витков.

Магниты у нас к примеру 30*10мм (по 12шт на диске), значит активная длинна проводника 0.03м, если статор железный, то берётся ширина статора. Диски с магнитами у нас к примеру диаметром 20см, но надо брать диаметр по центру магнитов, значит минус 1,5см по кругу и того 20-3см=17*3.14=53.38см или 0.53м. Хочу напомнить что толщина железных дисков должна быть не менее толщины магнитов, иначе магнитное поле выйдет за железо и не будет участвовать в выработке электричества и магнитная индукция будет ниже, а если у вас к примеру ротор асинхронного двигателя, то после проточки желательно одеть металлическую гильзу и на неё клеить магниты, или вытачивать цельно-металлический ротор, так магниты будут использоваться эффективнее и можно или получить больше мощности или сэкономить на толщине магнитов.

И так теперь у нас есть необходимые данные для расчёта напряжения генератора к примеру при 60об/м. Магнитную индукцию возьмём равной 1Тл. Скорость движения магнитов у нас за оборот 0.53м, значит при 60об/м будет 1об/с, то-есть 0.53м/с — скорость движения магнитов. Активная длинна проводника нам тоже известна и равна 0.03м. Тогда 0.03м нужно умножить на количество витков в катушке (80) и на количество катушек (6), и получится 0.03*480=14.4м.

Теперь представляем значения в формулу E=B(1Тл)*V(0.53м)*L(14.4м), получается E=7.632V. В общем при 60об/м получается напряжение фазы 7.6 вольт. Напряжение генератора растёт линейно в зависимости от оборотов, значит при 120об/м будет 15.2 вольта, а при 240об/м будет 30.4 вольт. А при 300об/м будет 38.0 вольт. Зарядка начнётся при 120об/м если соединить фазы генератора треугольником. При соединении звездой напряжение генератора будет выше в 1,7 раза, значит зарядка начнётся ещё раньше, при 90об/м.

Но если нарисовать виртуальный статор с катушками и магнитами, то можно увидеть что магнит не перекрывает собой полностью катушку и 30% активной зоны не перекрывается как бы не стоял магнит, а это значит что 30% не участвует в выработке напряжения и это надо учитывать. Часто получается так что магнит перекрывает только половину катушки, и это значит что только половина витков участвует в выработке электричества. Значит в нашем случае напряжение будет ниже на 30% чем получилось, то-есть не E=7.632V, а E=5V.

Теперь поговорим про ток генератора, его сопротивление и соединение звездой и треугольником

Чем меньше сопротивление — тем выше сила тока зарядки и меньше потерь на нагрев, по-этому сопротивление обмотки генератора нужно делать как можно меньше. В нашем генераторе состоящем из 18 катушек всего 18*80=1440 витков, это по 480 витков в фазе. Чтобы узнать сопротивление фазы нужно узнать длинну провода в фазе и его сечение. Длина одного витка в среднем примерно 0.08м, значит 0.08*480=38.4м. Сопротивление одного метра медного провода сечением 1мм равно 0.0224Ом. Далее 38.4*0.0224=0.86Ом.

Таблица сопротивления медного провода

Чтобы узнать какой будет ток зарядки аккумулятора нужно знать напряжение генератора и его сопротивление, что мы уже знаем. Чтобы вычислить нужно от напряжения холостого хода генератора отнять напряжение генератора, и полученную сумму разделить на сопротивление, и получится ток зарядки. К примеру у нас при соединении звездой при 120об/м напряжение в холостую равно 10V*1.7=17 вольт. Тогда от 17 вольт отнимем напряжение аккумулятора 17-13 вольт и получим разницу в 4 вольта, разделим на сопротивление 1,46Ом, и получим 4:1.46=2.7Ампер. И так можно вычислить силу тока на каждых оборотах генератора, а чтобы получить мощность зарядки нужно амперы умножить на вольты, в данном случае 2.7*13=35.1 ватт*ч. А уже при 240об/м напряжение в холостую будет в два раза больше, так-как растёт линейно, тогда уже 20V-13=7:1.46=4.7 Ампер.

Но здесь играет роль не только сопротивление самого генератора, но и сопротивление провода от генератора до аккумулятора, сопротивление диодного моста, на котором падает до 1вольт напряжения, и сопротивление самого аккумулятора. Все это высчитать можно, но довольно сложно. Так-же изменяется сопротивление генератора во время работы, по-этому сумма общих потерь может составлять до 50% от мощности, и в итоге ток зарядки может оказаться в два раза меньше расчетного. И так-как это трудно все учесть на потери в среднем можно скинуть 30%, значит реально а аккумулятор пойдёт ток не 4.7Ампер при 240об/м, а значительно ниже, около 3.5-4 Ампера.

Такой расчёт дает примерное представление о будущем генераторе, но все-же это лучше чем делать как получится ничего не считая, и потом удивляться тому что или напряжение слишком низкое или высокое, или сопротивление слишком большое и смешной ток зарядки. Просчитав свои генераторы я убедился в справедливости такого расчёта генератора.

При расчете генератора нужно учитывать что его будет крутить ветроколесо ветрогенератора, и у ветроколеса есть свои обороты, и генератор нужно хоть примерно делать под будущий винт. Если это будет вертикальный ветряк, то его ветроколесо вращается очень медленно по сравнению с горизонтальным винтом. И в связи с этим нужно чтобы зарядка начиналась на очень низких оборотах генератора. Чтобы зарядка начиналась рано нужно чтобы напряжение было выше напряжения аккумулятора, отсюда нужно в катушках иметь как можно больше витков. Но чем больше витков тем длиннее провод, а значит и сопротивление, а сопротивление определяет силу тока зарядки. В итоге чтобы генератор был мощный и рано начиналась зарядка, нужно его рассчитать так чтобы и мощность была, и ветроколесо не перегрузить — иначе оно не выйдет на свои обороты и не наберет мощности.

С горизонтальным винтом генератор нужен не такой большой и материалоемкий как для вертикального, у горизонтальных винтов обороты в среднем в 5 раз выше, от этого и генератор нужен в пять раз меньше и во столько же раз дешевле. Расчёты витроколёс есть в даругих статьях из раздела «Расчёты ветряков». Советую вам и с этим материалом ознакомится, так-как ветрогенератор это единый механизм и его узлы должны быть подходящими по параметрам друг для друга, иначе или винт слишком мощный и малооборотистый или генератор слишком мощный, и толку от такого ветряка будет мало.

Предварительный шаблон генератора

Рисунок генератора

Предварительный рисунок генератора, чтобы узнать каких размеров будут катушки

Размеры катушки

Чтобы подогнать генератор под ветроколесо или наоборот потом ветроколесо под генератор нужно высчитать мощность генератора на разных оборотах, к примеру при 120об/м когда начнётся зарядка аккумулятора, и начнётся нагрузка на ветроколесо, и далее при 180,240,300,360,420,480,540,600об/м.

Исходя из выше рассчитанных данных мы получили 17вольт при 120об/м, сопротивление у нас 1.46Ом. более точные данные будут если мерить напряжение во время зарядки в реальном времени, но я для малого тока взял напряжение аккумулятора равным 13 вольт, а далее исходил из напряжения 14 вольт. В итоге ниже получились вот такие расчёты, но на более высоких оборотах при большой разнице холостого напряжения и напряжения при заряде аккумулятора КПД генератора будет падать и ток зарядки опять-же не будет таким большим, хотя генератор будет грузить винт на большую мощность, потери будут на нагреве катушек и в проводах. В общем ток зарядки будет ниже ещё на 10-20%.

при 120об/м — 17-13=4:1.46=2.7А*13=35ватт
при 180об/м — 25.5-14=11.5:1.46=7.8А*14=110ватт
при 240об/м — 34-14=20:1.46=13.6А*14=190ватт
при 300об/м — 42.5-14=28.5:1.46=19.5А*14=273ватт
при 360об/м — 51-14=37:1.46=25.3А*14=354ватт
при 420об/м — 59-14=45:1.46=31А*14=436ватт
при 480об/м — 68-14=54:1.46=36.9А*14=516ватт
при 600об/м — 85-14=71:1.46=48.6А*14=680ватт

Но ветроколесо желательно при расчёте делать на 30% мощнее чем расчетные данные генератора, и так чтобы на низких оборотах ветроколесо было чуть мощнее генератора. У нас при 120об/м 35ватт с генератора, значит ветроколесо должно при 120об/м иметь мощность около 40-50ватт. Если ветроколесо будет слабее, то генератор не позволит ему раскрутится до своих оборотов и в итоге обороты будут ниже и мощность тоже. Подробнее про расчёты ветроколес смотрите статьи в разделе, там всё есть.

Источник