Генератор переменного тока

Устройство и конструкция автомобильного генератора

Трехфазные электроагрегаты переменного тока, устанавливаемые на современных машинах, могут быть 2-х видов: стандартный и компактный. Общее устройство автомобильных генераторов 2-х видов одинаково – они состоят из следующих элементов:


  • Шкива с валом и подшипниками.
  • Ротора с контактными кольцами.
  • Обмоток статора.
  • Корпуса генератора.
  • Регулятора напряжения.
  • Выпрямительного устройства.
  • Щеточного узла.

Конструкции автомобильных генераторов различаются только особенностями компоновки. При одинаковых электрических параметрах стандартные агрегаты значительно крупнее малоразмерных. Компактность обеспечивается за счет использования современных материалов и технологий

Вот из чего состоит электрогенератор и какие функции выполняют его компоненты:

  • Шкив обеспечивает передачу вращения от коленвала на ротор с помощью ремня.
  • Корпус генератора имеет две крышки (переднюю, заднюю) и нужен для соединения элементов в единую конструкцию. На наружной поверхности размещены кронштейны, с помощью которых устройство крепится на двигателе.
  • Ротор представляет собой вал, на котором установлены обмотки возбуждения и контактные кольца из электротехнической меди.
  • Статор включает в себя магнитопровод из пакета стальных пластин, в которых вырезаны фигурные пазы. В них уложены трехфазные обмотки из одножильного медного провода, где и генерируется ток.
  • Регулятор напряжения изготавливается в виде отдельного блока или комбинируется со щеточным узлом. Основное назначение — управление работой генератора путем изменения тока в обмотке возбуждения.
  • Выпрямительное устройство по схеме Ларионова состоит из двух частей: алюминиевых теплоотводов, в каждый из которых запрессовано по три силовых диода. Вентили обеспечивают преобразование переменного напряжения в постоянное, что используется в бортовой сети для питания электрооборудования.
  • Передача напряжения на обмотку возбуждения производится через специальный узел и цилиндрические контактные кольца. Щетки делаются из специальных сортов графита и устанавливаются в держателе с направляющими, изготовленными из диэлектриков. Для обеспечения плотного контакта они подпружинены, а напряжение на них подается по проводу, запрессованному в основание.

Разбираясь с устройством генератора современного автомобиля, следует выделить в нем механическую и электрическую часть. Первая (к которой относятся шкив и два подшипника ротора) обеспечивает его вращение в корпусе. Вторая часть собственно генерирует электрический ток для запитывания бортовой сети. Описываемая схема автомобильного генератора впервые была применена в изделиях американской фирмы «Невиль» в 1946 году. Такими устройствами комплектовались военные машины и автобусы.

Виды

По автономности

Предельно автономный тип — это ручные электростанции. В них механическое движение получается за счет мускульной силы оператора. Конечно, рассчитывать на высокую производительность и длительную работу не приходится. Зато можно уверенно получать ток в любой ситуации, когда нельзя использовать ни топливо, ни энергию ветра или воды. Потому подобные генераторы могут входить в аварийные комплекты на воздушных судах, использоваться в экстренных случаях экспедициями, военными и так далее. Условно автономные электромагнитные аппараты — на бензиновом приводе.

По количеству фаз

Встречаются однофазные и трехфазные устройства. В домах и квартирах трехфазное электропитание требуется редко. Исключение составляют старые двигатели, ТЭНы для сауны и тому подобная аппаратура.

Простое эмпирическое правило гласит: если сеть потребляет 20 кВт и менее, особого смысла в трех фазах нет.

По режиму работы

Основные применяемые аппараты призваны действовать беспрерывно. Обычно они работают на дизельном горючем, хотя есть и исключения. Такая техника может обеспечить круглосуточное электропитание, и именно ее ставят на крупных электростанциях и ТЭЦ. Резервные модели генераторов рассчитаны на экстренные случаи (когда внезапно отключается электроснабжение). Работа тоже иногда проходит без перерывов, но всего лишь в течение нескольких часов.

По области применения

Генераторы бытового назначения представлены в широком ассортименте. Почти все они выдают однофазный ток. Нормальные показатели — 220 В, 50 Гц. Самые мощные бытовые устройства применяют даже для сварки, а также для питания небольших мастерских и автосервисов.

Для производственных целей нужны мощные стационарные электрогенераторы. Они же используются для:

  • больших строек;

  • микрорайонов;

  • солидных коттеджных поселков;

  • портов;

  • вокзалов;

  • больниц;

  • учебных заведений;

  • офисных центров.

Параллельная работа синхронных генераторов

На электростанциях синхронные генераторы соединяются друг с другом параллельно для совместной работы на общую электрическую сеть. Когда нагрузка на электрическую сеть мала, работает только часть генераторов, при повышенном энергопотреблении («час пик») включаются резервные генераторы. Этот способ выгоден, так как каждый генератор работает на полную мощность, следовательно, с наиболее высоким коэффициентом полезного действия.

Синхронизация генератора с электрической сетью

В момент подключения резервного генератора к электрическим шинам его электродвижущая сила должна быть численно равна напряжению на этих шинах, иметь одинаковую с ним частоту, и фазовый сдвиг равный нулю. Процесс выведения резервного генератора на режим, при котором обеспечивается указанное условие, называется синхронизацией генератора.

Если это условие не будет выполнено (подключаемый генератор не выведен на синхронный режим), то из сети в генератор может пойти большой ток, генератор заработает в режиме электродвигателя, что может привести к аварии.

Для выполнения синхронизации подключаемого генератора с электрической сетью применяются специальные устройства, в простейшем виде — синхроноско́п.

Синхроноскоп представляет собой лампу накаливания и «нулевой» вольтметр, включенные параллельно контактам рубильника, отключающего генератор от шин сети (соответственно сколько фаз, столько ламп накаливания и вольтметров).

При разомкнутом состоянии рубильника параллельная сборка «лампа накаливания — „нулевой“ вольтметр» оказывается включенной последовательно цепи «фаза генератора — фаза электросети».

После запуска генератора (при разомкнутом рубильнике) его выводят на номинальные обороты, и регулируя ток возбуждения, добиваются того, чтобы электрическое напряжение на клеммах генератора и на шинах сети было приблизительно одинаковым.

Когда генератор приближается к режиму синхронизации, лампы накаливания начинают мигать, и в момент почти полной синхронизации они гаснут. Однако лампы гаснут при напряжении, не равном нулю, для индикации полного нуля служат вольтметры («нулевые» вольтметры). Как только и «нулевые» вольтметры покажут 0 вольт — генератор и электрическая сеть синхронизированы, можно замыкать рубильник. Если две лампы накаливания (на двух фазах) погасли, а третья — нет, это означает, что одна из фаз генератора подключена неправильно к шине электрической сети.

Устройство автомобильного генератора

Автогенератор включает в себя несколько составляющих:

  • Ротор.
  • Статор.
  • Блок щеток.
  • Регулятор напряжения.
  • Выпрямительный блок (диодный мост).

1 — задний подшипник; 2 — выпрямительный блок; 3 — контактные кольца; 4 — щетка; 5 — щеткодержатель; 6 — кожух; 7 — диод; 8 — втулка подшипника; 9 — винт; 10 — задняя крышка; 11 — крыльчатка; 12 — винт; 13 — ротор; 14 — обмотка ротора; 15 — передняя крышка; 16 — вал ротора; 17 — шайба; 18 — гайка; 19 — шкив; 20 — передний подшипник; 21 — обмотка ротора; 22 — статор.

Ротор


Ротором (от англ. rotation — вращение) называется подвижная часть автогенератора. Она представляет собой вал с расположенной на ней обмоткой возбуждения, находящейся между двумя полюсными половинками. Последние изготавливаются штамповкой, на каждой из них имеется шесть выступов в форме клюва, расположенных сверху обмотки. Эти половинки образуют систему полюсов и контактные кольца. Задача колец заключается в подаче электротока на обмотку через ее выводы.

Обмотка возбуждения предназначена для создания магнитного поля. Для решения этой задачи на нее должен быть подан слабый электроток. До запуска силового агрегата подачу тока для образования магнитного поля осуществляет АКБ. Когда ДВС заработает, и число оборотов достигнет нужной величины, подача тока на обмотку возбуждения будет производиться генератором

На роторе, кроме того, размещены:

  • Приводной шкив.
  • Подшипники качения.
  • Охлаждающее устройство (вентилятор).

Ротор располагается внутри статора, зажатого между крышками корпусной части. Крышки снабжены посадочными местами, в которых помещаются роторные подшипники. Кроме того, в крышке, расположенной со стороны приводного шкива, имеются отверстия для вентиляции.

Схема вентиляции генераторов

Статор

Этот элемент, в отличие от вышеописанного, неподвижен (статичен), из-за чего и получил свое название. Его задача заключается в получении электротока переменной величины, возникающего под влиянием магнитного поля ротора. Статор состоит из обмоток и сердечника. Последний изготавливается из листовой стали и имеет пазы для укладки трех обмоток (по количеству фаз). Обмотки могут укладываться одним из двух способов: петлевым или волновым. Схема их соединения также может быть разной – в форме звезды или треугольника.

1 — сердечник; 2 — обмотка; 3 — пазовый клин; 4 — паз; 5 — вывод для соединения с выпрямителем.

При подключении по схеме «звезда» все обмотки соединяются вместе одним из концов в общей точке. Их вторые концы выполняют роль выводов. Схема «треугольник» предусматривает соединение обмоток по другому принципу: 1-я со 2-й, 2-я – с 3-ей, а 3-я, в свою очередь – с 1-й. В этом случае функцию выводов выполняют точки соединения. Наглядно обе схемы показаны на рисунке.

Схема «звезда» и «треугольник»

Блок щеток

Задача этой составляющей генератора заключается в передаче электричества на обмотку возбуждения. Конструктивно блок представляет собой корпус с расположенной в нем парой подпружиненных графитных щеток. Последние прижимаются с помощью пружин к контактным кольцам, но жестко с ними не скреплены.

Регулятор напряжения

Регулятор нужен для того, чтобы поддерживать величину напряжения на выходе в установленных пределах. Это необходимо, поскольку количество тока, как и его параметры, зависит от числа оборотов двигателя, а долговечность аккумулятора напрямую связана с подаваемой разностью потенциалов. Недостаточное напряжение приведет к «хроническому» недозаряду АКБ, а избыточное – к перезаряду. Как в первом, так и во втором случае срок службы батареи заметно снизится. Современные автомобили комплектуются электронными полупроводниковыми регуляторами.

Регулятор напряжения

Диодный мост (выпрямительный блок)

Задача этого элемента заключается в том, чтобы преобразовывать переменный ток, поступающий на него, в постоянный, необходимый для питания бортовой сети. Конструктивно он состоит из теплоотводящих пластин, в которые вмонтированы диоды в количестве 6 штук – по 2 на каждую статорную обмотку (на «+» и на «-») .

Каким компаниям доверять?

Выпуском электрических генераторов занимаются не только известные компании, но и те, что появились совсем недавно. В имеющемся ассортименте легко запутаться без некоторой подготовки.

Стационарная установка

Отечественному покупателю хорошо известны следующие несколько названий:

  • «Вепрь». Пользуется наибольшим спросом среди российских компаний, занимающихся этим направлением. Мощность находится в диапазоне от 2 до 230 кВт. Генераторы подходят как для бытового, так и для промышленного применения. WAY — модели, подходящие для эксплуатации в домашних условиях.
  • SDMO. Ещё один производитель, модели которого встречаются в большом количестве. Агрегаты и в этом случае с двигателями, работающими на 1 либо на 3 фазах. Мощность, внешнее исполнение — главное отличие между разными моделями. Корпус с шумопоглощением отлично подходит тем, кто использует именно бытовые разновидности генераторов. Воздушное охлаждение, мощность до 10 кВа — характеристики отдельного класса устройств. Они часто снабжаются дополнительными выходами для переменного либо постоянного тока. Электростартер дополняет стационарные разновидности моделей. Они устанавливаются на раме или внутри контейнеров с функцией шумоизоляции.
  • Geko. Производитель с широкой линейкой продукции для любых условий. Создаёт не только бытовые модели, но и варианты с более узкой специализацией. Внутри моделей устанавливают одно- или трёхфазный двигатель в зависимости от того, какие цели преследует потребитель. Запуск — ручной либо его заменяет электростартер. У некоторых моделей есть кожухи, поглощающие шумы. Встроенная панель автоматического запуска тоже становится неплохим дополнением к стандартным электростанциям.

Как работает

Функционирование генератора основывается на свойствах, которые следуют из известного закона электромагнитной индукции. Когда замкнутый контур разместить между полюсами магнита (постоянного), то в условиях вращения он будет проходить через магнитный поток. Во время перехода вырабатывается электродвижущая сила, возрастающая при приближении к полюсу. В случае, если присоединить нагрузку, то образуется поток тока. Когда витки рамки будут выходить из области воздействия магнита, то ЭДС будет уменьшаться и достигнет нуля при горизонтальном положении рамки. При дальнейшем вращении противолежащие контурные части изменят магнитную полярность.

Значения ЭДС в активных обмотках контура вычисляются по формулах: е1= В I v sin wt, е2= — В I v sin wt, где I — длинна одной стороны рамки, В — магнитная индукция, v — скорость вращения (линейная) контура, t — время, wt — угол пересечения магнитного потока рамкой.

Направление тока меняется в период смены полюсов. Поскольку вращение коллектора происходит одновременно с рамой, то электроток на нагрузке имеет одинаковое направление. Такая схема лежит в основе выработки постоянного электричества. Суммарная ЭДС будет иметь следующий вид: е= 2В I v sin wt.

Такой ток почти непригоден для применения, поскольку присутствуют пульсации ЭДС. Последние надо уменьшать к допустимому уровню. Для этой цели применяют много магнитных полюсов, рамки заменяют якорями, у которых намного больше обмоток и коллекторов. К тому же, соединение обмоток выполняется разными методами.

Якорь


Ротор производится из стали. В пазы на сердечниках укладываются витки провода, которые составляют рабочую обмотку якоря. Проводники соединяют последовательно. Они образуют секции, создающие замкнутую цепь.

Интересно! Для процесса генерации неважно: вращаются обмотки контура или магнит. По этой причине роторы для маломощных альтернаторов изготавливают из постоянных магнитов, а переменный ток выпрямляют при помощи диодных мостов или иными схемами

Узнать, из чего состоит генератор постоянного тока, поможет картинка 4.

Устройство машины постоянного тока

Установка состоит из главных узлов:

  • неподвижная часть — главные и дополнительные полюса, станина;
  • вращающаяся часть (якорь) — стальной сердечник, коллектор.

В процессе работы установки ток проводится сквозь обмотку и образуется магнитный поток полюсов. Специальные неподвижные щетки (из сплава графита) способствуют объединению обеих частей генератора в единую цепь.

Устройство и принцип действия генератора постоянного тока за долгий период применения остались прежними, несмотря на некоторые совершенствования.

Месторасположение и схема подсоединения агрегата

Вал ротора генератора приводится в движение ременной передачей, соединяющей его со шкивом коленвала. Поэтому агрегат всегда расположен поблизости от переднего торца двигателя, где находится привод газораспределительного механизма. В переднеприводных автомобилях мотор повернут на 90°, а электрогенератор находится с правой стороны (если смотреть по ходу движения).

Статорная обмотка аппарата является трехфазной, поскольку состоит из 3 отдельных секций, повернутых друг относительно друга на 120°. Поэтому обмотки подключаются «звездой», а к выводу каждой фазы подсоединена пара диодов, преобразующих переменный ток в постоянный. Всего выпрямительный мост включает 3 пары элементов (6 диодов).

Схема подключения автомобильного генератора состоит из таких элементов:

  • встроенный диодный выпрямитель, описанный выше;
  • реле – автоматический регулятор выходного напряжения;
  • группа дополнительных диодов (3 шт.), выпрямляющих ток для регулятора;
  • лампа – индикатор зарядки аккумуляторной батареи;
  • замок зажигания;
  • аккумулятор.

К реле-регулятору подсоединены вывода обмоток ротора и статора (через выпрямительный мост). Задача данного блока – регулировать мощность на выходе генераторного узла, удерживая величину напряжения в диапазоне 13,8–14,7 вольт.

В цепь электрогенератора и реле включены контакты замка зажигания и аккумуляторная батарея, получающая заряд в процессе работы двигателя. От линии, ведущей к блоку регулятора, запитана лампочка на приборной панели, сигнализирующая о питании бортовой сети от аккумулятора. Когда мотор заводится и начинается генерация тока, индикатор гаснет.

Проверка генераторов на стенде своими руками

Станок для испытаний и снятия характеристик генератора можно собрать своими руками, если имеется в наличии электродвигатель, вольтметр, амперметр и проволочный реостат.  Дополнительно потребуется механический часовой тахометр ТЧ10-Р и автотрансформатор для изменения оборотов электродвигателя.

Метод проверки генератора на стенде позволяет определить его параметры и установить соответствие его характеристик номинальным.

Стенд с электрическим двигателем соединяется через гибкий вал с проверяемым генератором. Частота вращения ротора регулируется оборотами электродвигателя.

Включив двигатель стенда, устанавливаем напряжение на выходе генератора 13 Вольт реостатом 5, а обороты ротора до 5000. В этом режиме вращаем ротор от 10 до 15 минут и фиксируем силу тока. У разных типов генераторов сила тока имеет собственную характеристику, указанную в паспорте, например, у Г-222 сила тока должна быть не менее 45 Ампер.

Если измеренная величина тока отдачи меньше, указанной в паспорте, то необходимо разобрать и проверить, согласно существующим методическим указаниям обмотки статора, ротора и диодного моста.

Следующим этапом проверяется напряжение на выходе при той же частоте вращения ротора, но ток отдачи реостатом устанавливается в пределах 15 А. Напряжение на выходе должно составлять 14 В с допуском в отрицательную и положительную сторону в 1,5 В.

Если не соблюдается указанный предел напряжения, как с нагрузкой, так и без нее, то регулятор необходимо заменить исправным. После замены регулятора необходимо повторить процедуру проверки и в случае не соблюдения предела 14 В, следует разобрать генератор и проверить исправность обмоток статора, ротора и диодного моста.

Схема соединений для проверки генератора на стенде: 1 — генератор; 2 — контрольная лампа, мощностью 3,0 Вт; 3 — вольтметр; 4 — амперметр; 5 — реостат; 6 — выключатель; 7 — аккумуляторная батарея

Диагностика генератора автомобиля своими руками

Возникают ситуации, когда транспортировка автомобиля в автосервис затруднительна и как вынужденная мера проверка производится в домашних условиях.

Схема проверки автомобильного генератора своими руками, следующая:

  1. визуально осмотреть целостность ремня генератора или его натяжение – в случае обрыва ремня произвести ремонт, касающийся замены его (или принять меры к его натяжению);
  2. завести двигатель и мультиметром проверить на клеммах аккумулятора напряжение – должно быть 13,5 -14,7 В;
  3. если мультиметр показывает напряжение ниже 12 В, то необходимо проверить напряжение на клемме +D (обмотка возбуждения) генератора;
  4. в случае отсутствия напряжения на обмотке возбуждения – проверяется плавкий предохранитель цепи подачи напряжения на обмотку возбуждения;
  5. в случае исправности цепи, подающей напряжение на обмотку возбуждения, проводится диагностика, не снимая с автомобиля по описанным выше методам лампочкой или мультиметром.

Проверка генератора дрелью


Задача сводится к определению исправности при воздействии на его вал оборотов дрели. Контрольная лампа, вместо тестера или мультиметра позволяет визуально наблюдать выходное напряжение генератора.

На схеме: Л1 – имитация контрольной лампы заряда АКБ. Она должна погаснуть при вращении с помощью дрели вала ротора генератора. Л2 – контрольная лампа выходного напряжения, которая дублируется тестером для определения ее точной величины.

Метод проверки дрелью позволяет без наличия специального стенда проверить исправность в гаражных условиях.

Качество эксплуатации: от каких факторов зависит?

Есть некоторые важные параметры, без расчёта которых нельзя сделать правильный выбор.

Мощность.

Для этого надо заранее посчитать, какую мощность потребляют все устройства, установленные дома. Нагрузка от основных потребителей может быть активной и реактивной. Главное — учитывать некоторый запас, применять соответствующие коэффициенты.

Что внутри?

1-1,3 — в таком диапазоне находится коэффициент активной нагрузки для бытовых электрических приборов. 3 — тот же параметр, но для устройств, работающих с реактивной нагрузкой.

Важно! Нужно сложить все виды нагрузки друг с другом, чтобы понять, какой агрегат требуется в том или ином случае. 15% откладывают про запас сверху. Ведь со временем иногда увеличивают количество электрических приборов

При пуске некоторые приборы потребляют гораздо больше энергии, чем указано в сопроводительной документации.

Разновидность нагрузки, с которой работает генератор.

Бывают сети с напряжением 220 и 380 В. Многие думают, что последний вариант — универсальный, потому ему и следует отдать предпочтение в большинстве случаев. Но лучше всё-таки остановить выбор на однофазной сети, если нет планов по подключению приборов с соответствующими характеристиками.

Иначе при монтаже электропроводки возникают проблемы, которые не удаётся предвидеть сразу.

Разновидности используемого топлива для генерирования тока.

Надёжность большинства современных установок остаётся практически одинаковой. Существенное отличие — только в стоимости приборов и источников энергии для них.

Рождение электричества: элементарная физика

Как мы уже сказали, генератор – это один из двух источников тока наших четырёхколёсных друзей. Нужно отметить, что питание бортовых систем во время работающего двигателя не единственная его функция.

Параллельно этому занятию он ещё и подзаряжает аккумуляторную батарею, чтобы обеспечить бесперебойную работу всех электросистем авто в любой ситуации.

По сути, генератор это тот же электродвигатель, только выполняет он обратную работу. Если обычный двигатель превращает электрическую энергию в энергию вращения, то герой нашего сегодняшнего рассказа всё делает с точностью наоборот. По этой причине он и не вырабатывает ток, пока двигатель автомобиля отдыхает – его нужно раскрутить.

Для понимания процессов преобразования одной энергии в другую нам нужно открыть учебник физики.

Там написано, что в основе работы генератора лежит явление электромагнитной индукции. Простыми словами его можно объяснить следующим образом: в любом проводнике, который находится рядом с движущимся магнитом (изменяющимся магнитным полем), будет образовываться переменный электрический ток.

«Но ведь электросистема машины питается постоянным!», — возразите Вы. Так и есть, и чтобы разобраться с секретами этих метаморфоз, надо изучить конструкцию генератора. Об этом далее.


С этим читают