Лекция 3. Генераторные установки

1. Общие сведения

Система электроснабжения обеспечивает электрической энергией всех потребителей, размещённых на автомобиле. Источниками электрической энергии являются генератор и аккумуляторная батарея, включенные параллельно.

Когда ДВС не работает, функции источника выполняет аккумуляторная батарея. Она же должна обеспечить надёжный пуск двигателя. После пуска двигателя роль источника переходит к генератору. Теперь он должен обеспечивать электроснабжение всех потребителей и заряд аккумуляторной батареи.

Автомобильные генераторы работают в режиме переменных частот вращения и нагрузок, изменяющихся в широких пределах. Чтобы поддерживать напряжение генератора на заданном уровне, в состав системы электроснабжения включён регулятор напряжения. Совокупность генератора и регулятора напряжения называют генераторной установкой. Структурная схема системы электроснабжения приведена на рис. 3.1.

В системе рис. 3.1 питание потребителей обеспечивает генератор, если U_г ≥ Е_б. Даже на холостом ходу двигателя генератор должен развивать мощность, достаточную для электроснабжения наиболее важных потребителей. Стабильность напряжения, в широком диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала ДВС и нагрузок, обеспечивается регулятором.

Превышение напряжения сверх допустимых пределов является причиной перезаряда аккумуляторной батареи с последующим выходом её из строя. Кроме того, увеличение напряжения на 10% сверх номинального снижает срок службы ламп примерно на 50%. Пониженное напряжение вызывает недозаряд батареи.

Генераторные установки рассчитаны на номинальное напряжение 14 и 28 В. Напряжение 28 В характерно для автомобилей с дизелем. Однако на дизельных автомобилях, например, на автомобиле ЗИЛ 5301 («Бычок») возможна и двухуровневая система: 14 В непосредственно на генераторе для электроснабжения основных потребителей, 28 В – на выходе трансформаторно-выпрямительного блока, необходимого для подзарядки аккумуляторной батареи.

Генераторные установки выполняются по однопроводной схеме, в которой с корпусом соединен отрицательный полюс системы. Питание бортовой сети осуществляется постоянным током. Поэтому до 60-х годов в качестве источника электрической энергии применяли генераторы постоянного тока. В настоящее время применяются генераторы переменного тока, снабженные полупроводниковым выпрямителем. Такие генераторы получили название вентильных. Использование вентильных генераторов позволяет при равной мощности повысить надёжность, уменьшить в 1,8 ÷ 2,5 раза массу и размеры, примерно в 3 раза – расход меди.

Для питания отдельных вспомогательных устройств, например, реле блокировки стартера, трансформаторно-выпрямительного блока систем на два уровня, тахометра и др. используется переменный ток генератора. В последнее время наблюдается тенденция использовать переменный ток и для управления работой регулятора напряжения самой генераторной установки.

2. Электрическая схема вентильного генератора

Автомобильный генератор переменного тока получает механическую энергию от ДВС через ременную передачу. Как и обычный генератор, он имеет неподвижную (статор) и вращающуюся (ротор) части. Неподвижная часть состоит из магнитопровода и рабочей обмотки (обмотки статора). Вращающаяся часть (ротор) содержит обмотку возбуждения с полюсной системой, вал и контактные кольца.

Питание обмотки возбуждения осуществляется от аккумуляторной батареи или от самого генератора. В последнем случае генератор работает в режиме самовозбуждения. Однако для самовозбуждения необходима достаточно большая частота вращения ротора. Поэтому цепь обмотки возбуждения подключают к аккумуляторной батарее через контрольную лампу мощностью 2 ÷ 3 Вт. Небольшой ток, поступающий через эту лампу в обмотку возбуждения, обеспечивает возбуждение генератора на низких частотах вращения ротора.

После возбуждения в рабочей обмотке генератора наводится ЭДС, частота которой f определяется частотой вращения ротора n и числом пар полюсов p:

.

У большинства автомобильных генераторов рабочие обмотки имеют шесть пар полюсов, поэтому частота тока в герцах меньше частоты вращения ротора, измеряемой в мин^-1, в 10 раз. Если передаточное число ременной передачи обозначить i, то частота переменного тока, выраженная через частоту вращения коленчатого вала двигателя n_дв , определяется выражением:

.

Выражение показывает, что по частоте переменного тока можно измерять частоту вращения коленчатого вала двигателя. Это используют в схемах подключения тахометров, а также для формирования сигналов управления различных устройств автоматики.

Схема генераторной установки приведена на рис. 3.2, а. В состав схемы входят обмотка статора, выпрямитель D₁ ÷ D₈, обмотка возбуждения (ОВ), выпрямитель в цепи ОВ D₉ ÷ D₁₁, регулятор напряжения, аккумуляторная батарея Е_б и нагрузка R_н. Обмотка статора – трехфазная. Обмотки фаз часто называют фазами генератора. Фазы генератора, как правило, соединяют в «звезду», так как при этом линейное напряжение в раз больше фазного. Токи и напряжения фаз имеют равные частоты и амплитуды, но смещены друг относительно друга по фазе на 120º (рис. 3.2, б).

Выпрямитель в цепи нагрузки D₁ ÷ D₈ – трехфазный двухполупериодный. Выпрямленное напряжение пульсирующее, с кратностью пульсаций m = 6, средним значением выпрямленного напряжения

и коэффициентом пульсаций К_п = 0,057.

Наличие аккумуляторной батареи сглаживает пульсации напряжения в бортовой сети автомобиля. При этом ток в самой батарее пульсирует. Диоды D₇, D₈ образуют дополнительное плечо выпрямителя в цепи нейтрального провода. Это позволяет увеличить номинальную мощность генератора.

Обмотка возбуждения подключена к собственному выпрямителю на диодах D₉ ÷ D₁₁. Эти диоды препятствуют протеканию через ОВ тока аккумуляторной батареи при неработающем двигателе.