Лабораторная работа №2 исследование системы электроснабжения автомобиля

Цель работы: изучить систему электропитания автомобиля и взаимодействие ее основных частей – генератора, регулятора напряжения, аккумулятора и нагрузки.

Оборудование: диагностический стенд КАД-400-02, мультитестер, электроизоляционные перчатки.

2.1 Теоретическая часть

2.1.1 Общие сведения

Основным источником энергии на автомобиле при работающем двигателе является генератор. При неработающем – питание потребителей осуществляется от аккумуляторной батареи. В процессе эксплуатации автомобиля возможен режим, когда мощность подключенных потребителей превышает мощность генератора. В этом случае недостающую мощность компенсирует батарея, работающая параллельно с генератором.

В состав системы (рис.2.1) входят: генератор Г, регулятор напряжения бортовой сети РН, аккумуляторная батарея АБ и потребители, выраженные их суммарным сопротивлением R_H. Другие обозначения, имеющиеся на рис.2.1 : ОВ и СТ – обмотка возбуждения и статор генератора соответственно; ВБ – выпрямительный блок.

На рис.2.2 в одной системе координат показаны характеристики: U_АБ =f₁ (J_Б) – вольт-амперная характеристика АБ (ВАХ); U_Г = f₂(J_Г) – внешняя характеристика генератора переменного тока, работающего совместно с регулятором напряжения (ВАХ генератора).

Следует обратить внимание на то, что внешняя характеристика генератора, работающего в системе автоматического регулирования напряжения бортовой сети, идет практически параллельно оси токов до некоторого максимального значения J_Гmax . Эта величина зависит от настройки регулятора напряжения.

Рисунок 2.1 - Структурная схема системы электроснабжения автомобиля

При параллельной работе генератора и АБ, в зависимости от величины нагрузки, возможны следующие состояния системы:

1. Двигатель автомобиля не работает, ротор генератора не вращается. В этом случае АБ отдает ток в нагрузку. Участок а – б ВАХ аккумуляторной батареи. При J_H=0 напряжение бортовой сети U_БС равно ЭДС батареи (точка Е).

2. Двигатель автомобиля работает, ротор генератора вращается J_H=0. Напряжение U_БС равно регулируемому U_рег, которое определяется установкой регулятора РН. Ток J_Г весь идет на заряд J₃₂ АБ (точка 1)

3. Нагрузка включена. Напряжение U_БС равно регулируемому. Ток генератора J_Г=J₃₂+J_H (точка 2). С увеличением нагрузки точка 2 будет перемещаться на характеристике U_Г=f₂(J_Г). Ток J₃₂ будет постоянным до момента J_H+J_Г>J_Гmax. Если нагрузка возрастает и дальше (точка 3), то ток зарядки J₃ уменьшается, пока не станет равным нулю (точка 4). При такой нагрузке U_БС=Е. Последующее увеличение нагрузки приведет к тому, что U_БС станет меньше Е и нагрузку будут питать АБ и генератор совместно: J_Н=J_Г+J_Р (точка 5).

Из приведенного анализа работы системы электроснабжения видно, что существуют режимы, когда АБ отдает энергию потребителям, а когда восстанавливает (подзаряжается). При этом мощность установленного на автомобиле генератора должна быть такой, чтобы обеспечивался положительный зарядный баланс батареи, т.е. количество электричества, полученное при заряде, должно полностью компенсировать количество электричества, отданное при разряде.

Рисунок - 2.2. Совмещенные ВАХ аккумулятора и генератора

Важнейшим элементом системы электроснабжения является генератор. Генераторы могут быть постоянного и переменного тока. Первые из них в настоящее время не применяются на автомобилях из-за низких массагабаритных показателей. Название «генератор переменного тока» несколько условно и касается особенностей внутренней конструкции генератора, заключающийся в том, что она снабжена встроенным выпрямителем, и генератор питает потребителей уже выпрямленным однополярным напряжением. Принцип действия генератора поясняется рис.2.3.

Генератор представляет собой синхронную электрическую машину, принцип действия которой состоит в следующем.

При включении замка зажигания на обмотку возбуждения 5 подается ток через щетки 2 и токосъемные кольца 1. Этот ток, проходя по обмотке, создает магнитный поток Ф, рабочая часть которого распределяется по клювообразным полюсам ротора. Выйдя из полюсов, магнитный поток пересекает воздушный зазор δ между статором и ротором, проходит по обмотке 4 статора, еще раз пересекает воздушный зазор, входит в полюса другой полярности и замыкается через втулку и вал.

Рисунок 2.3 - Генератор переменного тока: 1 – токосъемные кольца; 2 – щетки; 3 – изолятор; 4 – обмотка статора; 5 – обмотка возбуждения; 6 - магнитопроводящая втулка; 7 – вал ротора; 8 – полюса ротора

Обмотки 4 расположены в зубцах статора. При вращении ротора под каждым зубцом статора проходит попеременно то положительный, то отрицательный полюс ротора. Таким образом, магнитный поток, пересекающий обмотку статора, меняется по величине и направлению. При этом согласно закону электромагнитной индукции в обмотке статора будет наводиться ЭДС.

Форма и размеры полюсов статора и ротора выбраны так, что при вращении ротора магнитный поток меняется синусоидально. Тогда ЭДС статора также будет синхронно меняться по гармоничному закону и в нагруженной обмотке появится переменный электрический ток. В статоре автомобильного генератора расположена не одна, а три обмотки, соединенные в звезду, поэтому генератор генерирует трехфазный переменный ток, который выпрямляется трехфазным мостовым двухполупериодным выпрямителем.

Выходное напряжение генератора пропорционально величине ЭДС статорной обмотки, которая выражается формулой:

E = 4,44 f w k i_s , (2.1)

где f ‑ частота вращения ротора; w – число витков обмотки статора; k ‑ постоянный коэффициент; i_s ‑ ток возбуждения ротора.

Если генератор имеет нагрузку J_H , то фазное напряжение будет равно:

U = 4,44 f w k i_s - Z₀J_H , (2.2)

где Z₀ ‑ модуль полного сопротивления генератора.

Модуль полного сопротивления зависит от частоты f , активного сопротивления R, индуктивности L обмотки статора и выражается формулой:

Z₀ = (2.3)

Подставляя Z₀ в предыдущую формулу, получим:

U = 4,44 f w k i_s - J_H · (2.4)

Анализируя это выражение, можно сделать выводы:

1. С увеличением нагрузки J_H выходное напряжение генератора уменьшается (f, i_s = const).

2. С увеличением тока возбуждения i_в выходное напряжение увеличивается (f, J_H= const).

3. С увеличением скорости вращения ротора выходное напряжение увеличивается стремясь к некоторому пределу.

Поясним последний вывод. С увеличением частоты вращения ротора генератора и, следовательно, с увеличением частоты f индуцированного в обмотке статора переменного тока увеличивается индуктивное сопротивление обмотки статора Вследствие этого с увеличением частоты вращения напряжение генератора увеличивается, асимптотически стремясь к некоторому предельному значению. На этом основано свойство самоограничения максимального тока генератора.