Тема 2.6 « Электрооборудование»

Автомобильный генератор — устройство, обеспечивающее преобразование механической энергии вращения коленчатого вала двигателя автомобиля в электрическую.

Автомобильный генератор используется для зарядки автомобильного аккумулятора, а также для питанияэлектропотребителей, таких как система зажигания, автомобильная светотехника, бортовой компьютер, система диагностики и другие. К автомобильным генераторам предъявляют высокие требования по надёжности, так как генератор обеспечивает бесперебойную работу большинства компонентов современного автомобиля.

[править]Устройство и общий принцип работы

На первых автомобилях применяли коллекторные генераторы постоянного тока, коллекторный узел который был малонадёжным. Но с появлением мощных выпрямительных полупроводниковых диодов от этой схемы ушли к более надёжному варианту с генератором переменного тока и выпрямителем, помимо прочего, примерно вдвое снизился вес генератора при той же мощности.

В современных автомобилях применяются синхронные трёхфазные электрические машины переменного тока, а в выпрямителе применяют трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова.

Из-за переменной частоты вращения двигателя автомобиля и переключений электропотребителей в бортовой сети, становится необходимым поддержание уровня напряжения. Для этих целей используется регулятор напряжения, управляющий током в обмотке возбуждения генератора.

Для того, чтобы генератор после запуска двигателя начал вырабатывать электрическую энергию, необходимо подать напряжение на обмотку возбуждения. Это происходит при повороте ключа замка зажигания в положение «ON». Ток в обмотке возбуждения регулируется регулятором напряжения (в некоторых автомобилях — отдельный узел, установленный в моторном отсеке, во многих современных встроен непосредственно в генератор). Ротор генератора приводится в движение через шкивот клинового ремня. Создаваемое обмоткой возбуждения электромагнитное поле индуцирует электрический ток в силовой обмотке.

Напряжение бортовой сети при работающем генераторе и исправном регуляторе напряжения поддерживается на уровне 13,5-14,5 В. Это выше уровня напряжения аккумулятора, что вызывает небольшой выравнивающий ток осуществляющий заряд батареи.

Почему, кстати, 14 вольт? Аккумулятор ведь вроде 12-вольтовый, электрика вся тоже называется «двенадцативольтовой»? Дело в хитром устройстве аккумулятора. Если ограничить напряжение генератора 12 вольтами, аккумулятор будет постоянно стремиться отдать свой ток в сеть, естественно, постоянно разряжаясь. Слегка повышенное напряжение заставляет его … начать, наоборот, заряжаться от генератора.^[1]

На автомобилях с дизельными двигателями напряжение бортовой сети составляет, как правило, 24 вольта. Устанавливаются соответственно 24-вольтовые генераторы. На старых автомобилях и мотоциклах напряжение в бортовой сети составляло 6 вольт, генераторы тоже были 6-вольтовые.

Генераторы постоянного тока

Двигатель автомобиля ГАЗ-63 Под цифрой 5 — генератор постоянного тока, под цифрой 16 — реле-регулятор.

На старых автомобилях (ГАЗ-51, ГАЗ-69, ГАЗ-М-20 «Победа» и многих других) устанавливались генераторы постоянного тока.

На полюсах генератора (находятся на статоре), выполненных из электротехнической стали, находится обмотка возбуждения. На якоре генератора — силовая обмотка, с которой электрический ток снимается посредством коллектора с щётками. Обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены параллельно, в цепь обмотки возбуждения включен реле-регулятор.

Реле-регулятор состоит из трёх электромагнитных реле:

1. Регулятор напряжения (на электрических схемах сокращённо обозначается РН) уменьшает магнитный поток в обмотке возбуждения (на статоре); обмотка реле включена последовательно с обмоткой возбуждения. При повышении напряжения на генераторе выше расчётного предела (например более 14,5 вольт) электромагнитное реле срабатывает и последовательно обмотке возбуждения включается дополнительное сопротивление, ограничивающее ток возбуждения, уменьшается магнитный поток, и, следовательно, напряжение на генераторе уменьшится. При уменьшении напряжения ниже расчётного электромагнитное реле шунтирует дополнительное сопротивление, ток в обмотке возбуждения возрастает, возрастает магнитный поток и напряжение на генераторе повышается. Поскольку процесс протекает с большой частотой, напряжение в бортовой сети автомобиля остаётся почти постоянным.

2. Ограничитель тока (сокращённо ОТ) — электромагнитное реле, не позволяющее току генератора превышать расчётную величину. Обмотка ограничителя тока включена последовательно между генератором и потребителями. При достижении током расчётной силы, а значит и в обмотке ограничителя тока реле срабатывает и в цепь обмотки возбуждения включается дополнительное сопротивление, уменьшается ток возбуждения, уменьшается напряжение на генераторе, а следовательно, уменьшается ток, отдаваемый генератором. При отключении потребителей ограничитель тока поддерживает постоянную величину зарядного тока аккумуляторной батареи. При включении потребителей электроэнергии зарядный ток будет уменьшаться в зависимости от сопротивления нагрузки. При этом, если ток внешней цепи превышает максимально допускаемый ограничителем тока, то, кроме тока генератора, во внешнюю цепь пойдёт ток из аккумуляторной батареи, то есть батарея будет разряжаться.

Ограничитель тока и регулятор напряжения работают не одновременно. Пока ток, отдаваемый генератором не достигнет допускаемой максимальной величины, работает только регулятор напряжения. Когда ток генератора достигнет предельной величины, ограничитель тока включает дополнительное сопротивление, а регулятор напряжения перестаёт работать.

3. Реле обратного тока (сокращённо РОТ). При длительном прохождении тока из батареи через генератор могут перегреться обмотки, кроме того, бесполезно разряжается аккумулятор. Назначение реле обратного тока — автоматически отключать генератор от внешней цепи, когда его напряжение станет меньше напряжения батареи и включать генератор, как только напряжение генератора превысит расчётную величину.

Если на панели приборов установлена контрольная лампа работы генератора (зажигается при низком напряжении генератора, когда расходуется энергия аккумулятора) — устанавливается четвёртое реле (обычно выполняется в отдельном корпусе) — реле включения контрольной лампы.

В СССР серийно выпускались только вибрационные реле-регуляторы (с электромагнитными реле), в 1970-е — 1980-е годы отмечено появление радиолюбительскихконструкций на полупроводниковых приборах (публиковались в журналах «Радио», «За рулём», «В помощь радиолюбителю».

Генераторы переменного тока

Автомобильный генератор переменного тока. Приводной ремень снят.

На современных автомобилях применяются синхронные трёхфазные генераторы переменного тока с встроенным полупроводниковым трёхфазным выпрямителем.

Ротор автомобильного генератора переменного тока имеет обмотку возбуждения (у генератора постоянного тока обмотка возбуждения находится на сердечниках полюсов), ток подводится через щётки и контактные кольца. Статор имеет три обмотки, соединённые «звездой». Снимаемый со статора ток выпрямляется шестью полупроводниковыми диодами (встроены в выпрямительный щит) и становится постоянным. Далее выпрямленный ток поступает в бортовую электросеть автомобиля.

Регулятор напряжения регулирует ток обмотки возбуждения таким образом, чтобы напряжение, снимаемое с генератора было как можно более стабильным.

Регуляторы напряжения генераторов переменного тока могут быть вибрационные (только электромагнитные реле), контактно-транзисторные (электромагнитные реле, управляемые транзисторной схемой) или бесконтактные (электромагнитное реле отсутствует, ток регулирует электронный ключ на транзисторах). Конструктивное исполнение — выполненные в отдельном корпусе или встроенные в генератор.

Например, на автомобиле ГАЗ-53 применяется контактно-транзисторный регулятор напряжения РР-362 (генератор Г-250), наВАЗ-2101 — вибрационный регулятор напряжения РР-380 (генератор Г-221), а на автомобиле Москвич-2140 — бесконтактный регулятор напряжения РР-362А, встроенный в генератор Г-250Ж.

Ограничитель тока, реле обратного тока и реле включения контрольной лампы генератора как таковые отсутствуют, с их работой справляются полупроводниковые диоды выпрямителя.

Применение генераторов переменного тока позволяет уменьшить габаритные размеры, вес генератора, повысить его надёжность, сохранив или даже увеличив его мощность по сравнению с генераторами постоянного тока.

Например, генератор постоянного тока Г-12 (автомобиль ГАЗ-69) весит 11 кг, номинальный ток 20 ампер, а генератор переменного тока Г-250П2 (автомобильУАЗ-469) при массе 5,2 кг выдаёт номинальный ток 28 ампер.

Генераторы на мото- и сельскохозяйственной технике

Трактор СХТЗ 15/30: 1 — магнето 2 — генератор постоянного тока с самовозбуждением (на тракторе не былоаккумулятора) 3 — пусковая рукоятка («кривой стартер») 4 — свечи зажигания(видны только три, четвёртая за генератором)

Расположение генератора намотоциклах BMW (вверху) и ИЖ-56(внизу)

На тракторах и иной сельскохозяйственной технике, не имеющей аккумуляторных батарей, устанавливаются генераторы с самовозбуждением (на основе постоянных магнитов). Так, на тракторе СХТЗ 15/30 (выпускался в 1930-е годы) устанавливался генератор постянного тока (двигатель запускался вручную, рукояткой); на тракторе ДТ-75 — генератор переменного тока (двигатель запускался бензиновым «пускачом». Регуляторы напряжения также устанавливались, иначе без них при высоких оборотах двигателя перегорали бы лампы накаливания.

На мототехнике с батарейной системой зажигания устройство и принцип действия генераторов не отличается от автомобильных. На старых мотоциклах стояли 6-вольтовые генераторы постоянного тока, на новых — 12-вольтовые генераторы переменного тока.

На мототехнике, не имеющей аккумуляторных батарей (например, мотоциклы «Минск», «Восход»), устанавливаются генераторы переменного тока с самовозбуждением.

На мотоциклах с продольным расположением двигателя (мотоциклы «Урал», «Днепр» и др.) генератор находится снаружи на картере, вращение от коленвала через шестерёнчатую илиременную передачу.

На мотоциклах с поперечным расположением двигателя (например, мотоциклы «ИЖ») ротор генератора насажен на передний конец коленчатого вала (правый по ходу движения), генератор находится в совмещённом картере двигателя и коробки передач, закрыт крышкой. Обычно с деталями генератора объединены детали системы зажигания (контакты прерывателя или датчик момента искрообразования бесконтактной электронной системы зажигания)

Автомобильный аккумулятор (для краткости может именоваться АКБ) — тип электрического аккумулятора, применяемый на автомобильном или мототранспорте. Используется для пуска двигателя, а также для обеспечения электроэнергией потребителей при неработающем двигателе или неисправном генераторе.

На электротранспорте является не вспомогательным источником энергии, а основным. Такие аккумуляторы принято называтьтяговыми.

Характеристики

Максимально возможный полезный заряд аккумулятора называется зарядной ёмкостью, или просто ёмкостью. Ёмкость аккумулятора — это заряд, отдаваемый полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ ёмкость аккумуляторов измеряют в кулонах, на практике часто используется внесистемная единица — ампер-час. 1 А⋅ч = 3600 Кл.

Реже на аккумуляторах указывается энергетическая ёмкость — энергия, отдаваемая полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ она измеряется в джоулях, на практике иногда используется внесистемная единица — ватт-час. 1 Вт⋅ч = 3600 Дж.

Электрические и эксплуатационные характеристики аккумулятора зависят от материала электродов и состава электролита. Сейчас наиболее распространены следующие аккумуляторы:

Тип	ЭДС(В)	Область применения
свинцово-кислотные(Lead Acid)	2,1	троллейбусы, трамваи, воздушные суда, автомобили, мотоциклы, электропогрузчики, штабелеры,электротягачи, аварийное электроснабжение, источники бесперебойного питания
никель-кадмиевые(NiCd)	1,2	замена стандартного гальванического элемента, строительные электроинструменты, троллейбусы,воздушные суда
никель-металл-гидридные (NiMH)	1,2	замена стандартного гальванического элемента, электромобили
литий-ионные(Li‑ion)	3,7	мобильные устройства, строительные электроинструменты, электромобили
литий-полимерные(Li‑pol)	3,7	мобильные устройства, электромобили
никель-цинковые(NiZn)	1,6	замена стандартного гальванического элемента