5. Запитання для самоперевірки

1. Дайте загальну характеристику автомобільного генератора змінного струму.

2. Які існують автомобільні генератори?

3. З яких основних елементів складається автомобільний генератор змінного струму?

4. Назвіть та поясніть переваги автомобільного генератора змінного струму;

5. Опишіть будову генератора змінного струму;

6. Поясніть принцип роботи генератора змінного струму;

7. Призначення будова та функціонування випрямителя;

8. Поясніть ефект самообмеження струму навантажування в генераторах змінного струму;

9. Як утворюється процес самозбудження генератора?

10. Які параметри визначають рівень напруги на виході генератора?

11. Наведіть схему генератора.

12. Назвіть основні вивідні клеми генератора.

Список використаних джерел

1. Сажко В. А. Електрообладнання автомобілів: Підручник. – К. : Каравела, 2009. – 400 с.

2. Под ред.. М. Н. Фесенко и др. Теория, конструкція и расчет автотракторного электрооборудования. Учебник для машиностроительных техникумов по специальности "Автотракторное электрооборудование". – М. Машиностроение, 1979. – 344 с., ил.

Практична робота № 5, 6, 7

Тема: Основи розрахунку автотракторних генераторів.

Мета: Засвоїти основи розрахунку автотракторних генераторів.

Обладнання: 1. Генератор змінного струму.

Порядок виконання роботи

1. Позааудиторна підготовка до практичної роботи:

1.1 використовуючи конспекти лекцій, підручники і навчальні посібники, методичні вказівки, а також доступний довідковий матеріал:

• ознайомитись з основи розрахунку автотракторних генераторів;

• підготувати необхідний матеріал для виконання роботи;

• ознайомитись з навчальною літературою:

1. Под ред.. М. Н. Фесенко и др. Теория, конструкція и расчет автотракторного электрооборудования. Учебник для машиностроительных техникумов по специальности "Автотракторное электрооборудование". – М. Машиностроение, 1979. – 344 с., ил. (с. 119 - 133)

1.2 у процесі попередньої підготовки до роботі в лабораторії знайти відповіді на контрольні питання методичних вказівок.

2. Робота в лабораторії:

2.1 Ознайомлення з методикою розрахунку генератора, отримання консультації у викладача.

2.3 Самостійне виконання роботи.

2.4 Оформлення та складання звіту про виконану роботу.

Методичний матеріал до практичної роботи

Проектування автотракторних генераторів здійснюється з урахуванням галузевих стандартів по розрахунку балансу електроенергії автомобілів, автобусів і тракторів.

Особливості розрахунку автотракторних генераторів визначені умовами роботи, а саме широким діапазоном зміни частоти обертання і навантаження. Напруга генератора підтримується постійним за допомогою регулятора напруги.

Вибір (визначення) потужності генератора здійснюється наступним чином.

Спочатку визначають розраховане навантаження від споживачів:

,

де - еквівалентний струм споживача;

- номінальний струм споживача;

- коефіцієнт часу роботи споживача відносно часу роботи двигуна;

- коефіцієнт навантаження.

Потім визначають необхідний номінальний струм генератора:

,

де ПР = 0,1 – 0,2 – відносний час розряду акумуляторної батареї.

Необхідна номінальна потужність генератора постійного струму:

.

Враховуючи особливості роботи генератора на автомобілі, генератор постійного струму можливо характеризувати наступними режимами:

• холостого ходу, при якому магнітна індукція у повітряному зазорі і на ділянках магнітопроводу має максимальне значення;

• розрахунковий, при якому генератор має максимальне теплове навантаження;

• максимальної частоти і навантаження, при якому умови комутації є найгіршими.

Автотракторні генератори постійного струму, як правило, працюють з обмежувачами струму. Для вентилюємого генератора найбільш тяжким тепловим режимом є режим початку роботи обмежувача струму, коли генератор при певній частоті обертання починає розвивати номінальну потужність. При цій частоті обертання відношення потужності генератора до частоти обертання має максимальне значення. Цей режим є і номінальним, і розрахунковим.

Генератор постійного струму забезпечує зарядний баланс, якщо відомі , , . Тому при визначені основних розмірів генератора і обмоткових даних якоря краще використовувати наступні співвідношення:

• для режиму номінального навантаження;

• для режиму холостого ходу.

Практикою проектування розглядаємих генераторів встановлені раціональні значення , А в залежності від діаметру якоря (рисунок 1).

Рисунок 1 Залежності електромагнітних навантажень від діаметру якоря для автотракторних генераторів:

а – лінійне навантаження; б – магнітна індукція

Коефіцієнт полюсного перекриття при відсутності додаткових полюсів дорівнює 0,65 – 0,75 (більші значення відносяться до двополюсних генераторів).

Електромагнітну потужність можливо визначити через ККД і номінальну потужність генератора :

.

Наведене співвідношення засноване на тому, що в малопотужних генераторах постійного струму тривалого режиму електричні втрати складають приблизно половину загальних втрат. Для генераторів потужністю 500-1000 Вт можливо прийняти η= 0,7 – 0,8.

До особливостей розрахунку генераторів постійного струму (по зрівнянню з розрахунком стартерів) необхідно віднести наступне:

• розрахунок основних розмірів і магнітного кола генератора виконують по електромагнітній потужності при n = .

• втрати і нагрів генератора розраховують по експлуатаційній частоті обертання якоря і номінальному навантаженні;

• комутацію перевіряють при максимальній частоті обертання якоря.

Особливості розрахунку вентильних генераторів пов’язані з випрямленням потужності, наявністю клювоподібних полюсів, малим числом пазів на полюс і фазу. Необхідно також враховувати, що робота відбувається при зміні частоти обертання і навантаження у широких межах. При цьому напруга генератора підтримується постійним посередництвом регулятора напруги. При проектуванні вентильного генератора для забезпечення позитивного зарядного балансу задаються струмошвидкістною характеристикою.

Вентильні генератори з клювоподібним ротором працюють з самообмеженням, і їх струмошвидкісна характеристика може бути описана рівнянням:

Так як ці генератори самовентилюємі, то максимальне теплове навантаження має місце при максимальному відношенні розвинутої потужності до частоти обертання. Тому роботу вентильного генератора можливо характеризувати наступними режимами:

• холостого ходу, при якому магнітна індукція у повітряному зазорі і на ділянках індуктора максимальна;

• розрахунковий, при якому генератор має граничне теплове навантаження;

• максимального струму.

Виконані розрахунки показали, що практично генератор забезпечує струмошвидкісну характеристику , якщо отримані задані , при ( ), (рисунок 1А).

Тому вибір основних розмірів генератора і обмоткових даних якоря витікає з математичної моделі усталених режимів роботи генератора: холостого ходу, короткого замикання і розрахункового.

Рисунок 1А Струмошвидкістна характеристика вентильного генератора

Для режиму холостого ходу:

,

де - діаметр розточки якоря;

- розрахункова довжина якоря;

- магнітна індукція у зазорі при холостому ході;

- число витків у фазі обмотки якоря.

Для режиму короткого замикання приймаємо, що струм короткого замикання дорівнює максимальному струму:

,

де - синхронний індуктивний опір;

- коефіцієнт магнітного насичення.

Синхронний індуктивний опір:

,

де - сумарна провідність поля розсіювання статора;

- коефіцієнт повітряного зазору;

- коефіцієнт форми поля продольної реакції якоря;

- коефіцієнт насичення магнітного кола.

Для режиму роботи генератора з максимальним відношенням потужності до частоти обертання основне розрахункове рівняння можливо представити наступним чином:

,

де - електричне і магнітне навантаження у розрахунковому режимі;

- струм фази і частота у розрахунковому режимі;

- коефіцієнт, визначаємий відношенням результуючої ЕРС при розрахунковому навантаженні до фазної напруги.

Рисунок 2 Магнітне коло автотракторного генератора з клювоподібним ротором

Сумісне розв’язання наведених рівнянь дозволяє у першому наближенні визначити основні розміри генератора , і число витків фази . У загальному випадку визначення розмірів генератора можливо тільки методами ітерації.

Розглянемо питання, пов’язані з перевірочним розрахунком вентильного генератора при відомій магнітній системі і обмоткових даних, а саме:

• розрахунок магнітного кола і характеристики холостого ходу;

• розрахунок струмошвидкістною характеристики.

Під час розрахунку магнітного кола генератора з дзьобоподібним ротором необхідно враховувати потоки розсіювання, які сумірні з робочим магнітним потоком (рисунок 2).

Схема заміщення магнітного кола генератора з дзьобоподібним ротором наведена на рисунку 3. На схемі позначені магнітні опори наступних ділянок магнітопроводу:

- зубцевого шару;

- спинки статора;

- повітряного зазору;

- дзьобу;

- на ділянці згину дзьобу;

- збірного кільця;

- втулки;

- стику.

Рисунок 3 Схема заміщення магнітного кола автотракторного генератора з дзьобоподібним ротором

Основними є наступні магнітні потоки:

- у повітряному зазорі;

- між полюсного розсіювання;

- магнітного потоку розсіяння, який проходить упоперек пластин якоря;

- зовнішнього розсіяння ротора, який проходить навколо машини;

- розсіяння, яке проходить по котушці збудження;

- збудження.

Кожному магнітному потоку відповідають провідності G. Потоки розсіювання на відповідних ділянках можливо визначити по магнітним

провідностям G і магнітній напрузі цих ділянок. Розрахунок провідності являє собою складну задачу. Тому по аналогу з розрахунком електричних машин постійного струму для визначення магнітного потоку на визначених ділянках вводять коефіцієнти розсіювання. Коефіцієнт розсіювання вказує, у скільки разів збільшується магнітний потік у розсіюємому перетині по відношенню до потоку у повітряному зазорі, тобто

, (1)

де - магнітний потік у розглядаємому перетині Х.

Практикою проектування встановлені залежності коефіцієнтів розсіювання для різних ділянок магнітопроводу від розмірів машини (рисунок 4).

Рисунок 4 Залежність коефіцієнтів розсіювання від розмірів якоря генератора в перетинах

Тут - коефіцієнт розсіювання у перетинах Ι-Ι, - у перетині ΙΙ-ΙΙ,

- у перетині ΙΙΙ-ΙΙΙ, - у перетині ΙV-ΙV.

З наведених кривих випливає, що при малих значеннях (малих потужностях) потоки розсіювання сумірні з величиною робочого потоку .

Повздовжній перетин генератора наведено на рисунку 5.

Рисунок 5 Повздовжній перетин генератора з дзьобоподібним ротором

а – при ; б – при

Рорахунок магнітного кола виконують на пару полюсів при

При цьому задаються декілька ми значеннями фазної ЕРС в межах від 0,5 до 1,25 , величина якої визначається через номінальну випрямлену напругу :

,

де - пряме падіння напруги на діоді;

- коефіцієнт схеми випрямлення (для однонапівперіодних схем випрямлення і для з’єднання обмоток генератора у багатокутник );

- коефіцієнт випрямлення (при m = 3 =1,35);

- кут комутації;

m – число фаз комутатора.

Магнітний потік у повітряному зазорі при синусоїдальній формі поля (k=1,11) визначають за формулою:

,

де - обмоточний коефіцієнт для першої гармоніки;

- коефіцієнт розподілення для першої гармоніки;

-коефіцієнт укорочення кроку обмотки для першої гармоніки;

- відносний крок обмотки.

Для трифазних генераторів обмоткові коефіцієнти при q = 0,5, q=1, q= 2 відповідно рівні 0,866; 1; 0,966.

Магнітна індукція у повітряному зазорі:

,

де - площа повітряного зазору, ;

- відповідно максимальна і мінімальна ширина полюса (дзьоба), м;

- довжина активної частини полюса, яка знаходиться під пакетом статора, м.

МРС повітряного зазору:

.

Магнітна індукція зубця статора:

,

де - ширина зубця;

= 0,9 – 0,95 – коефіцієнт заповнення пакету статора сталлю.

МРС зубців статора:

,

де - висота зубця статора;

- напруженість магнітного поля у зубцях, визначаєма по кривій намагнічування матеріалу статору і залежить від магнітної індукції у зубці статора.

Магнітна індукція у ярмі статора:

,

де , - зовнішній діаметр і довжина ярма статора.

МРС ярма статора:

,

де - товщина ярма;

- напруженість магнітного поля у ярмі.

Магнітний потік полюсного наконечника:

.

Коефіцієнт розсіювання визначається з графіку на рисунку 4.

Магнітна індукція у розрахованому перетині полюсного наконечника (дзьоба):

.

МРС полюсного наконечника:

де - середня довжина силової лінії поля, яке проходить по полюсу.

Магнітний потік на ділянці згину полюсного наконечника:

.

Коефіцієнт розсіювання також визначають за графіком рисунок 4.

Магнітна індукція на ділянці згину полюсного наконечника:

,

де - площа перетину на ділянці згину полюсного наконечника, перпендикулярна до основної магнітної силової лінії.

МРС на ділянці згину полюсного наконечника:

.

Магнітний потік збірного кільця:

.

Магнітна індукція збірного кільця:

,

де - площа збірного кільця;

- зовнішній діаметр втулки;

- товщина збірного кільця.

МРС збірного кільця:

.

Магнітний потік втулки:

.

Магнітна індукція на ділянці згину втулки:

,

де - площа перетину на ділянці згину втулки, перпендикулярного до основної магнітної силової лінії.

МРС на ділянці згину втулки:

,

де - середня довжина силової лінії згину втулки.

Магнітна індукція стику втулки з полюсною системою:

,

де - перетин втулки, який припадає на полюс.

МРС стику втулки з полюсною системою (збірним кільцем):

,

де 0,025 – 0,05· м.

Магнітна індукція втулки:

.

МРС втулки:

Визначив МРС на окремих ділянках магнітопроводу, можливо підрахувати сумарну МРС (МРС обмотки збудження), необхідну для наведення :

(2)

Виконані розрахунки дозволяють побудувати характеристику холостого ходу синхронного генератора при і .

Враховуючи формулу , можливо побудувати і характеристику холостого ходу вентильного генератора при і .

В основу розрахунку струмошвидкісної характеристики вентильного генератора покладено основне рівняння синхронної машини, векторна діаграма і характеристика холостого ходу.

Відомо, що при симетричному навантаженні для кожної фази обмотки якоря синхронного генератора:

, (3)

де - діюче значення напруги фази якоря;

- ЕРС продольної і поперечної реакції якоря;

- ЕРС розсіювання обмотки якоря;

- діюче значення струму фази обмотки якоря;

- індуктивні опори реакції якоря по прокольній і поперечній осям;

- індуктивний опір розсіювання обмотки якоря;

- активний опір обмотки якоря;

- продольні і поперечні складові струму обмотки якоря.

Рисунок 6 Характеристика холостого ходу синхронного генератора

Векторна діаграма ЕРС синхронного генератора при симетричному навантаженні (діаграма Блонделя), яка відповідає рівнянню (3), зображена на рисунку 7, а. Якщо на цій діаграмі продовжити вектор вверх до перетинання з продовженням вектору , то отримаємо трикутник, гіпотенуза якого дорівнює , де 𝜓 – фазовий зсув між силою струму якоря і викликав шиєю його ЕРС .

У вентильних автотракторних генераторів навантаження близьке до активного, тому можливо прийняти cosφ = 1(рисунок 7, б).

Рисунок 7 Векторна діаграма синхронного генератора : а - cosφ ≠ 1;

б - cosφ = 1

Тоді для визначення ЕРС холостого ходу або ЕРС по прокольній осі при навантаженні достатньо знати , , параметри обмотки якоря , і характеристику холостого ходу (дивись рисунок 6).

Для визначення (рисунок 8, а) проводять вектор і співпадаючі за напрямком вектор а напруги і падіння напруги на активному опорі фази . Під кутом 90 º відкладають вектор індуктивного падіння напруги . В результаті отримують вектор, який характеризує ЕРС потоку у повітряному зазорі . Потім за напрямком вектора відкладають величину , яку визначають за характеристикою холостого ходу (рисунок 8, б). Для цього розраховують:

де - МРС реакції якоря;

- коефіцієнт приведення МРС реакції якоря по поперечній осі до МРС обмотки збудження(рисунок 9).

Рисунок 8 До розрахунку струмошвидкісної характеристики:

а – векторна діаграма Блонделя при cosφ = 1; б – характеристика холостого ходу генератора

З ’єднуючи кінець вектора з крапкою О (дивись рисунок 7), визначаємо напрямок векторів ЕРС по прокольній осі і холостого ходу , а відповідно, і кут 𝜓.

Рисунок 9 Залежність коефіцієнтів від коефіцієнта полюсного перекриття

Величина ЕРС визначається по діаграмі відрізком ОВ (відрізок, відсікаємий перпендикуляром, який проведено з крапки А по напрямку вектора ).

З іншого боку, ЕРС по прокольній осі можливо визначити по характеристиці холостого ходу і результуючій МРС (дивись рисунок 8, б), якщо відома МРС обмотки збудження і МРС прокольної реакції якоря:

,

де - коефіцієнт приведення МРС реакції якоря по продольній осі до МРС обмотки збудження (дивись рисунок 9).

І так, суть розрахунку струмошвидкісної характеристики при cosφ = 1полягає у виборі таких пов’язаних одне з одним значень , при яких ЕРС , визначені по діаграмі Блонделя і характеристиці холостого хода , при n=const були б рівні. Таке рівняння можливе, якщо є відповідні точки на струмошвидкісній характеристиці, діаграмі Блонделя і характеристиці холостого ходу.

При розрахунках характеристики необхідно перейти від випрямлених значень до фазних значень струму і напруги :

.

Але із-за труднощів визначення коефіцієнта і кута комутації вентиля при розрахунках рекомендують використовувати експериментально побудовані залежності =f( ) при (рисунок 10).

Для розрахунку струмошвидкісної характеристики необхідно знати індуктивний опір розсіювання і активний опір обмотки якоря (статора).

Індуктивний опір розсіювання котушки, яка лежить у пазах статора, визначають за формулою:

,

де - число витків котушки;

;

- питомі провідності відповідно пазового, диференціального, лобового розсіювання і розсіювання коронок зубця.

Рисунок 10 Залежності фазної напруги від випрямленого струму генератора: 1 – для генераторів потужністю до 700 Вт при ; 2- для генераторів потужністю до 1200 Вт при ; 3 - для генераторів потужністю до 1500 Вт при ; 4 - для генераторів потужністю до 3000 Вт при

Питома провідність пазового розсіювання залежить тільки від геометричних розмірів пазу. Його значення визначається по потокозчепленню індукційних ліній, проходячих поперек пазу, з провідниками лежачими у пазу. Звичайно при визначенні нехтують магнітним опором індукційних трубок пазового розсіювання поза пазом і вважають, що опір для них визначається тільки відстанню між стінками пазу і вусиками. Питомі провідності пазового розсіювання визначають в залежності від пазу:

– для пазу рисунок 11, а;

- для пазу рисунок 11, б;

- для пазу рисунок 11, в.

Д иференціальне розсіювання обумовлено вищими просторовими гармоніками якоря, які у обмотці якоря індукують ЕРС розсіювання з тією ж частотою, що і перша гармонійна складова поля.

Рисунок 11 Форма пазів якоря генератора з дзьобоподібним ротором

При малому числі пазів на полюс і фазу, особливо при q , магнітне поле відрізняється від синусоїдального, тобто характеризується більшим числом вищих гармонійних складових. Тому у таких електричних машинах необхідно враховувати

Провідність диференціального розсіювання визначають за формулою:

,

де - коефіцієнт диференціального розсіювання (при q=0,5; q=1; q=2 відповідно );

- коефіцієнт демпфірування, рівний 0,6 0,8;

= - коефіцієнт насичення магнітного кола (визначається за характеристикою холостого ходу), дорівнює 1,5 2,0.

Питому провідність лобового розсіювання з урахуванням типу обмотки розраховують за формулою:

,

де (при q = 0.5), (при q = 1,0; 2,0) – величина відносного кроку обмотки.

Розсіювання по коронкам зубців визначається геометрією зубцевої зони:

, (

де - ширина прорізу пазу.

При послідовному з’єднанні котушок індуктивний опір фази:

,

а при паралельному з’єднанні:

.

Активний опір фази обмотки якоря :

- при послідовному з’єднанні котушок,

- при паралельному з’єднанні котушок,

де - опір однієї котушки;

- число котушок у фазі.

Активний опір котушки:

,

де - середня довжина витка у котушці.

Стосовно до вентильного генератора, схема якого зображена на рисунку 11А, струмошвидкісна характеристика розраховується наступним чином:

Рисунок 11А Принципова схема вентильного генератора

1. Задаються декількома значеннями струму навантаження від до , де - розрахункове значення випрямленного струму;

2. Для вибраних струмів навантаження визначають струм, який віддає генератор .

3. Для кожного значення визначають:

- фазний струм генератора по формулі ;

- фазну напругу генератора (дивись рисунок 10);

- активне падіння напруги в обмотці якоря ;

- суму напруг (дивись рисунок 8, а ).

4. Для кожного значення задаються декількома значеннями частоти обертання ротора

Для обраних частот визначають:

- індуктивний опір розсіювання ;

- індуктивне падіння напруги ;

- відношення ;

- суму напруг ;

- кут зсуву фаз між струмом і ЕРС за формулою (дивись рисунок 8):

,

і .

ЕРС по прокольній осі від сумарної дії основного поля і поля прокольної реакції якоря по діаграмі Блонделя:

;

МРС обмотки збудження ;

МРС продольної реакції якоря

де - коефіцієнт приведення МРС реакції якоря по продольній осі до МРС обмотки збудження (дивись рисунок 9);

МРС від сумарної дії обмотки збудження і прокольної реакції якоря

;

ЕРС по прокольній осі від сумарної МРС визначають по характеристиці холостого ходу, наприклад, при n=1000об/хв;

ЕРС по продольній осі при розглядаємому значенні частоти обертання

;

різницю ЕРС , визначає мій по діаграмі Блонделя і по характеристиці холостого ходу , .

5. Для кожного значення будують залежність (рисунок 12)

Крапка перетинання цієї кривої з осью абсцис і визначає частоту обертання для розглядаємого значення струму навантаження генератора . Значення і так далі необхідно вибирати таким чином, щоб функція перетинала вісь абсцисс.

Рисунок 12 Для визначення частоти обертання при заданому значенні