Системы зарядки
Требования к системе зарядки
Введение
«Токовые» потребности современных транспортных средств весьма значительны. Система зарядки должна быть в состоянии удовлетворить эти потребности на всех эксплуатационных режимах, и к тому же быстро заряжать батарею.
Главным компонентом системы зарядки является генератор переменного тока, и даже на самых современных автомобилях - это единственный компонент в системе зарядки (не считая связанной
с ним кабельной разводки). На рис. 6.1 показан генератор переменного тока общего применения. Генератор вырабатывает переменный ток, но на выходных клеммах должен присутствовать
постоянный ток, так как именно постоянный ток необходим для зарядки аккумуляторной батареи и питания электронных систем. Независимо от скорости вращения двигателя и текущей нагрузки
на выходе генератора переменного тока должно быть стабильное постоянное напряжение.
Если суммировать сказанное, система зарядки должна отвечать следующим критериям (при работающем двигателе);
♦ удовлетворять токовые потребности всех нагрузок;
♦ обеспечивать любые требования по току заряда для батареи;
♦ работать при холостых оборотах двигателя;
♦ выдавить постоянное напряжение при всех условиях;
♦ иметь эффективное соотношение между мощностью и весом;
♦ быть надежной, бесшумной и устойчивой к загрязнению;
♦ нуждаться в минимальном обслуживании;
♦ позволять диагностировать исправно; состояние.
Электрические нагрузки автомобиля
Нагрузки на электрогенератор можно разделить на три отдельные группы: постоянные, длительные и кратковременные (рис. 6.2). Система зарядки современного автомобиля должна справляться с высокими требованиями при множестве различных условий. Чтобы получить некоторое представление о необходимой мощности, сложите мощности, потребляемые каждым индивидуальным компонентом автомобиля и добавьте эту сумму к мощности, требуемой для зарядки батареи. В табл. 6.1 приведен список типичных потребностей в электроэнергии различных систем транспортного средства. Для сравнения дается потребление тока
(с точностью до 0,5 А) при 14 и 28 В (номиналы выходных напряжений генератора переменного тока для систем 12 В и 24 В).
В списке отсутствуют некоторые потребители, вроде предварительно подогреваемых каталитических конвертеров, электрических усилителей рулевого управления и обогревателей ветровых стекол. Этот список будет расширяться, и система зарядки должна будет обеспечить все новые потребности!
Кратковременные нагрузки возникают нечисто, а некоторые потребители энергии, вроде обогрева задних стекол и нагревателей сидений, как правило оснащаются реле с таймером. Поэтому
роли упрощения дальнейших вычислений к полной сумме требуемой мощности применен коэффициент 0.1. Предполагается, что транспортное средство будет использовать такую мощность при нормальных условиях движения.
Требование потребителей к генератору переменного тока — сумма постоянных нагрузок, длительных нагрузок и кратковременных нагрузок (с примененным коэффициентом). В этом примере:
180 + 260 -Н70 = 610 Вт (43 А при 14 В).
Следовательно, требования, предъявляемые к системе зарядки, весьма значительны. Эта нагрузка является дополнительной к току, требуемому для подзарядки батареи. В последующих разделах этой главы обсуждается, как удовлетворяются эти требования.
Принципы построения системы зарядки
Основные принципы
На рис. 6.3 показана система зарядки транспортного средства в виде трех узлов: генератора переменного тока, аккумуляторной батареи и нагрузок транспортного средства. Когда напряжение
электрогенератора меньше, чем напряжение батареи (двигатель работает на малых оборотах или не работает), направление тока — от батареи к потребителям транспортного средства. Диоды генератора «не пускают» ток внутрь генератора. Когда напряжение
генератора больше, чем напряжение батареи, ток будет течь от генератора переменного тока к потребителям транспорт кого средства и к батарее.
Из этого простого примера ясно, что выходное напряжение энергогенератора должно быть больше напряжения батареи всегда, коша двигатель работает. Напряжение в цепи является важной величиной, которая зависит от множества факторов.
Напряжения зарядки
Главный вопрос при выборе напряжения зарядки — напряжение на клеммах батареи, когда она полностью заряжена. Если напряжение системы зарядки настроено на эту величину, тогда нет и не может быть никакого риска перезаряда батареи.
Это известно как метод зарядки при постоянном напряжении. Это подробно рассмотрено в главе, посвященной батареям. Цифра 14,2 ± 0,2 В принята как напряжение зарядки для 12-вольтовых
систем. Грузовики, как правило, используют две последовательно соединенные батареи при номинальном напряжения 24 В, поэтому принятое напряжение зарядки удваивается. Это стандартное
напряжение литания для всех потребителей транспортного
средства. Ради простоты далее усматриваются только 12-вольтовыс системы.
Другие ситуации, которые следует учитывать при определении напряжения зарядки, -- любые ожидаемые падения напряжения в кабельных цепях системы зарядки, рабочая температура системы
и состояние батареи. Падения напряжения должны быть сведены к минимуму, но важно отметить, что напряжение на выходе генератора переменного тока может быть немного выше приложенного к батарее.
Электрогенераторы и схемы зарядки
Генерация электричества
На рис, 6.4 показан основной принцип действия трехфазного генератора переменного тока и его выходное напряжение. Электромагнитная индукция создается магнитом, вращающимся в неподвижном витке или нитках провода. В реальном генераторе
переменною тока вращающийся магнит - это электромагнит, который подключается к источнику питания через два кольцевых токосъемника со скользящими контактами.
На рис. 6,5. показана наиболее распространенная конструкция, которая известна как ротор с концами в форме «когтя». Каждый конец ротора становится при вращении либо северным, либо
южным полюсом и, следовательно, «когти» будут чередоваться как северные и южные полюса электромагнита. Общепринятой эффективной схемой является использование роторов «коготь» с 12-ю или 16-ю полюсами.
Неподвижные витки провода называются статором и состоят из трех отдельных фазовых секций, каждая из которых имеет несколько обмоток. Обмотки размещены на сердечнике из тонких пластин (чтобы уменьшить вихревые токи), и должны быть согласованы по числу полюсов на роторе. На рис. 6.6 показан типичный статор.
Обмотки статора с тремя фазами могут быть соединены двумя способами, известными как «звезда» или «треугольник» (рис. 6.7). Характеристики тока и напряжения на выходе генератора для соединений статора «звезда» и «треугольник» различаются.
Соединение «звезда» можно рассматривать как вариант последовательного соединения фаз, выходное напряжение между двух фаз будет векторной суммой фазных напряжений. Ток на выходе будет тем же самым, что и ток фазы. Поэтому статоры
с обмотками типа «звезды» генерируют более высокое напряжение, тогда как статоры с обмотками тина «треугольник» выдают более сильный ток.
Напряжение и ток в статорах с тремя фазами могут быть рассчитаны следующим образом.
Соединение «звезда» можно рассматривать как
вариант последовательной цепи.
Соединение «треугольник» можно рассматривать как вариант параллельной цели. Это означает, что выходное напряжение то же самое, что к напряжение фазы, но выходной ток равен векторной
сумме токов фаз.
Большая часть генераторов переменного тока автомобиля использует соединение обмоток «звезда», но в некоторых тяжелых машинах используется преимущество более высокого выходного тока обмоток, соединенных «треугольником». Подавляющее
большинство современных генераторов, использующих
соединение типа «звезда», включает выпрямитель с восемью диодами, чтобы максимизировать выходное напряжение. Этот вопрос рассматривается в следующем разделе.
Частот выходного напряжения генератора переменного тока может быть рассчитана. Это особенно важно, если отвод переменного тока от статора используется для счетчика оборотов двигателя:
где f- частота в Гц; п - скорость вращения генератора переменного тока в об/мин; и р — число пар полюсов (12 «копей» ротора имеют 6 пир полюсов).
Генератор переменного тока при работе двигателя на холостом ходу будет вращаться со скоростью приблизительно 2000 об/мин, причем ротор с 12-ю полюсами создаст сигнал частотой 6x2000/60 = 200 Гц.
Клемма, предусмотренная на многих генераторах
для выхода переменного тока, обычно помечается буквой W. Выход- выпрямленная полуволна - используется, в частности, на дизельных двигателях для счетчика оборотов. Тот же выход используется на некоторых вариантах бензинового двигателя,
чтобы запускать электрическую катушку высокого напряжения.