8. Принцип действия вентильного генератора

Генератор служит для выработки электрической энергии, использующейся для электропитания автомобиля, в том числе – для зарядки аккумуляторной батареи.

Ранее на автомобилях использовались генераторы постоянного тока, отличающиеся простотой устройства. Однако увеличение мощности такого генератора приводит к существенному возрастанию его габаритов и материалоемкости. Кроме того, при высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя, от которого получает вращение ротор генератора, происходит интенсивный износ коллектора и щеток, что снижает ресурс его работы.

В связи с этим в настоящее время применяются генераторы переменного тока. Они компактны, на режиме холостого хода развивают до 40 % мощности, имеют высокий ресурс работы. В связи с улучшением характеристик генератора возрастает и срок службы аккумуляторной батареи.

Генераторы переменного тока принципиально могут иметь возбуждение от постоянных магнитов и электромагнитное возбуждение. Первые сравнительно маломощны и имеют ограниченное применение.

Для лучшего понимания работы генератора следует рассмотреть принцип получения электрического тока в проводниках.

Вещества, которые способны притягивать к себе металлы, содержащие в значительном количестве железо, называют магнитами. Каждый магнит имеет северный (N) и южный (S) полюса.

Вокруг магнитов образуется магнитное поле, которое условно изображают линиями, называемыми магнитными силовыми линиями. Принято, что эти линии выходят из северного полюса и входят в южный (рис. 1).

Рис. 1. Магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом (а), проводником, через который проходит электрический ток (б) и электромагнитом (в)

Вокруг проводника с током образуется магнитное поле, направление которого определяется правилом «буравчика» (рис. 1, б).

В катушке с током также образуется магнитное поле, которое может быть усилено сердечником из стали (рис. 1, в). Такое устройство называется электромагнитом.

Если в магнитном поле перемещать проводник, то в нем будет наводиться электродвижущая сила, а если концы проводника при этом замкнуть, то в нем потечет электрический ток. Это явление называется электромагнитной индукцией.

П ри вращении рамки в магнитном поле (рис. 2) проводники рамки, перемещаясь, пересекают магнитные силовые линии, в результате чего в них течет ток I.

Рис. 2. Схема генератора переменного тока

В данном примере направление течения тока будет постоянно меняться, т. е. будет генерироваться переменный ток.

Ток будет генерироваться и в том случае, когда рамка с проводником будет неподвижна, а вращаться будет пара магнитов.

В любом случае важно, чтобы проводник оказался в переменном магнитном поле.

Если вместо двух токосъемных колец поставить одно, разрезанное поперек, и к каждой половине припаять концы рамки, то получим в цепи рамки постоянный ток.

В обоих случаях магнитное поле, которое пересекает рамку, можно создать за счет электромагнита.

У генератора постоянного тока обмотка магнита может питаться от напряжения, создаваемого самим генератором, у генератора переменного тока – от напряжения отдельного источника.

В том случае, если напряжение подать на рамку, в ней потечет ток. Проводник с током окажется в магнитном поле и начнет двигаться.

Таким образом будет получен двигатель переменного или постоянного тока. Движение проводника (рис. 3) обусловлено взаимодействием магнитного поля, окружающего проводник с током, и магнитного поля, создаваемого магнитом.

Рис. 3. Схема простейшего электродвигателя постоянного тока

При совпадении направления магнитных силовых линий, возникающих в проводнике, и магнитных силовых линий магнита общий поток магнитных силовых линий сгущается и наоборот.

При этом возникает выталкивающая сила, действующая перпендикулярно проводнику.

Итак, на одну (например, верхнюю на рисунке) ветвь рамки действует сила в одном направлении (ток по ней течет «от наблюдателя), а на другую (нижнюю на рисунке) ветвь – в противоположную сторону (ток по ней течет «к наблюдателю).

Образовавшаяся пара сил создает крутящий момент (произведение силы на ее плечо), вращающий рамку (на рисунке по направлению против часовой стрелки).

Генераторы переменного (рис. 4) тока различных модификаций незначительно отличаются друг от друга по конструкции.

При включенном зажигании и работающем двигателе вращение коленчатого вала передается на шкив 1, надетый на стальной вал 3. При вращении вала 3 происходит вращение вентилятора 2, который служит для охлаждения генератора, а также вращение обмотки возбуждения 6. Якорь генератора представляет собой часть вала 3 и два стальных полюсных наконечника 5, охватывающих обмотку 6. Оба наконечника 5 имеют сопрягающиеся с зазором встречные выступы. При включенном зажигании постоянный ток от аккумулятора проходит через обмотку 6, создавая с ее помощью постоянное магнитное поле, усиливающееся стальными элементами якоря. При этом один из наконечников 5 становится «южным» (S) концом постоянного магнита, а другой – «северным» (N) концом.

Таким образом, при вращении якоря обмотки 7 статора пересекаются магнитным полем переменного направления, поскольку мимо одной и той же обмотки 7 проходит то один (например – S), то другой (соответственно – N) полюс. В этом случае в обмотках 7 возбуждается переменная ЭДС и начинает течь переменный электрический ток. Этот ток попадает на диодный мост, расположенный в задней крышке генератора, после чего ток начинает течь в одном направлении, т. е. становится постоянным.

Электрический выход генератора включен параллельно аккумулятору, который получает от генератора ток подзарядки с помощью реле регулятора 18.

Это реле служит для ограничения напряжения, вырабатываемого генератором, что необходимо для исключения перезарядки и выкипания электролита аккумулятора, а также для предохранения электрических приборов, установленных на автомобиле, от повышенного напряжения. Кроме того, это реле служит для ограничения тока, проходящего через обмотку 6.

При возрастании частоты вращения коленчатого вала обороты вала генератора также возрастают. При этом растет вырабатываемое им напряжение. После достижения напряжения, предельного для зарядки аккумулятора, реле регулятора ограничивает ток, проходящий через обмотку возбуждения 6, в результате чего ограничивается напряжение генератора и, следовательно, зарядный ток.

При снижении частоты вращения коленчатого вала напряжение, вырабатываемое генератором, может стать ниже, чем напряжение аккумуляторной батареи. В этом случае через обмотку возбуждения 6 может потечь обратный ток большой величины, что приведет к ее перегреву и выходу из строя. В этом случае реле отключает обмотку возбуждения, и генератор перестает вырабатывать электрическую энергию.

Реле регулятора могут быть различных типов, но в настоящее время наибольшее распространение получают контактно-транзисторные и бесконтактно-транзисторные регуляторы.

Как уже говорилось выше, при работе генератора напротив катушек обмотки статора устанавливается то южный, то северный полюс ротора, при этом направление магнитного потока, пронизывающего катушку, изменяется, что и вызывает появление в ней переменного напряжения. Частота этого напряжения f зависит от частоты вращения ротора n и числа пар полюсов p генератора:

У всех автомобильных генераторов отечественного производства и, за редким исключением, генераторов зарубежных фирм шесть пар полюсов, при этом частота переменного тока в обмотке статора, выраженная в Гц, меньше частоты вращения ротора генератора, измеряемой в мин^-1, в 10 раз.

С учетом передаточного числа ременной передачи i от двигателя к генератору, частота переменного тока, выраженная через частоту вращения коленчатого вала двигателя n_дв определяется соотношением:

Следовательно, по частоте переменного тока генератора можно измерять частоту вращения коленчатого вала двигателя, что и используется в реальных схемах подключением тахометра или любого другого устройства; реагирующего на частоту вращения коленчатого вала, к выводу обмотки статора.

Обмотка статора как отечественных, так и зарубежных генераторов - трехфазная. Она состоит из трех обмоток фаз, которые иногда называют просто фазами, токи и напряжения в которых смещены на 120 электрических градусов.

Фазы могут соединяться в «звезду» или «треугольник». При этом различают фазные и линейные напряжения и токи. Фазные напряжения действуют между выводами обмоток фаз, а фазные токи протекают в этих обмотках. Линейные напряжения действуют между проводами, соединяющими обмотку статора с выпрямителем. В этих проводах протекают линейные токи. Естественно, выпрямитель выпрямляет те величины, которые к нему подводятся, т.е. линейные.

Контрольные вопросы

1. Для чего нужен генератор в автомобиле и от чего зависит вырабатываемое им напряжение?

2. Из чего состоит генератор переменного тока и как в нем создается постоянное напряжение, питающее систему электроснабжения автомобиля?

3. Что происходит с генератором при снижении частоты его вращения и падении вырабатываемого им напряжения ниже напряжения аккумулятора?

4. Как определяется частота тока, вырабатываемого генератором?