Генератор: його будова та робота

Генератор -- основне джерело електричної енергії на автомобілі. Вал генератора приводиться в обертання від шківа, установленого на колінчастому валі двигуна, клиновидним пасом. Передаточне число клинопасодрії передачі 1,5--1,7 для генераторів постійного струму і 2,0--2,5 для генераторів змінного струму. Під час руху автомобіля частота обертання колінчастого вала при холостому ході у сучасних двигунів становить 500--800 хв., максимальна частота 4000--5500 хв. Таким чином, кратність зміни частоти обертання двигуна, а отже, і вала генератора може досягати 8--10. Напруга генератора залежить від частоти обертання його вала. Чим вища частота, тим більша напруга генератора. Однак усі прилади електрообладнання автомобіля, особливо лампи і контрольно-вимірювальні прилади, розраховані на живлення від сталої напруги 14 і 28 В.

Підтримання заданої напруги генератора незалежно від зміни частоти обертання, навантаження генератора (вмикання споживачів) і зміни температури виконує спеціальний прилад, який називають регулятором напруги.

При зниженні частоти обертання колінчастого вала до частоти холостого ходу напруга генератора може стати меншою від напруги акумуляторної батареї. Якщо батарею не відключити від генератора, вона почне розряджатися на генератор, що може призвести до перегрівання ізоляції обмоток генератора і розрядження акумуляторної батареї. При збільшенні частоти обертання колінчастого вала двигуна треба знову увімкнути генератор у систему електрообладнання. Увімкнення генератора в систему електрообладнання, коли його напруга вища від напруги акумуляторної батареї, і відключення генератора від мережі, коли його напруга нижча від напруги акумуляторної батареї, викопує спеціальний прилад, що має назву реле зворотного струму.

Генератор розрахований па віддачу певного максимального для цього генератора струму, однак в разі несправності в системі електрообладнання (розряджена акумуляторна батарея, коротке замикання і т. ін.) генератор може віддавати струм більший, ніж той, на який він розрахований. Тривала робота генератора в такому режимі призведе до його перегрівання і пошкодження ізоляції обмоток. Для захисту генератора від перевантаження призначений спеціальний прилад, який називають обмежувачем струму.

Усі три прилади (регулятор напруги, реле зворотного струму та обмежувач струму) об'єднані в одному пристрої, який називають реле-регулятором.

У генераторах змінного струму реле зворотного струму і обмежувача немає, але в конструкції генератора є пристрої, які виконують функції цих приладів.

Генератори змінного струму

На автомобілях почали встановлювати генератори змінного струму, що викликано перевагами їх конструкції над генераторами постійного струму: менша маса при тій же потужності, більший строк служби, менша витрата міді (у 2--2,5 рази), можливість підвищення передаточного числа від двигуна до генератора. У цьому разі на частоті холостого ходу двигуна генератор віддає до 25--50 % своєї потужності, що поліпшує умови заряджання акумуляторної батареї на автомобілі, а отже, і збільшує строк її служби.

На рис. 10.1 показана будова генератора змінного струму Г-250. Генератор має статор 6 з трифазною обмоткою, виконаною у вигляді окремих котушок, насаджених на зубці статора. У кожній фазі є по шість котушок, з'єднаних послідовно. Фазні-обмотки статора з'єднані зіркою, і їх вихідні затискачі приєднані до випрямного блока 10.

Корпус статора набраний з окремих пластин електротехнічної сталі. Обмотка збудження 4 генератора виконана у вигляді котушки і вміщена на стальній втулці дзьобоподібних полюсів ротора 12. Втулка, дзьобоподібні полюси ротора і контактні кільця 5 жорстко закріплені на валі 3 ротора (пресова посадка на накатку). Магнітне поле, що створюється обмоткою збудження, проходячи через торці дзьобоподіб-них полюсів, створює північні і південні полюси на роторі (рис. 10.2). При обертанні ротора магнітне поле полюсів ротора перетинає витки котушок обмотки статора, індукуючи в кожній фазі змінну ЕРС (див. рис. 10.5, б).

Струм до обмотки збудження підводиться через щітки 8 (див. рис. 10.1) і контактні кільця 5, до яких припаяні кінці обмотки збудження. Щітки, укріплені в щіткотримачі 9.

Статор генератора за допомогою стяжних болтів закріплений між кришками / і 7, які мають кронштейни кріплення генератора до двигуна. У кришці 1 з боку привода вгорі є різьбовий отвір для кріплення натяжної планки, за допомогою якої регулюється натяг приводного паса генератора. Кришки відлиті з алюмінієвого сплаву.

Для зменшення спрацювання посадочне місце під шари-копідшипник у задній кришці 7 і отвори в кронштейнах кришок армовані стальними втулками.

У кришках установлені шарикопідшипники 2 і 11 з двостороннім ущільненням і мастилом, закладеним на весь .строк служби підшипника.

На виступаючий кінець вала 3 ротора кріпляться зовнішній вентилятор 13 і шків 14. У кришках є вентиляційні вікна, через які проходить охолодне повітря. Напрям руху охолодного повітря -- від кришки з боку контактних кілець до вентилятора.

У кришці з боку контактних кілець установлюється випрямний блок 10, складений із кремнієвих вентилів (діодів), які допускають робочу температуру корпусу 150 °С.

Випрямний блок ВБГ-1 (рис. 10.3, а) складається з трьох моноблоків, з'єднаних у схему двопівпе-ріодного трифазного випрямляча (див. рис. 10.5, а).

Кожні два вентилі розміщені в моноблоку, що виконує водночас роль радіатора і струмопровідного затискача З (рис. 10.3) середньої точки схеми. У корпусі моноблока-радіатора 4 є двоє гнізд, у яких складені у переходи випрямних вентилів. В одному гнізді /7-гг-перехід має на корпусі /?-зону, а в другому -- п-зону. Протилежні зони переходів мають гнучкі виводи 9, які з'єднують моноблок із з'єднувальними шинами 2. Негативна шина випрямного блока з'єднана з корпусом генератора.

У пізніших конструкціях випрямних блоків БПВ-4-45 (рис. 10.3, б) на струм 45 А застосовують кремнієві вентилі типу Д104-20 (старе маркування ВА-20), які запресовані в тепловідводи 12 негативної і позитивної полярності по три вентилі в кожен. Тепловідводи ізольовані один від одного пластмасовими втулками-ізоляторами 13.

Зворотний струм вентилів не перевищує 3 мА, а складеного блока -- 10 мА. Для генераторів з максимальною потужністю до 1200 Вт (Г-288) застосовують кремнієві випрямні блоки ВБГ-7Г на струм 80 А (рис. 10.3, е) або БПВ-7-100 на струм 100 А (рис. 10.3, г). У блоках БПВ-7Г і БПВ-7-100 застосовані вентилі Д104-20 по два паралельно в кожному плечі, по шість вентилів у кожному тепловідводі. Для зниження рівня радіоперешкод у блоках ВБГ-7Г і БПВ-7-100 установлений паралельно затискачам «+» і «--» генератора конденсатор ємністю 4,7 мкФ. Загальний вигляд вентиля Д1С4-20 показаний на рис. 10.4. Номінальний струм вентиля 20 А. Для спрощення схеми електричних з'єднань вентилі випускаються удвох виконаннях -- з прямою і зворотною полярністю корпусу. У вентилях прямої полярності «-{ » випрямленого струму буде на корпусі, у вентилях зворотної полярності, навпаки, «--» випрямленого струму.

Вентилі прямої і зворотної полярності різняться кольором маркування, яке наносять фарбою на денці корпусу. Вентилі прямої полярності («+» на корпус) помічають червоною фарбою, а вентилі зворотної полярності («--» на корпус) -- чорною.

Електрична схема з'єднання обмоток генератора і випрямлячів показана на рис. 10.5, а. При обертанні ротора генератора у кожній фазі індукується змінна напруга, зміна якої за один період показана на рис. 10.5, б. Після випрямлення криві фазної напруги наберуть вигляду, зображеного на рис. 10.5, в. Випрямлена напруга буде майже сталою (лінія 5 на рис. 10.5, б), причому частота пульсацій випрямленої напруги буде в шість разів більшою, ніж частота у фазних обмотках.

Зі збільшенням частоти обертання підвищується частота струму, індукованого у фазних обмотках генератора, і зростає індуктивний опір обмоток. Тому при великій частоті обертання ротора, коли генератор може віддавати максимальний струм, не виникає небезпеки його перевантаження, оскільки сила струму генератора обмежується підвищеним індуктивним опором його обмоток. Це явище в генераторах змінного струму називається властивістю самообмеження. Автомобільні генератори змінного струму Г-250, Г-270, Г-221 та інші сконструйовані так, що не потребують обмежувача струму.

Властивість вентилів пропускати струм тільки в одному напрямі (від генератора до акумуляторної батареї) виключає необхідність установлення в регулюючому пристрої реле зворотного струму. Тому в регулюючому пристрої, яке працює з автомобільним генератором змінного струму, може застосовуватись тільки регулятор напруги. Це значно спрощує конструкцію і знижує розміри, масу і вартість регулятора.

Шляхи струму через вентилі випрямляча при проходженні обмотками першої фази північного і південного полюсів ротора показані на рис. 10.5, а стрілками. Як видно із схеми, в обмотках першої фази проходить струм змінний за напрямом, а струм у колі навантаження за напрямом постійний. Аналогічно відбувається процес і в інших фазах генератора.

Контактно-вібраційний регулятор

На рис. 10.6 показана конструкція реле-регулятора РР-130. Електромагнітні реле, що входять до реле-регулятора, змонтовані на спільній основі 9 і закриті кришкою 4. І Іріїливи основи мають гумові амортизатори 2, які сприяють і погашенню вібрацій, що передаються реле-регулятору від місця його кріплення на автомобілі.

Електрична схема триелементного реле-регулятора РР-130 показана на рис. 10.7. На напівмонтажній схемі (рис. 10.7, а) показано не тільки електричні кола, а й контури магнітних систем окремих реле. Це полегшує вивчення реальних електричних кіл у реле-регуляторі. На розгорнутій схемі (рис. 10.7, б) легше простежити шляхи струму, проаналізувати роботу окремих елементів схеми і знайти можливі несправності.

Для зручності користування розгорнутою схемою разом з умовним позначенням елемента реле поряд у дужках зазначений його номер на ііід-рисунковому підписі. Наприклад, РЗС (1-) -- послідовна обмотка реле зворотного струму. Із схеми видко, що обмотка увімкнута послідовно, тому в позначенні обмотки це спеціально не зазначено. Опір (Ом) указується над прямокутником, що є умовним позначенням резистора.

Реле зворотного струму. На магнітопроводі 2 (рис. 10.7, а) реле зворотного струму є послідовна / і паралельна 4 (по відношенню до якоря генератора) обмотки. Коли напруга генератора нижча від напруги акумуляторної батареї, магнітний потік, створюваний паралельною обмоткою, малий і якір 5 не може притягтись до магнітопровода 2 і замкнути контакти 6 реле. В міру збільшення частоти обертання підвищується напруга генератора. Коли напруга генератора перевищить напругу ввімкнення реле зворотного струму (12,2--13,2 В при 20 °С), якір притягнеться до магнітопровода і контакти реле замкнуться. При замкнутих контактах струм проходить по обмотках 1 і 4 у такому напрямі, що їх магнітні поля збігаються. Тому магнітне поле послідовної обмотки посилює притягання контактів реле.

При зниженні частоти обертання напруга генератора зменшиться. Коли вона стане нижчою від напруги акумуляторної батареї, струм із батареї піде в якір генератора, що може призвести до його перегрівання і згоряння ізоляції обмотки. У цьому разі магнітний потік послідовної обмотки реле змінить напрям і розмагнічуватиме магнітопровід. Контакти реле розімкнуться, і генератор відключиться від акумуляторної батареї. Зворотний струм, що проходить від батареї в генератор, при якому контакти реле розмикаються, повинен бути в межах 0,5--6 А.

Регулятор напруги. Коли напруга генератора і/г нижча від напруги <7р.н, на яку відрегульований регулятор напруги, контакти 10 (рис. 10.7) замкнуті. Струм збудження генератора проходить по колу: затискач Я генератора -- послідовна 7 і прискорювальна обмотки обмежувача струму -- замкнуті контакти 9 обмежувача струму -- вирівнююча обмотка 11 регулятора напруги -- замкнуті контакти 10 регулятора напруги -- затискач Ш обмотки збудження 14 генератора -- «маса» (корпус) генератора.

Коли напруга генератора стане більшою від напруги, на яку відрегульований регулятор, контакти 10 регулятора напруги розімкиуться і струм збудження, минаючи контакти 9 обмежувача струму, піде через резистори у 13 і 80 Ом (штрихові стрілки на рис. 10.7, б). Струм збудження зменшиться, знизиться магнітний потік обмотки збудження і, отже, напруга генератора. При зниженні напруги генератора зменшиться притягання якоря паралельною обмоткою 12 регулятора напруги, його контакти знову зімкнуться і струм збудження збільшиться.

Регулювальні пристрої генератора

Цей процес повторюватиметься періодично, поки Иг > ~> Пул. Чим більша частота обертання якоря генератора, тим довше контакти регулятора напруга будуть у розімкнутому стані і тим меншим буде струм збудження.

Для підвищення частоти вібрації контактів регулятора напруги (що необхідно для зниження амплітуди коливання; яке підтримує регулятор напруги) послідовно паралельній обмотці 12 регулятора напруги вмикається прискорювальний резистор з опором 13 Ом. У момент розмикання контактів регулятора напруги струм збудження почне проходити через названий резистор. У ньому зростає спад напруги. Напруга на паралельній обмотці регулятора напруги знизиться, що приведе до прискорення замикання контактів.

З підвищенням частоти обертання якоря генератора збільшиться й частота вібрацій контактів. Наявність прискорювального резистора в колі паралельної обмотки. Регулятора напруги спричинює деяке зростання регульованої напруги і/р.н (до 10--15 %) зі збільшенням частоти обертання якоря генератора внаслідок збільшення часу, протягом якого струм збудження проходить по резистору в 13 Ом. Для компенсації цього явища призначена вирівнююча обмотка 11 регулятора напруги, увімкнута послідовно обмотці збудження генератора. Вирівнююча обмотка увімкнута зустрічне по відношенню до паралельної обмотки регулятора напруги, тобто магнітний потік вирівнюючої обмотки 11 діє назустріч магнітному потокові паралельної обмотки 12.

При збільшенні частоти обертання струм збудження генератора зменшується, а отже, знижується розмагнічуюча дія вирівнюючої обмотки. Тому напруга, що підтримується регулятором напруги, залишається в основному сталою.

Обмежувач струму працює аналогічно регуляторові напруги, тільки його послідовна обмотка 7 реагує не на напругу, а на струм, що його віддає генератор.

При збільшенні сили струму генератора понад допустимий за умовою нагрівання обмоток (наприклад, коли розряджена акумуляторна батарея) магнітний потік, створюваний обмоткою 7, притягає якір, і контакти ^обмежувача струму розмикаються. У цьому разі струм збудження генератора піде двома шляхами: як через резистор з опором у ЗО Ом і далі через замкнуті контакти 10 регулятора напруги до затискача Ш генератора, так і через прискорювальну обмотку 8 обмежувача струму, резистори з опором 13 і 80 Ом до затискача Ш.Для прискорення замикання контактів (підвищення частоти їх вібрації) призначена прискорювальна обмотка 8 обмежувача струму. Ця обмотка увімкнута послідовно в коло обмотки збудження генератора і створює магнітний потік, спрямований згідно з магнітним потоком основної обмотки обмежувача струму. При розмиканні контактів 9 обмежувача струму струм збудження спадає, і магнітний потік прискорювальної обмотки зменшується. В результаті цього прискорюється замикання контактів обмежувача струму.

Контактно-транзисторний регулятор напруги РР-362

Зростання кількості і потужності споживачів електроенергії на сучасних автомобілях привело до збільшення потужності генератора. Зі збільшенням потужності генератора зростає струм його збудження, який повинен розмикатися контактами регулятора напруги. Проте контакти при підвищенні потужності струму, який розривається, починають дуже підгоряти і швидко виходять із ладу. Тому було розроблено контактно-транспортні регулятори, в яких роль контактів, що розривають струм збудження, виконує транзистор, а контакти регулятора напруги тільки керують його роботою. Найпоширенішим контактно-транзисторннм регулятором є реле-регулятор РР-362, що застосовується з генератором змінного струму Г-250 та ін.

До реле-регулятора РР-362 (рис. 10.8) входять транзистор УТ1 і два електромагнітних реле: регулятор напруги РН і реле захисту РЗ. Регулювання струму збудження виконує транзистор УТ1, увімкнутий через діод У01 у коло обмотки збудження. Керування транзистором УТІ здійснюється за допомогою регулятора напруги з двома парами контактів РН] і РН2. Обмотка регулятора напруги увімкнута за схемою з прискорювальним резистором К1. Термокомпенсація регулятора напруги здійснюється резистором і підвіскою якоря на термобіметалевій пластині. Реле захисту захищає транзистор УТ1 від коротких замикань у колі обмотки збудження. Замикаючі контакти РЗ увімкнуті паралельно контактам РН,

Діод У02 захищає транзистор УТ1 від пробою ЕРС самоіндукції, що виникає в обмотці збудження генератора при розмиканні контактів РН. Коли генератор не працює, контакти РН замкнуті. При вмиканні вимикача запалювання 5 струм від батареї надходить через діод У01 -- емітер -- базу транзистора УТ1--резистор К5 -- затискач М на «масу». При цьому струм бази відкриває транзистор УТ1 і струм надходить в обмотку збудження 03 генератора. Водночас струм надходить в обмотку РН і через замкнуті контакти РН в обмотку РЗц, проте контакти РЗ залишаться замкнутими, оскільки сила намагнічування магнітопровода реле захисту недостатня. Коли напруга генератора стане більшою від напруги, що підтримується РН (ІІ^ ~~> /7 замикається друга пара контактів РН2, а перша пара РН 1 розмикається. При цьому в коло обмотки збудження вмикаються резистори К.1 і Я2, що призводить до зниження напруги генератора і зниження напруги на обмотці РН, і контакти РН2 знову розмикаються. Таким чином, коли і/г > > і/р.н, контакти РН2 замикаються й розмикаються, підтримуючи сталою напругу генератора, а контакти РН1 розімкнуті. Резистор зворотного зв'язку Ц4 забезпечує підтримання заданого рівня напруги при збільшенні частоти обертання ротора генератора, компенсуючи зростання напруги при наявності прискорювального резистора 7 (аналогічно вирівнюючій обмотці в регуляторі напруги).

Реле захисту. При замиканні обмотки збудження на «масу» напруга генератора різко знижується, обмотка РН живиться від батареї і контакти РН1 замикаються, вмикаючи обмотку РЗу під повну напругу батареї (оскільки затискач Ш замкнутий на «масу»), що спричинює замикання контактів РЗ і замикання транзистора УТ/. При цьому в коло короткого замикання вмикаються резистори /?/ і Р.2, обмежуючи струм короткого замикання до безпечного значення. Коли коротке замикання усунуто, струм в обмотці реле захисту знижується, контакти РЗ розмикаються і регулятор напруги може нормально працювати.

Контактно-транзисторний реле-регулятор має більший строк служби і менше розрегулювання в процесі експлуатації, ніж вібраційні реле-регулятори. Проте наявність в регуляторі напруги механічної системи розривання електричного кола (контакти, пружина, підвіска якоря реле), а також повітряних зазорів між якорем і магнітопроводом реле потребують під час експлуатації систематичної перевірки і настроювання регулятора. Цих вад немає в безконтактних транзисторних регуляторах напруги, що застосовуються з генератором змінного струму Г-250 на автомобілях ЗИЛ-130, ГАЗ-24 «Волга» та їх модифікаціях.

Безконтактний транзисторний регулятор напруги РР-350

Регулятор (рис. 10.9,0--в) має кришку й основу, всередині якої розміщена панель. На ній змонтована схема регулятора. Регулятор РР-350 має тільки регулятор напруги, оскільки наявність кремнієвого випрямляча в генераторі виключає можливість проходження струму від акумуляторної батареї в генератор. Немає також обмежувача струму, оскільки генератор Г-250 має властивість самообмеження.

Регулятор з'єднується з генератором за допомогою закритого штепсельного розняття, що виключає можливість короткого замикання проводів на «масу». Штепсельне розняття має фіксуючий пристрій, який не допускає само роз'єднання його під час експлуатації.

Схема регулятора напруги (рис. 10.9, г) може бути умовно поділена на дві частини: вимірювальну, до якої входять транзистор УТ1, стабілітрон УОІ, дросель І., резистори НІ, /<2, Іі.3, К4, /?5 і Кі, і підсилювальну частину //, до якої входять транзистори УТ2 і УТЗ, резистори Кб, К.7, діодн У 02, ?03.

До схеми регулятора входить також діод У 04, який увімкнутий паралельно обмотці збудження генератора ОЗГ і захищає транзистор УТЗ від ЕРС самоіндукції, що виникає в цій обмотці, і рез;;стор зворотного зв'язку і призначений для поліпшення частотних характеристик регулятора. У коло напруги (резистори НІ і КЗ) увімкнутий дросель з метою зменшення впливу пульсацій випрямленої напруги генератора на роботу регулятора напруги. Нижче описано роботу регулятора напруги на двох граничних режимах.

1-й реккм напруга генератора менша від регульованої ((Уг < рег). При вмиканні вимикача запалювання 5 обмотка збудження генератора приєднується до акумуляторної батареї. Стабілітрон УОІ перебуває в непровідному стані, вхідний транзистор УТІ закритий, оскільки немає струму бази транзистора УТІ. Закритий стан транзистора V Л забезпечує проходження струму через переходи - емітер -- база транзисторів УТ2 і УТЗ від затискача «+» через Діод УОЗ; емітер -- база транзистора УТЗ, діод УВ^- емітер -- база транзистора УТ2 і Р,5.

Опір транзисторів УТ2 і УТЗ при цьому мінімальний (транзистори відкриті) і по колу: плюс -- діод УОЗ -- емітер -- база транзистора УТЗ -- діод УТ'2 -- емітер -- колектор транзистора УТ2 -- резистор б іде струм баз вихідного транзистора УТЗ, необхідний для його відкритого стану, таким чином, при транзистор УТі закрити,;, а транзистори УТ2 і УТЗ відкриті. Це забезпечує проходження через транзистор УТЗ максимального струму збудження по колу: плюс -- діод УОЗ -- емітер -- колектор транзистора -- затискач Ш -- обмотка збудження генератора, «маса» (мінус).

2-й режим -- напруга генератора більша від регульованої (Гг> рег). Стабілітрон У01 проводить струм, вхідний транзистор УТІ відкритий, оскільки по колу: плюс -- емітер -- база транзистора УТІ -- резистор подільника К.3 -- дросель І. (мінус) іде струм, який забезпечує відкритий стан транзистора УТІ. Опір транзистора УТІ мінімальний, і потенціал бази транзистора УТ2 виявляється вищим від потенціалу його емітера. Транзистор УТ2 закривається, перериваючи коло струму бази вихідного транзистора УТЗ. Тим самим закривається і транзистор УТЗ. Струм збудження генератора, минаючи транзистор УТЗ, проходить через додатковий резистор К8 і його величина різко спадає. Напруга генератора знижується, і стабілітрон У01 знову переходить у непровідний стан, замикаючи транзистор УТІ. Це приводить до відкривання транзисторів УТ'2 і УТЗ. Описаний процес періодично повторюється, що забезпечує підтримання заданого рівня напруги генератора.

Для зменшення впливу температури на регульовану напругу у плече подільника увімкнутий терморезистор Кі, .опір якого має негативний температурний коефіцієнт, тобто при підвищенні температури опір знижується.

Тепер на автомобілі ЗИЛ-431410 регулятор напруги РР-350 замінений регулятором 201.3702, що. має аналогічну схему, але менші габаритні розміри, і працює з генератором 32.3701 (замість Г-250).