Генераторные установки на мобильной технике

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 3Следующая ⇒

Функциональная схема генераторной установки

Рис. 6.1. Функциональная схема генераторной установки

ДВС – двигатель внутреннего сгорания, приводящий во вращение вал генератора. РП – ременная передача. Г – электрогенератор переменного тока. ВБ – выпрямительный блок. РН – регулятор напряжения. АБ – аккумуляторная батарея. В современных автомобилях устанавливаются генераторы переменного тока со встроенными выпрямителями напряжения и интегральными регуляторами напряжения.

Определения

Генераторная установка (ГУ) – это совокупность генератора и регулятора напряжения.

Раньше (до 1970-ых годов) использовался генератор постоянного тока. В настоящее время в составе генераторных установок используется вентильный генератор.

Вентильный генератор – это совокупность синхронного генератора и выпрямителя.

Система электроснабжения – совокупность источников электроэнергии на мобильном объекте.

Генераторная установка – это часть системы электроснабжения мобильного объекта.

Второй частью системы электроснабжения является аккумуляторная батарея.

Назначение

6.1.3.1. Назначение генераторной установки:

- питание потребителей, находящихся на борту мобильного объекта, электрической энергией постоянного напряжения стабильного уровня;

- подзарядка аккумуляторной батареи (АБ) при работающем двигателе внутреннего сгорания.

6.1.3.2. Назначение аккумуляторной батареи [3]:

Накапливание и хранение электроэнергии для выполнения следующих задач:

- электропитание стартера (электродвигателя) при запуске двигателя внутреннего сгорания (ДВС);

- электропитание обмотки возбуждения генератора на начальном этапе, когда ее питание не может производиться выходным напряжением генератора (т.е. при самовозбуждении);

- питание потребителей электроэнергии в течение непродолжительного времени (при неработающем ДВС или недостаточной мощности, развиваемой генератором, т.е. на малой частоте вращения вала ДВС).

Потребители электроэнергии

К потребителям энергии относятся: световые приборы (наружные и внутренние), стартер, система зажигания, двигатели вентиляторов, электроприводы стеклоочистителей, стеклоподъёмников, прикуриватель, радиоприемник, звуковой сигнал, противоугонная сигнализация, система активной безопасности и др.

Привод ГУ

Источником механической энергии является двигатель внутреннего сгорания. Основное назначение ДВС – приведение в движение мобильного объекта. Его частота вращения определяется именно этой задачей.

В этом состоит отличие ГУ, рассматриваемых в этом разделе, от ДГУ и БГУ (Раздел 5), в которых единственной задачей ДВС является вращение вала генераторной установки.

ДВС связан с генератором клиновым ремнем, передающим движение от шкива коленчатого вала к шкиву, расположенному на валу генератора (Раздел 17.4). Передаточное отношение клиноременной передачи, как правило, не более 3. Такое ограничение связано с тем, что при б о льшем передаточном отношении клиновый ремень будет усиленно изнашиваться [3].

В тяжелой строительной и сельскохозяйственной технике ДВС и генератор могут быть связаны цепной передачей с тем же ограничением передаточного отношения.

Цель: повысить номинальную частоту вращения генератора и снизить тем самым его массогабаритные показатели

D ² l º P/АВ _δ n (6.1)

Исследовательские разработки

Система Turbo-generator Integrated Gas Energy Recovery System. Механическую энергию получают от небольшой турбины, которая приводится во вращение энергией выхлопных газов. По оценке британцев, TIGERS может снизить расход топлива у обычного автомобиля на 5-10% [11].

6.1.6. Основные требования к автомобильным генераторным установкам [3]:

а) Генератор должен обеспечивать бесперебойную подачу тока и обладать достаточной мощностью, чтобы:

- одновременно снабжать электроэнергией работающих потребителей и заряжать АБ;

- при включении всех штатных потребителей электроэнергии на малых оборотах ДВС не происходил сильный разряд аккумуляторной батареи;

- напряжение в бортовой сети находилось в заданных пределах во всем диапазоне электрических нагрузок и частот вращения ротора.

б) Генератор должен иметь достаточную прочность, большой ресурс, небольшие массу и габариты, невысокий уровень шума и радиопомех.

Генераторы

Типы генераторов

Основные типы генераторов для автомобилей и тракторов:

- контактный трехфазный синхронный генератор с когтеобразными (клювообразными) полюсами и электромагнитным возбуждением (рис. 6.2-6.3, Раздел 13.5);

- бесконтактный трехфазный индукторный генератор с электромагнитным возбуждением (рис. 6.4).

Контактный трехфазный синхронный генератор с когтеобразными (клювообразными) полюсами и электромагнитным возбуждением

Это наиболее распространенный тип автомобильного генератора.

Такие генераторы применяются, например, на ВАЗ-2111, 2112, ЗМЗ-406 и др.

Пример: генераторы 92.3708, 94.3701.

Рис. 6.2. Эскиз конструкции когтеобразного генератора [9] 1-выпрямительный блок; 2-обмотка возбуждения; 3-ротор; 4-крышка; 5 – подшипник; 6-щетки; 7 – контактные кольца; 8-щеткодержатель; 9-втулка; 10-статор; 11-обмотка статора; 12 – передняя крышка; 13-шкив; 14 – подшипник; 15- крыльчатка вентилятора

Рис.6.3. Детали конструкции когтеобразного генератора фирмы Motorola [10] 1 – пружина крепления соединительной колодки; 2 – крышка выпрямительного блока; 3 – выпрямительный блок; 4 – регулятор напряжения; 5 – щеткодержатель; 6 – крышка со стороны контактных колец; 7 – стяжной болт; 8 – передний подшипник; 9 – пластина крепления подшипника; 10 – дистанционная шайба; 11 – шпонка; 12 – ротор; 13 – задний подшипник; 14 – статор; 15 – уплотнительное кольцо; 16 – крышка со стороны привода; 17 – дистанционная шайба; 18 – шайба; 19 – вентилятор; 20 – шкив; 21 – шайба; 22 – гайка

Бесконтактный трехфазный индукторный генератор с электромагнитным возбуждением

Пример: генератор 955.3701 для ВАЗов; Г700А для УАЗов [3].

Рис. 6.4. Однопакетный индукторный генератор [9]

В ряде случаев для обеспечения самовозбуждения в таком виде генераторов используют комбинированное возбуждение (дополнительно от постоянных магнитов).

Обмотки

Большинство автомобильных генераторов выполняются трехфазными. Реже выпускаются тракторные генераторы мощностью 1,2 кВт в пятифазном исполнении.

Соединение фаз производится, как правило, в "звезду".

В генераторах большой мощности довольно часто применяют соединение в "треугольник".

Пояснение этого.

Для выработки генератором большой мощности по его фазным обмоткам должны течь большие токи. Для недопущения больших электрических потерь потребуется большое сечение проводов. Автоматическая намотка провода большого сечения – непростая задача. Переход на меньшие фазные токи позволяет уменьшить сечение и облегчить намотку. При соединении в "треугольник" фазные токи в раз меньше линейных (тех, что определяют выходную мощность). В то время как у "звезды" линейные и фазные токи равны [3].

По той же причине иногда каждую фазу выполняют из двух параллельных обмоток, соединенных в звезду (соединение "двойная звезда") [2].

Не следует забывать, что у "звезды" линейные напряжения в раз больше фазных, в то время как у "треугольника" они равны. Следовательно, для получения такого же выходного напряжения при тех же частотах вращения "треугольник" требует соответствующего увеличения числа витков его фаз по сравнению со "звездой" [3].

Число пазов на статоре

Практически все генераторы автомобилей массовых выпусков имеют 36 пазов [3].

Число пар полюсов

Автомобильные генераторы имеют на роторе, как правило, шесть пар полюсов [3].

Питание обмотки возбуждения (ОВ)

Питание ОВ может осуществляться от самого генератора в режиме самовозбуждения. В стальных частях генератора, даже при отсутствии тока в обмотке возбуждения, присутствует остаточный магнитный поток. Этот небольшой магнитный поток создает ЭДС, выходное напряжение питает ОВ и появляется небольшой ток возбуждения. Ток возбуждения дает прибавку к магнитному потоку, ЭДС и напряжение еще больше увеличиваются. И так далее, до полного возбуждения генератора.

Остаточный магнитный поток невелик. Чтобы обеспечить самовозбуждение генератора (дать достаточную ЭДС), необходима высокая частота вращения (Е = с Ф n) [3].

Генераторная установка должна самовозбуждаться при частоте вращения ротора ниже числа оборотов холостого хода коленчатого вала ДВС [2].

Первоначальное возбуждение генератора обеспечивается от аккумуляторной батареи [3].

Подключение АБ к ОВ происходит через выключатель зажигания [4].

Охлаждение генераторов

Варианты:

а) воздушное;

б) жидкостное.

Воздушное охлаждение

Охлаждение генератора осуществляется одним или двумя вентиляторами, закрепленными на его валу.

У традиционной конструкции автомобильных генераторов воздух засасывается центробежным вентилятором через отверстия в крышке со стороны контактных колец (рис. 6.5, а).

У генераторов "компактной" конструкции охлаждающий воздух забирается со стороны как задней, так и передней крышек (рис.6.5, в).

Существуют генераторы, у которых щеточный узел, регулятор напряжения и выпрямитель находятся вне внутренней полости. В этом случае они защищаются кожухом. Воздух засасывается через прорези этого кожуха, направляющие воздух в наиболее нагретые места, - к выпрямителю и регулятору напряжения.

На автомобилях с плотной компоновкой подкапотного пространства, в котором температура воздуха слишком велика, применяют генераторы со специальным кожухом, закрепленным на задней крышке и снабженным патрубком со шлангом, через который в генератор поступает холодный и чистый забортный воздух (рис.6.5, б). Такие конструкции применяются, например, на автомобилях BMW.

Рис. 6.5. Варианты охлаждения автомобильных генераторов

Жидкостное охлаждение [7]

Встречается у генераторов некоторых машин премиум-класса [7]. Генератор в этом случае должен быть герметичным.

В качестве охлаждающей жидкости используется, как правило, та же жидкость, которая охлаждает ДВС – антифриз, незамерзающая на морозе жидкость, представляющая собой этиленгликольно-водяную жидкость.

Достоинства:

- более интенсивное;

- слой жидкости вокруг генератора снижает уровень шума;

- герметичное исполнение генератора снижает воздействие пыли и грязи.

Недостатки:

- сложная система охлаждения, включающая отдельные контуры;

- влияние охлаждающей жидкости на детали конструкции генератора (коррозия).

Выпрямитель

Выпрямитель выполняется по трехфазной мостовой схеме (см. Раздел 15.2.1) с использованием кремниевых диодов.

Как правило, выпрямитель устанавливается внутри генератора в задней крышке и крепится к ней болтами.

Регулятор напряжения

Для нормальной работы потребителей электроэнергии необходимо поддерживать выходное напряжение на стабильном уровне.

Согласно формуле:

U_d ≡ U _ф= E - IR _ф= с Ф n - IR _ф (6.2)

выходное напряжение генератора может изменяться:

- при изменении частоты вращения вала генератора n;

- при изменении нагрузки (состава потребителей, подключенных к генератору) I;

- при изменении температуры, влияющей, в частности, на сопротивление R _ф.

Задачу поддержания напряжения на стабильном уровне выполняет регулятор, изменяющий ток в обмотке возбуждения генератора. Такой регулятор можно также назвать регулятором тока возбуждения.

Принцип работы современного регулятора состоит в следующем:

- обмотка возбуждения подключается к источнику напряжения и отключается от него.

- в качестве источника напряжения используется выходное напряжение генератора (или напряжение АБ);

- величина тока возбуждения зависит от соотношения времени подключенного и отключенного состояния обмотки возбуждения.

В зависимости от элемента, осуществляющего подключение и отключение обмотки возбуждения, регуляторы бывают:

- вибрационные (электромагнитное реле);

- контактно-транзисторные (электромагнитное реле, управляемое транзистором);

- бесконтактные (электромагнитное реле отсутствует, подключение и отключение обмотки возбуждения производится за счет изменения состояния транзистора, включенного последовательно с обмоткой возбуждения).

Простейший вид бесконтактного регулятора тока возбуждения приведен на рис. 6.6. Здесь выводы источника – клеммы + и -; обмотка возбуждения подключена к клеммам «общ» и «ш».

Рис.6.6. Схема простейшего регулятора напряжения

Полупроводниковые бесконтактные электронные регуляторы, как правило, встроены в генератор [3].

Номинальное напряжение

Постоянное напряжение величиной:

7 В – на старых автомобилях [16].

14 В – в настоящее время в основном на легковых авто и легких грузовиках [16].

28 В – на тяжелых грузовиках и автобусах [16].

Напряжение на выходе генератора отличается от напряжения, подаваемого на клеммы потребителя, например, 7 и 6 В; 14 и 12 В; 28 и 24 В [16].

Познавательные статьи:



Алгоритмические операторы Matlab

Конструирование и порядок расчёта дорожной одежды

Исследования учёных: почему помогают молитвы?

Почему терпят неудачу многие предприниматели?