Содержание
Автомоби́льный генера́тор — устройство, обеспечивающее преобразование механической энергии вращения коленчатого вала двигателя автомобиля в электрическую.
Автомобильный генератор используется для питания электропотребителей, таких как система зажигания, автомобильная светотехника, бортовой компьютер, система диагностики и другие, а также для заряда автомобильного аккумулятора [1] . К автомобильным генераторам предъявляют высокие требования по надёжности, так как генератор обеспечивает бесперебойную работу большинства компонентов современного автомобиля. Типовая мощность современного генератора в легковом автомобиле около 1кВт.
Устройство и общий принцип работы [ править | править код ]
На первых автомобилях применяли коллекторные генераторы постоянного тока, коллекторный узел которых требовал постоянного контроля и частого обслуживания и, вдобавок, серьёзно ограничивал ток нагрузки. Появление мощных диодных выпрямителей, вначале селеновых, а позднее кремниевых, позволило использовать на автомобиле синхронный генератор переменного тока, несравнимо более надёжный и примерно втрое менее тяжёлый/материалоёмкий при той же мощности и более стабильном выходном токе.
В современных автомобилях применяются синхронные трёхфазные электрические машины переменного тока, а в выпрямителе применяют трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова.
Чтобы генератор после пуска двигателя отдавал ток в нагрузку, необходимо обеспечить питание обмотке возбуждения. Это происходит при повороте ключа замка зажигания в рабочее положение. Ток в обмотке возбуждения управляется стабилизатором напряжения, который может быть выполнен в виде отдельного узла или встроен в щёточный узел генератора. В подавляющем большинстве современных генераторов стабилизатор напряжения (СН) питается от отдельной секции выпрямителя. Ротор генератора приводится от коленвала через шкив от клинового ремня. Создаваемое обмоткой возбуждения электромагнитное поле индуцирует электрический ток в фазовых обмотках статора.
Из-за нестабильности частоты вращения двигателя и частых скачкообразных изменений нагрузки необходима стабилизация выходного напряжения генератора, её обеспечивает стабилизатор напряжения путём изменения тока возбуждения генератора.
Напряжение бортовой сети при работающем генераторе и исправном регуляторе напряжения поддерживается на уровне 13,9 — 14,5 В. Это напряжение необходимо для обеспечения прохождения тока заряда через аккумуляторную батарею, при этом необходимо обеспечить некоторое превышение совместного электрохимического потенциала всех пластин всех банок, иначе автомобильный аккумулятор не будет заряжаться.
На автомобилях и автобусах с мощными дизельными двигателями используются мощные автомобильные стартеры. Для обеспечения мощности без повышения потребляемого тока используется повышенное напряжение бортовой сети — 24 Вольта. Устанавливаются соответственно 24-вольтовые (номинально 28,4 Вольта) генераторы.
На старых автомобилях и мотоциклах напряжение в бортовой сети составляло 6 Вольт, генераторы тоже были 6-вольтовые, как правило, трёхщеточные постоянного тока с реле обратного тока (ГАЗ-67Б, Москвич-400, ЗИС-110).
Генераторы постоянного тока [ править | править код ]
На автомобилях выпуска до 1960-х годов (например ГАЗ-51, ГАЗ-69, ГАЗ-М-20 «Победа» и многих других) устанавливались генераторы постоянного тока.
На полюсах генератора (находятся на статоре), выполненных из электротехнической стали, находится обмотка возбуждения. На якоре генератора — силовая обмотка, с которой электрический ток снимается посредством коллектора с щётками. Обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены параллельно, в цепь обмотки возбуждения включен реле-регулятор.
Реле-регулятор состоит из трёх электромагнитных реле:
1. Ключевой стабилизатор напряжения (на электрических схемах сокращённо обозначается СН) уменьшает магнитный поток в обмотке возбуждения (на статоре); обмотка реле включена последовательно с обмоткой возбуждения. При повышении напряжения на генераторе выше расчётного предела (например более 14,5 вольт) электромагнитное реле срабатывает и последовательно обмотке возбуждения включается дополнительное сопротивление, ограничивающее ток возбуждения, уменьшается магнитный поток, и, следовательно, напряжение на генераторе уменьшится. При уменьшении напряжения ниже расчётного электромагнитное реле шунтирует дополнительное сопротивление, ток в обмотке возбуждения возрастает, возрастает магнитный поток и напряжение на генераторе повышается. Поскольку процесс протекает с большой частотой, напряжение в бортовой сети автомобиля остаётся почти постоянным.
В автомобильных ключевых стабилизаторах напряжения генераторов постоянного тока реле является прецизионным триггером Шмитта, контакты реле, шунтирующие дополнительное последовательное сопротивление в обмотке возбуждения генератора – ключевым исполнительным элементом, а генератор – объектом управления.
Ключевой стабилизатор напряжения с триггером Шмитта прост по конструкции. Частота замыкания/размыкания ключа в нём определяется суммой постоянных времени заряда и разряда накопителя объекта управления (аккумулятора и других потребителей электроэнергии) и разницей между максимально допустимым и минимально допустимым напряжениями. Чем больше диапазон допустимых напряжений, тем меньше частота замыкания/размыкания ключа. При постоянной нагрузке частота замыкания/размыкания постоянна. Значительно меньшая частота замыкания/размыкания ключа в ключевых стабилизаторах напряжения на триггере Шмитта, по сравнению с другими схемами стабилизаторов, позволяет применять более низкочастотные ключи, которые дешевле высокочастотных и более широко распространены. Именно применение схемы ключевого стабилизатора напряжения с триггером Шмитта позволило применить в автомобильных регуляторах напряжения такие низкочастотные ключевые переключающие элементы, как реле.
2. Ограничитель тока (сокращённо ОТ) — электромагнитное реле, не позволяющее току генератора превышать расчётную величину. Обмотка ограничителя тока включена последовательно между генератором и потребителями. При достижении током расчётной силы, а значит и в обмотке ограничителя тока реле срабатывает и в цепь обмотки возбуждения включается дополнительное сопротивление, уменьшается ток возбуждения, уменьшается напряжение на генераторе, а следовательно, уменьшается ток, отдаваемый генератором. При отключении потребителей ограничитель тока поддерживает постоянную величину зарядного тока аккумуляторной батареи. При включении потребителей электроэнергии зарядный ток будет уменьшаться в зависимости от сопротивления нагрузки. При этом, если ток внешней цепи превышает максимально допускаемый ограничителем тока, то, кроме тока генератора, во внешнюю цепь пойдёт ток из аккумуляторной батареи, то есть батарея будет разряжаться.
Ограничитель тока и регулятор напряжения работают не одновременно. Пока ток, отдаваемый генератором не достигнет допускаемой максимальной величины, работает только регулятор напряжения. Когда ток генератора достигнет предельной величины, ограничитель тока включает дополнительное сопротивление, а регулятор напряжения перестаёт работать.
3. Реле обратного тока (сокращённо РОТ). При длительном прохождении тока из батареи через генератор могут перегреться обмотки, кроме того, бесполезно разряжается аккумулятор. Назначение реле обратного тока — автоматически отключать генератор от внешней цепи, когда его напряжение станет меньше напряжения батареи и включать генератор, как только напряжение генератора превысит расчётную величину.
Если на панели приборов установлена контрольная лампа работы генератора (зажигается при низком напряжении генератора, когда расходуется энергия аккумулятора) — устанавливается четвёртое реле (обычно выполняется в отдельном корпусе) — реле включения контрольной лампы.
В СССР серийно выпускались только вибрационные реле-регуляторы (с электромагнитными реле), в 1970-е — 1980-е годы отмечено появление радиолюбительских конструкций на полупроводниковых приборах (публиковались в журналах «Радио», «За рулём», «В помощь радиолюбителю».
Генераторы переменного тока [ править | править код ]
Первая конструкция генераторов переменного тока была представлена фирмой «Невиль», США в 1946 году. Она состояла практически из всех элементов характерных генераторам постоянного тока: генератор переменного тока с обмоткой возбуждения (отдельно), блок селеновых выпрямителей (отдельно) и ключевой стабилизатор напряжения (СН), реле обратного тока (РОТ), ограничитель тока (ОТ) — три изделия в одном корпусе отдельно. Основное назначение изделия мощностью 4 кВт — специальные военные автомобили и автобусы. По массо-габаритным характеристикам данная разработка была в 2,5 раза меньше аналога на постоянном токе.
В СССР, примерно в 1954 году, была представлена первая конструкция генератора переменного тока только со СН и выпрямительным блоком на селеновых выпрямительных диодах. Основной разработчик МЭИ, коллектив которого ранее опубликовал статью по синхронным генераторам с селеновыми выпрямителями. В 1955 году была выпущена первая партия для автомобилей ГАЗ в количестве 2000 шт. Разработка, оптимизация серийной конструкции и организация производства были осуществлены под руководством НИИ Автоприборов (сейчас НИИАЭ) и завода КЗАТЭ г. Самара. Одними из ведущих разработчиками благодаря которым в СССР и на Европейском континенте появилась первая серийная конструкция генераторов переменного тока были Ю. А. Купеев (НИИ Автоприборов) и В. И. Василевский (КЗАТЭ г. Самара).
В 1960 году фирма «Крайслер» представила первую в мире конструкцию с кремниевыми выпрямителями и улучшенной технологией изготовления. В остальном она повторяла разработку авторов из СССР. Тогда же в США начался массовый переход на генераторы переменного тока, который впоследствии произошёл и в СССР только в 1967 году.
Первый конкурентоспособным с изделиями фирмы «Крайслер» серийным генератором в СССР стал Г250.
На современных автомобилях применяются синхронные трёхфазные генераторы переменного тока со встроенным полупроводниковым трёхфазным выпрямителем.
Ротор автомобильного генератора переменного тока имеет обмотку возбуждения (у генератора постоянного тока обмотка возбуждения находится на сердечниках полюсов), ток подводится через щётки и контактные кольца. Статор имеет три обмотки, соединённые «звездой». Снимаемый со статора ток выпрямляется шестью полупроводниковыми диодами (встроены в выпрямительный щит) и становится постоянным пульсирующим. Далее выпрямленный ток поступает в бортовую электросеть автомобиля.
Ключевой стабилизатор напряжения регулирует ток обмотки возбуждения по принципу отрицательной обратной связи таким образом, чтобы выходное напряжение генератора было как можно более стабильным. Ключевой стабилизатор напряжения на триггере Шмитта позволяет применять более низкочастотные ключевые регулирующие элементы, которые дешевле и более широко распространены, чем высокочастотные ключевые регулирующие элементы, вплоть до таких низкочастотных ключевых регулирующих элементов, как реле.
Ключевые стабилизаторы напряжения генераторов переменного тока могут быть вибрационные (только электромагнитные реле), контактно-транзисторные (электромагнитные реле, управляемые транзисторной схемой) или бесконтактные (электромагнитное реле отсутствует, ток регулирует электронный ключ на транзисторах). Конструктивное исполнение — выполненные в отдельном корпусе или встроенные в генератор.
Например, на автомобиле ГАЗ-53 применялся контактно-транзисторный стабилизатор напряжения РР-362 (генератор Г-250), на ВАЗ-2101 — вибрационный стабилизатор напряжения РР-380 (генератор Г-221), а на автомобиле Москвич-2140 — контактно-транзисторный стабилизатор напряжения РР-362А. На более поздних выпусках автомобилей ВАЗа и Москвиче-2140 использовался импульсный стабилизатор напряжения Я-112.
Ограничитель тока не используется, так как генераторы переменного тока обладают свойством самоограничения по току благодаря противоиндукции ротора фазными обмотками при возрастании в них тока, реле обратного тока отсутствует как таковое, его функции выполняет выпрямитель; характерно использование реле включения контрольной лампы работы генератора, питаемое или от нулевой точки выпрямителя, или от двух фаз генератора. В отдельных случаях (Г-502 на ЗАЗ-968) функции такого реле исполняет реле блокировки стартера РБ-1, оно же разрывает цепь питания реле стартера после пуска двигателя.
Применение генераторов переменного тока позволяет уменьшить габаритные размеры, вес генератора, повысить его надёжность, сохранив или даже увеличив его мощность по сравнению с генераторами постоянного тока.
Например, генератор постоянного тока Г-12 (автомобиль ГАЗ-69) весит 11 кг, номинальный ток 20 ампер, а генератор переменного тока Г-250П2 (автомобиль УАЗ-469) при массе 5,2 кг выдаёт номинальный ток 28 ампер.
Вот почему автомобили используют генераторы переменного тока, хотя все устройства на борту работают от постоянного электричества
Задумывались ли вы когда-нибудь о том, что питает все системы вашего автомобиля ? За счет чего заводится мотор, горят лампочки на приборной панели, движутся стрелки и работают бортовые компьютеры? Откуда берется электричество на борту? Конечно, их вырабатывает генератор и аккумулирует химический накопитель энергии многоразового действия – электрический аккумулятор. Это знают все. Скорее всего, вы также в курсе, что аккумуляторная батарея вырабатывает постоянный ток, который используется в любом автомобиле для запитывания приборов. Однако во всей этой стройной теории, проверенной практикой, присутствует одно странное звено, не желающее поддаваться логике, – генератор вырабатывает ток переменный, тогда как все механизмы на борту машины потребляют ток постоянный. Это не кажется вам странным? Почему так происходит?
На самом деле это интересный вопрос, потому что в этой истории на первый взгляд нет никакого смысла. Если все потребители электричества в вашем автомобиле работают на 12 вольтах постоянного тока, почему автопроизводители больше не используют генераторы, которые производят постоянный ток? Ведь раньше так и делали. Почему необходимо сперва сгенерировать переменный ток, а затем преобразовывать его в постоянное электричество?
Задавшись такого рода вопросами, мы начали докапываться до истины. Ведь есть же в этом какая-то тайная причина. И вот что мы выяснили.
Во-первых, давайте проясним, что мы подразумеваем под переменным и постоянным током. Автомобили используют постоянный ток, или прямой ток, как его еще называют. В названии скрыта суть феномена. Это тип электричества, который производится батареями, он течет в одном постоянном направлении. Этот же тип электричества производился генераторами, которые ставились на первые автомобили с начала 1900-х годов до 60-х годов прошлого века. На старушках ГАЗ М-20 «Победа» и ГАЗ-69 ставились именно генераторы постоянного тока.
Другой вид электричества – переменный ток – назван так из-за того, что он периодически обращает течение по направлению, а также изменяется по величине, сохраняя свое направление в электрической цепи неизменным. Доступ к этому типу электричества можно получить в любой розетке обычной квартиры по всему миру. Мы используем его для питания электроприборов в частных домах, зданиях, огни больших городов также дают свет благодаря переменному току, потому что его легче передавать на большие расстояния.
Большая часть электроники, в том числе почти вся в вашем автомобиле, использует постоянный ток, преобразуя переменный ток в постоянный для выполнения полезной работы. В бытовых приборах установлены так называемые блоки питания, в которых происходит конвертация одного вида энергии в другой. Побочным результатом работы преобразования является немного тепла на выходе. Чем сложнее бытовая утварь, к примеру компьютер или Smart TV, тем сложнее цепочка преобразований. В некоторых случаях переменный ток частично не изменяется, а лишь корректируется его частота. Поэтому очень важно при замене вышедшего из строя блока питания заменять его на оригинальный, требуемого типа. Иначе технике наступит очень быстрый конец.
Но что-то мы отошли от главных вопросов, поставленных на повестку дня сегодня.
Итак, зачем в автомобилях вырабатывать «неправильный» вид электричества?
В общем, ответ очень прост: таков принцип работы генератора переменного тока. Наиболее высокий КПД при переводе механической энергии вращения двигателя в электрическую энергию происходит именно по такому принципу. Но есть нюансы.
Кратко принцип работы автомобильного генератора таков:
При включении зажигания на обмотку возбуждения подается напряжение через блок щеток и контактные кольца.
Инициируется появление магнитного поля.
Магнитное поле воздействует на обмотки статора, что приводит к появлению электрического переменного тока.
Далее переменный ток отправляется на выпрямительный блок, где происходит его преобразование в постоянный ток.
Завершающая стадия «готовки» правильного тока – регулятор напряжения.
После всего процесса часть электричества запитывает электропотребители, часть идет на подзарядку аккумулятора, некоторая часть уходит обратно на щетки альтернатора (так когда-то называли генератор переменного тока) для самовозбуждения генератора.
Выше был описан принцип работы современного генератора переменного тока, но так было не всегда. Ранние автомобили с двигателями внутреннего сгорания использовали магнето – простейшее приспособление для преобразования механической энергии в электрическую (переменного тока). Внешне, да и внутренне, эти машинки были даже схожи с более поздними генераторами, но использовались на очень простых автомобильных электрических системах без батарей. Все было просто и безотказно. Не зря некоторые сохранившиеся до наших времен 90-летние автомобили заводятся до сих пор.
Индукторы (второе название магнето) впервые были разработаны человеком с неподражаемым именем – Ипполит Пикси.
На данный момент мы с вами выяснили, что тип вырабатываемого генераторами тока зависит от продуктивности перевода механической энергии в электрическую, но также немаловажную роль во всей этой истории сыграло снижение массы и габаритов устройства по сравнению с аналогичными по мощности устройствами-производителями постоянного тока. Разница в весе и габаритах оказалась почти в три раза! Но есть еще один секрет, почему автомобильные генераторы сегодня вырабатывают переменный ток. Вкратце это более передовой эволюционный путь развития генераторов постоянного тока, которых, признаться честно, по сути, и не существовало в чистом виде.
Историческая справка:
Более того, генераторы постоянного тока на самом деле также производили переменный ток, когда якорь (подвижная часть) вращался внутри статора (внешний «корпус», который имеет постоянное магнитное поле). Разве что частота тока была иной и «сгладить» ее в постоянный ток можно было проще – при помощи коммутатора.
Коммутатором тогда называлось механическое приспособление с вращающимся цилиндром, поделенным на сегменты с щетками для создания электрического контакта.
Система работала, но была неидеальна. В ней было множество механических частей, контактные щетки быстро изнашивались, и общая надежность системы была так себе. Тем не менее это был лучший способ получить постоянный ток, который был нужен вам для зарядки аккумулятора и системы запуска автомобиля.
Так было до конца 1950-х годов, когда начала появляться твердотельная электроника, ставшая решением проблемы преобразования переменного тока в постоянный посредством кремниевых диодных выпрямителей.
Эти выпрямители тока (иногда называемые диодным мостом) показали себя с гораздо лучшей стороны в качестве преобразователей переменного тока в постоянный, что, в свою очередь, позволило использовать более простые, а значит, более надежные генераторы переменного тока в автомобилях.
Первым зарубежным автопроизводителем, который развил эту идею и вывел ее на рынок легковых автомобилей, был Chrysler, имевший опыт работы с выпрямителями и электронными регуляторами напряжения благодаря исследовательской работе, спонсируемой Министерством обороны США. В Википедии отмечается, что американская разработка «…повторяла разработку авторов из СССР», первая конструкция генератора переменного тока была представлена в Советском Союзе за шесть лет до этого. Единственным, но важным улучшением американцев стало применение кремниевых выпрямительных диодов вместо селеновых.
В СССР же, хоть и опоздали на 7 лет с введением в серию генераторов переменного тока на легковые автомобили, опередили весь мир в самой разработке новых типов генераторов. Еще в 1955 году на Горьковском автозаводе было выпущено 2.000 машин с альтернаторами вместо магнето.
«Одними из ведущих разработчиков, благодаря которым в СССР и на европейском континенте появилась первая серийная конструкция генераторов переменного тока, были Ю. А. Купеев (НИИ автоприборов) и В. И. Василевский (КЗАТЭ г. Самара)», – говорится на страницах Википедии.
Итог. Почему генераторы на авто вырабатывают переменный ток?
Ну, а мы завершаем наш рассказ. Первым легковым автомобилем, в базовой комплектации которого устанавливался генератор новой конструкции, стал Plymouth 1960 года выпуска. Некоторыми из наиболее очевидных преимуществ генератора было то, что на низкой скорости или на холостом ходу он по-прежнему производил достаточно тока, чтобы заряжать аккумулятор, что большинство генераторов того времени были не в состоянии сделать.
Оказалось, что альтернаторы, после того как был налажен массовый выпуск, производить дешевле, чем генераторы старой конструкции, они надежнее, выносливее и производят больше электричества на разных скоростях вращения коленчатого вала. Они сделали настолько большой шаг вперед, что все их плюсы запросто перекрывали единственный минус – они не могли производить постоянный ток. Позиция закрепилась после того, как инженерами был разработан дешевый и надежный твердотельный выпрямитель.
Генератор переменного тока. Выпрямитель может быть встроенным. От этого генератор не перестает быть генератором переменного тока.
Обоснование: Конструктивно проще, не надо коллектора – только токосъемник => износоустойчивость узла съема тока выше, соответственно – надежность. В современных автомобилях применяются вентильные генераторы. Это синхронные трехфазные электрические машины переменного тока, которые — как отечественные, так и зарубежные — имеют очень похожие конструкции и отличаются, если оставить в стороне качество изготовления, только габаритами, расположением присоединительных мест и отдельных узлов.
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРА
Устройство генератора показано на фото. Корпус (5) и передняя крышка генератора (2) служат опорами для подшипников (9 и 10), в которых вращается якорь (4). На обмотку возбуждения якоря напряжение от аккумулятора подается через щетки (7) и контактные кольца (11). Якорь приводится в движение посредством клинового ремня через шкив (1).
При запуске двигателя, как только якорь начинает вращаться, создаваемое им электромагнитное поле индуцирует переменный электрический ток в обмотке статора (3). В выпрямительном блоке (6) этот ток становится постоянным. Далее ток через совмещенный с выпрямительным блоком регулятор напряжения поступает в электросеть автомобиля для питания системы зажигания, освещения и сигнализации, контрольно-измерительных приборов и др. Аккумуляторная батарея подключится к числу этих приборов и начнет подзаряжаться чуть позднее, как только электроэнергии, вырабатываемой генераторной установкой, станет достаточно, чтобы обеспечить бесперебойное функционирование всех потребителей.