Принципы работы и конструктивные схемы вентильных генераторов

Преобразование механической энергии, которую генератор получает от двигателя автомобиля, в электрическую происходит в соответствии с явлением электромагнитной индукции. Сущность явления заключается в следующем. Если с определенной скоростью менять магнитный поток, пронизывающий контур из токопроводящего материала, то на выводах контура появляется электродвижущая сила (ЭДС). Если изменяющийся магнитный поток пронизывает катушку с изолированными друг от друга витками провода, то на выводах катушки возникает ЭДС, пропорциональная произведению числа витков на скорость изменения магнитного потока.

Наведение ЭДС в катушках автомобильных генераторов осуществляется при изменении магнитного потока:

- по величине и направлению, что характерно для щеточной конструкции вентильного генератора;

- только по величине, что характерно для бесщеточного генератора, в частности индукторного.

Основные узлы генератора, в которых происходит преобразование механической энергии в электрическую, - магнитная система с обмоткой возбуждения и стальными участками магнитопровода, по которым протекает магнитный поток Ф, и обмотка статора, в которой индуктируется ЭДС при изменении магнитного потока.

В щеточном вентильном генераторе магнитный поток создается обмоткой возбуждения 4 (рис. 6.1) при протекании по ней электрического тока и системой полюсов 3. В автомобильных генераторах их, как правило, двенадцать.

Полюса с обмоткой возбуждения, кольца, через которые ток от щеток подводится к обмотке возбуждения, вал и другие конструктивные элементы образуют вращающийся ротор.

Обмотка, в которой вырабатывается электрический ток, уложена в пазы неподвижного магнитопровода и вместе с ним представляет собой статор. Обмотка статора состоит из трех независимых обмоток фаз. В каждой фазе имеется по шесть катушек, включенных последовательно. Если обмотка фазы образована из двух параллельных ветвей, то в каждой ветви находится по шесть катушек.

Рис. 6.1. Вентильный синхронный генератор:

1 - магнитопровод; 2 - обмотка якоря; 3 - полюс ротора; 4 - обмотка возбуждения; 5 - щетки; б – выпрямитель

Частота изменения напряжения связана с частотой п вращения ротора и числом р пар полюсов ротора соотношением

(6.1)

В отечественных автомобильных вентильных генераторах p равно 6, поэтому частота их переменного тока в 10 раз меньше частоты вращения ротора.

В обмотках фаз вырабатывается трехфазный ток, т.е. напряжение и ток в них смещены относительно друг друга на 1/3 периода (120 °).

Чем выше частота вращения ротора и больше величина магнитного потока, тем быстрее происходит его изменение внутри катушек фаз статора и тем выше значения наводимого в них напряжения.

Ротор автомобильного генератора состоит из двух полюсных половин, выступы (клювы) которых образуют у одной половины северную, а у другой - южную систему полюсов. Клювообразная система полюсов характерна для автомобильных генераторов, выпускаемых во всем мире. При сборке южные полюса располагаются между северными, а обмотка возбуждения, надетая на стальную втулку, оказывается зажатой между полюсными половинами. Клювообразное исполнение ротора позволяет с помощью одной катушки образовать многополюсную систему.

Вентильные генераторы с клювообразным ротором представляют собой синхронную электрическую машину с встроенным полупроводниковым выпрямителем. Основные узлы и детали генератора - статор, ротор с клювообразными полюсами, втулкой и сосредоточенной вращающейся обмоткой возбуждения, крышки со стороны привода и контактных колец, щетки, шкив, вентилятор и выпрямительный блок.

Пакет статора набран из пластин электротехнической стали. В пазах статора размещены катушки трехфазной (или с большим числом фаз) обмотки. Число пазов на полюс и фазу для вентильных генераторов с клювообразным ротором вычисляется по формуле

(6.2)

где Z₁ – число пазов статора;

2р – число полюсов генератора;

т – число фаз генератора.

Большие значения q позволяют удовлетворить высокие требования к синусоидальности выходного напряжения и КПД. При меньших q можно получить высокотехнологичную и надежную в эксплуатации конструкцию генератора при малой ее стоимости.

Иногда в вентильных генераторах используют две самостоятельные обмотки. Обмотка с большим числом витков обеспечивает необходимую отдачу по мощности при низкой частоте вращения ротора, обмотка с меньшим числом витков - при большей частоте вращения ротора генератора.

Существенным недостатком генераторов, выполненных по схеме, представленной на рис. 6.1, является наличие контактного узла, состоящего из электрощеток и колец.

Пыль, грязь, топливо, масло и вода, попадая на контактный узел, быстро выводят его из строя. Специальная защита от загрязнения кардинально не решает проблему и существенно усложняет конструкцию генератора. Поэтому более долговечными являются бесщеточные вентильные генераторы индукторного типа.

Индукторные генераторы. Индукторный генератор представляет собой бесконтактную, одноименно-полюсную электрическую машину переменного тока с односторонним электромагнитным возбуждением. Стальная звездочка роторавращается вместе с валом, который проходит внутри подвижной втулки. На втулке закреплена обмоткавозбуждения, а на зубцах статора - обмоткастатора. Все зубцы звездочки имеют одну полярность. Изменение магнитного потока связано с изменением магнитной проводимости воздушного зазора под зубцами статора. Поток в зубце статора достигает максимального значения Ф_mах, когда оси зубцов ротора и статора совпадают, и уменьшается до минимального значения Ф_min после поворота на 180°, когда ось зубца статора совпадает с осью впадины звездочки ротора. Следовательно, магнитный поток в зубцах статора является пульсирующим, т.е. изменяется только по величине без изменения направления.

Для большей степени изменения магнитного потока и, следовательно, повышения мощности генератора во впадинах звездочки ротора закрепляют постоянные магниты. В трехфазных индукторных генераторах статора имеется 9 зубцов с обмотками, а в пятифазных - 10.

Магнитный поток индукторного генератора имеет постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая в наведении ЭДС в катушках статора не участвует и ухудшает использование материалов генератора. ЭДС в катушках наводит только переменная составляющая магнитного потока. Величина индуктируемой ЭДС зависит от амплитуды магнитного потока, числа витков обмотки статора и частоты п вращения ротора. Чем больше число витков, тем при меньшей частоте вращения ротора можно получить требуемое напряжение. Как правило, звездочка ротора имеет шесть зубцов, и частота переменного напряжения вычисляется из выражения f = n /10.

Обмотка каждой фазы может иметь несколько катушек, соединенных последовательно, параллельно и смешанно. Фазы обмотки статора соединяют в многолучевую звезду или многоугольник.

При соединении фаз в звезду концы всех фаз соединяют в общей нулевой точке, которую изолируют в генераторе или выводят отдельным нулевым проводом. Начала фаз соединяют с выпрямителем

Соединения фаз в звезду и треугольник отличаются соотношениями линейных U _л и фазных U _ф напряжений, линейных I_л и фазных I_ф токов. При соединении фаз в звезду справедливы выражения:

, (6.3)

а при соединении в треугольник

. (6.4)

Приведенные соотношения справедливы для действующих значений синусоидально изменяющихся переменных напряжений и токов.

Выпрямитель выпрямляет тот переменный ток, который к нему подводится. При соединении в треугольник фазные токи в 3^1/2 раза меньше линейных, в то время как у звезды линейные и фазные токи равны. Это значит, что при том же отдаваемом генератором токе токи в обмотках фаз при соединении в треугольник значительно меньше, чем при соединении звездой. Поэтому в генераторах большой мощности часто применяют соединение в треугольник, так как при меньших значениях тока обмотки можно наматывать более тонким проводом, что технологичнее. Однако линейные напряжения при соединении звездой в 3^1/2 раз больше фазного, в то время как при соединении в треугольник они равны, и для получения такого же выходного напряжения при тех же частотах вращения ротора требуется соответствующее увеличение числа витков его фаз по сравнению с соединением звездой.

Более тонкий провод можно применять и при соединении в звезду. В этом случае обмотку статора выполняют из двух параллельных обмоток, каждая из которых соединена в звезду, т.е. получается двойная звезда.

Бесщеточные вентильные генераторы с укороченными полюсами. Известны бесщеточные генераторы, являющиеся промежуточной конструкцией между генератором с клювообразным исполнением ротора и индукторным генератором. Магнитный поток в данном генераторе также имеет постоянное направление у каждой полюсной половины, как это характерно для индукторного генератора, но в целом магнитный поток, пронизывающий катушки фаз статора, изменяется по направлению.

Дата добавления: 2015-07-19