Принцип работы генератора

Автомобильные генераторы переменного тока относятся к синхронным электрическим машинам, потому что частота вра­щения ротора и частота наводимой в обмотках статора э.д.с. же­стко связаны между собой отношением:

 , где f - частота переменного тока, Гц; р — число пар полюсов генератора; п — частота вращения ротора, об/мин.

Важной характеристикой об­мотки статора является число пазов на полюс и фазу, равное , где Z — общее число пазов на статоре; 2р — число полюсов генератора; т — число фаз ге­нератора.

В отечественных автомобиль­ных генераторах применяются трехфазные обмотки с числом пазов на полюс и фазу q, рав­ным 0, 5; 1 и 2.

Катушки обмотки статора в большинстве случаев имеют по нескольку витков, но на схемах обмотки (см. рис. 5, 6, 7, 8) они, как правило, условно изо­бражаются одновитковыми, так как схема соединения кату­шек друг с другом не зависит от числа витков в катушке.

Электродвижущая сила в фазных обмотках генератора возни­кает при пересечении проводников обмотки статора магнитным потоком, созданным обмоткой возбуждения. При замыкании вы­ключателя зажигания ток от аккумуляторной батареи поступает в обмотку возбуждения генератора. Вокруг обмотки возбужде­ния 2 возникает магнитный поток (рис. 10), рабочая часть 7 ко­торого проходит через втулку 1 и вал, распределяется по клювообразным полюсам 3 одной полярности N, выходит из полюсов этой полярности, пересекает воздушный зазор между ротором и статором, проходит по зубцам и спинке статора 5, еще раз пере­секает воздушный зазор, входит в клювообразные полюса 4 дру­гой полярности S и замыкается через эти полюса опять на втулку 1 и вал. Часть магнитного потока, созданного обмоткой возбуж­дения, замыкается по воздуху мимо статора, не охватывая про­вода его обмотки. Эта часть магнитного потока 8 называется магнитным потоком рассеяния и в наведении электродвижущей силы в обмотке статора 6 не участвует.

При вращении ротора под каждым зубцом статора проходят попеременно то северный, то южный полюс ротора. Величина магнитного потока, проходящего через зубцы статора при этом из­меняется по величине и направлению, пересекая проводники трех­фазной обмотки статора, заложенной в пазы между зубцами.

Действующее (эффективное) значение электродвижущей си­лы, наводимой в обмотке одной фазы генератора при данной ве­личине рабочего магнитного потока Фя .определяется по формуле , где f — частота индуктирован­ной э. д. с.;

w — число последовательно соединенных витков в обмотке одной фазы статора;

Фd — значение рабочего маг­нитного потока в воз­душном зазоре генера­тора, Вб; Kоб — коэффициент.

Так как стороны одного витка катушки не всегда расположе­ны точно на расстоянии полюсного деления (т. е. расстояния между осями смежных полюсов), то э.д.с., индуктированные в двух сторонах одного и того же витка, могут не совпадать по фазе и суммирование этих э.д.с, необходимо выполнять не ариф­метически, а геометрически. Это обстоятельство учитывается об­моточным коэффициентом Коб который является отношением гео­метрической суммы э. д.с., индуктированных в отдельных прово­дах обмотки, к их арифметической сумме.

Значение обмоточного коэффициента Коб зависит от числа q пазов статора генератора на полюс и фазу и равно: 0, 866 — для трехфазных генераторов при q=0, 5 (18 пазов на статоре, 12 по­люсов ротора); 1, 0 — для трехфазных генераторов при q=1 (36 пазов на статоре, 12 полюсов ротора); 0, 966 — для трехфазных генераторов при q =2, 0 (72 паза на статоре, 12 полюсов ротора).

Характер изменения э.д.с. в проводниках обмотки статора, т. е. форма э. д. с. определяется кривой распределения магнитной индукции в зазоре по окружности статора, которая, в свою оче­редь, зависит от формы полюса.

В автомобильных синхронных генераторах применяют клювообразный полюс (рис. 11), имеющий трапецеидальную форму по­верхности, обращенную к расточке (т. е. внутренней поверхности) статора. Такой полюс обеспечивает форму кривой э.д.с., близкую к синусоидальной.

Переменное напряжение и ток, индуктированные в обмотке статора, выпрямляются при помощи кремниевых выпрямителей, собранных по трехфазной двухполупериодной схеме (схеме А. Н. Ларионова). В этой схеме (рис. 12, а) применены шесть венти­лей: три для положительной полярности и три для отрицательной полярности.

Максимальные значения индуктированных в обмотках фаз ге­нератора напряжений U_1фмах U2_фмах U_3фмах изображены на век­торной диаграмме (рис. 12, б, слева) тремя векторами, сдвину­тыми друг относительно друга на 120° (т.е. 1/3 периода индукти­рованного напряжения). Мгновенные значения индуктированного напряжения U1ф, U2ф U3ф изображены в правой части рис. 12, б. С течением времени все три вектора на векторной диаграмме, не

Рис. 12. Схема выпрямления переменного тока автомобильного генератора:

а — соединение трехфазной обмотки генератора с вентилями по трехфазной двухполупериодной схеме (схема А. Н. Ларионова); б — векторная диаграмма (слева) и кривые изменения мгновенных значений фазных напряжений по времени, а также кривая вы­прямленного напряжения (справа); R - сопротивление нагрузки

изменяя взаимного расположения, вращаются против часовой стрелки, делая один оборот за один период Т переменного напря­жения. Мгновенные значения напряжений U1ф, U2ф, U3ф равняются проекциям этих векторов на вертикальную ось и, следовательно, изменяются по синусоидам. Положительные направления индук­тированных в обмотках фаз генератора напряжений U3ф, U2ф, U3ф (т. е. их направления во время положительной полуволны пере­менного напряжения) показаны на схеме обмоток генератора (см. рис. 12, а) сплошными стрелками.

Возьмем момент времени t1 (см. рис. 12, б, справа), соответст­вующий 1/6 периода Т, или 60° поворота векторов от начального положения. Мгновенные значения фазных напряжений в этот мо­мент будут:

Поскольку напряжение Uф2 в данный момент t1 отрицательно, то его фактическое направление в обмотке генератора будет об­ратным; на рис. 12, а оно изображено пунктирной стрелкой.

Напряжение, приложенное к вентилям выпрямительного уст­ройства, при соединении фаз статора в звезду будет равно раз­ности напряжений двух фаз (в данном случае первой и второй), поскольку фазы соединены в нулевую точку концами. Это напря­жение будет равно:

так как максимальные величины напряжений всех фаз равны

друг другу, т. е.

Это напряжение, равное 1, 73 Uфмах, создает ток, изображен­ный на рис. 12, а пунктирными стрелками и замыкающийся на внешнее сопротивление R через два вентиля: средний положи­тельной и правый отрицательной полярности.

В следующие после t1 моменты времени напряжение U1ф будет увеличиваться, а напряжение U2ф быстро уменьшаться по абсо­лютной величине. В результате картина прохождения токов на рис. 12, а будет прежняя, но суммарное напряжение первой и второй фазы несколько уменьшится.

Рассмотрим момент времени t2, соответствующий 1/4 периода Т или повороту векторов на 90°. В этот момент напряжение пер­вой фазы достигает максимума U1ф=U1фмах, а напряжение второй фазы уменьшится до половины максимального значения и равня­ется U2ф=U2фтах Sin 330°= -0, 5 U2фмах.

Поэтому разность напряжений первой и второй фазы будет:

В последующие моменты времени напряжение третьей фазы U3ф (по абсолютной величине) становится больше уменьшающе­гося фазного напряжения U2ф, и выпрямленный ток замыкается уже через обмотки и вентили первой и третьей фазы.

Таким образом, процесс повторяется и в любой момент вре­мени в контур выпрямленного тока обязательно оказываются включенными по одному вентилю положительной и отрицатель­ной полярности, причем в выпрямлении тока будет участвовать лишь та пара вентилей, которая находится под более высоким на­пряжением, чем другие. Выпрямленное напряжение Ud (см. рис. 12, 6) будет пульсировать, изменяясь по отрезкам синусоид с ча­стотой, в 6 раз большей, чем частота переменного тока, индукти­рованного в обмотках генератора, и его величина в идеальном случае (пренебрегая падением напряжения в вентилях и соеди­нительных проводах) будет изменяться от 1, 5 до 1, 73 Uфmах

Поскольку выпрямленное напряжение и ток используются на автомобиле для заряда аккумуляторной батареи, то нас интере­сует среднее значение выпрямленного (пульсирующего) напряже­ния, которое, как показывают расчеты, равно:

Ud = 1,65Uфмах.

Приборы измеряют не амплитудное, а действующее (эффек­тивное) значение переменного тока, и все расчеты выполняются по действующим (эффективным) значениям переменного напря­жения и тока, которые в раза меньше амплитудных зна­чений. Поэтому среднее значение выпрямленного напряжения

Ud = 1, 65 Uфmах = 1, 65*1, 41 Uф = 2, 34 Uф,

где Uф — действующее значение фазного напряжения генератора. Величина выпрямленного тока

, где Iф — действующее значение фазного тока генератора.

В реальных случаях вследствие падения напряжения в селе­новых или кремниевых вентилях, соединительных проводах и т. п., соотношения между величинами выпрямленного и фазного на­пряжения и тока отличаются от приведенных выше теоретических значений и их величина обычно определяется экспериментально