Генератор переменного тока

Основным источником электрической энергии в системе электроснабжения является генератор переменного тока, который приводится во вращение от двигателя трактора посредством ременной передачи. Специальный узел генератора — выпрямитель на полупроводниковых диодах (вентилях) — обеспечивает преобразование переменного тока в постоянный. Такие генераторы называются вентильными.


Тракторы комплектуются вентильными генераторами с электромагнитным возбуждением. В основном это трех- и пятифазные бесщеточные генераторы индукторного типа с неподвижной обмоткой возбуждения. Применяют также трехфазные вентильные синхронные генераторы с вращающейся обмоткой возбуждения, которая получает питание через щетки и контактные кольца. В настоящее время на ряде малых тракторов появился новый класс генераторов переменного тока со встроенными двумя вентиляторами на роторе и с закрытым щеточным узлом.

Установленную величину напряжения системы электроснабжения при изменении частоты вращения ротора генератора и токовой нагрузки поддерживает регулятор напряжения.

Комплект генератора переменного тока с выпрямителем и регулятором напряжения называют генераторной установкой.

Характерной особенностью современных генераторных установок является объединение в одной конструкции генератора переменного тока, выпрямителя и полупроводникового интегрального регулятора напряжения. В этом случае упрощается монтаж генераторной установки на тракторе, снижается трудоемкость технического обслуживания, уменьшается расход монтажных проводов, снижается вероятность возникновения аварийных режимов из-за замыканий в проводке или ошибок в монтаже.

Основными параметрами генераторных установок являются номинальные напряжение и мощность генератора, уровень и диапазон регулируемого напряжения, качество электрической энергии, диапазон частот вращения и передаточное число привода генератора.

Генератор должен обеспечивать отдачу электрической энергии даже при минимальной частоте вращения коленчатого вала ротора, соответствующей минимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя в режиме холостого хода, этого можно достигнуть за счет повышения передаточного числа ременной передачи привода генератора. Однако при передаточном числе больше трех снижается срок службы ремней и увеличиваются механические нагрузки на вращающиеся узлы и детали генератора и на подшипники.
Конструктивная схема генератора индукторного типа
Рис. 1. Конструктивная схема генератора индукторного типа: 1 — обмотка возбуждения; 2 — магнитная система индуктора (втулка с фланцем); 3 — вал; 4 — ротор; 5 — статор; 6 — крышки; 7 — обмотка статора; 8 — подшипник

Тракторный индукторный генератор (рис. 1) представляет собой бесконтактную, одноименно-полюсную электрическую машину переменного тока с односторонним электромагнитным возбуждением. Стальная звездочка ротора 4 вращается вместе с валом 5, который проходит внутри неподвижной втулки 2. На втулке закреплена обмотка возбуждения 1, а на зубцах статора 5 — обмотка 7.

При прохождении постоянного тока через обмотку возбуждения в магнитной цепи генератора возникает магнитный поток, силовые линии которого на рис. 1 показаны штриховой линией. Поток замыкается через воздушный зазор между втулкой 2 и валом 3, звездочку ротора, рабочий воздушный зазор между ротором и статором, пакет статора 5, крышки 6 и толстостенную шайбу или фланец втулки 2.

Все зубцы звездочки ротора имеют одну полярность. Изменение магнитного потока связано с изменением магнитной проводимости воздушного зазора под зубцами статора. При вращении ротора изменяется положение зубцов его звездочки по отношению к зубцам статора. Поток в зубце статора достигает максимального значения Фmax, когда оси зубцов ротора и статора совпадают, и уменьшается до минимума Фmin, после поворота на 180 электрических градусов, когда ось зубца статора совпадет с осью впадины звездочки ротора. Следовательно, магнитный поток в зубцах статора является пульсирующим, т.е. изменяется только по величине без изменения направления.

Магнитный поток имеет постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая в наведении электродвижущей силы в катушках статора не участвует, однако загружает магнитопровод и ухудшает использование материалов генератора. ЭДС в катушках статора наводит только переменная составляющая магнитного потока. Величина индуктируемой ЭДС зависит от величины магнитного потока, числа витков обмотки статора и частоты вращения n ротора.

Чем больше число витков, тем при меньшей частоте вращения можно получить требуемое напряжение генератора. Частота f переменной ЭДС пропорциональна частоте вращения n ротора и числу зубцов Zp звездочки ротора: f=Zpn/60.

Как правило, звездочка ротора имеет шесть зубцов и частота переменной ЭДС f=n/10.

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

В трехфазном генераторе имеются три группы катушек, расположенные на зубцах статора таким образом, что наводимые в них ЭДС и напряжения Ua, Ub, и Uc, смещены на 120° (рис. 2).
Изменение трехфазного напряжения во времени
Рис. 2. Изменение трехфазного напряжения во времени

Катушки фаз, начала и концы которых условно обозначены буквами А, В, С и а, b, с (см. рис. 2), расположены на соседних зубцах статора.

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. При соединении фаз в треугольник (см. рис. 1) конец а первой фазы соединен с началом В второй фазы, конец в второй фазы — с началом С третьей фазы, а конец с третьей фазы — с началом А первой фазы. К точкам соединения фаз подключены линейные провода, подводящие напряжение к выпрямителю.

Индукторные генераторы имеют закрытую конструкцию. Охлаждающий воздух обдувает генератор только снаружи, а во внутренние полости не поступает. Это предотвращает попадание пыли и продуктов сельскохозяйственного производства в области расположения обмоток статора и возбуждения, выпрямителя и встроенного в генератор интегрального регулятора напряжения.
Индукторный генератор
Рис. 3. Индукторный генератор: а — конструкция; б — электрическая схема; в — схема обмотки статора; 1 — лапа крепежная; 2 — блок регулятора напряжения; 3 — вывод В; 4 — вывод Д; 5 — защитный кожух блока с интегральным регулятором напряжения; 6 — задняя крышка; 7 — пакет статора; 8 — пакет ротора; 9 — катушка возбуждения; 10 — передняя крышка; 11 — выпрямительный блок; 12 — шкив с вентилятором; 13 — стопорная шайба; 14 — гайка; 15 — шпилька фасонная стяжная; 16 — болт крепления лапы

Пакет статора 7 (рис. 3) индукторного генератора набран из стальных пластин, скрепленных заклепками или сваркой. Статор имеет девять зубцов, на которых размещены катушки статорной обмотки. Обмотка статора ОФ соединена в треугольник. Катушки в фазах соединены последовательно. Концы фаз гибким монтажным проводом выведены па выпрямительный блок. С обеих сторон статора выполнены проточки, служащие посадочными местами для крышек генератора.

Передняя крышка 10 имеет форму стакана. В крышке размещен индуктор, включающий втулку, фланец и катушку обмотки возбуждения ОВ. Обмотка возбуждения намотана на пластмассовый каркас, надетый на втулку индуктора. Один конец обмотки возбуждения гибким монтажным проводом выведен через промежуточный вывод на вывод Ш интегрального регулятора напряжения, а другой — на вывод Д генератора.

Ротор вращается в шарикоподшипниках, не требующих добавления или замены смазочного материала в течение всего срока службы генератора. Шарикоподшипники размещены в передней 10 и задней 6 крышках. Крышка 10, втулка и фланец индуктора являются частью магнитопровода генератора, поэтому изготовлены из магнито-мягкой стали. Крышка 6 выполнена из алюминиевого сплава. На переднем конце вала гайкой 14 со стопорной шайбой закреплен шкив 12 с вентилятором.

Силовой выпрямительный блок размещен на крышке 10. В теплоотвод блока запрессованы три диода прямой полярности. Корпус выпрямительного блока и теплоотвод отлиты из алюминиевого сплава. Теплоотвод изолирован от корпуса тонкой электроизоляционной прокладкой из слюды и крепится к корпусу тремя изолированными винтами. Для лучшего охлаждения корпус выпрямителя имеет ребра. Силовой выпрямитель собран по трехфазной мостовой схеме выпрямления. Плюсовой вывод 3 (вывод В) генератора соединен с теплоотводом выпрямителя.

На задней крышке 6 установлена выводная колодка, где размешены три болта для присоединения фазных выводов обмотки статора и выводов выпрямительного блока и диоды дополнительного выпрямителя обмотки возбуждения. Блок выпрямителя ОВ одновременно служит для крепления элементов интегрального регулятора напряжения. Дополнительный выпрямитель состоит из трех диодов, запрессованных в теплоотвод.

Интегральный регулятор напряжения размещен на алюминиевой пластине — теплоотводе. В пространстве между пластиной и пластмассовыми корпусом блока выпрямителя ОВ расположены резисторы подпитки, переключатель посезонной регулировки (зима З — лето Л) и конденсатор фильтра. Блок с регуляторами напряжения за¬крыт крышкой таким образом, что через отверстия в её торцовой стенке выступают болты выводов В и Д и ручка переключателя посезонной регулировки.

В начале вращения при отключенной аккумуляторной батарее в схемах, где обмотка возбуждения подсоединена к выводу силового выпрямителя, а также в схемах с дополнительным выпрямителем ОВ генератор работает на самовозбуждении. Процесс самовозбуждения возможен благодаря остаточному магнитному потоку, который наводит в обмотках статора ЭДС. Выпрямленное напряжение от этой ЭДС подается на обмотку возбуждения, увеличивая магнитный поток и ЭДС в обмотке статора. Нарастание ЭДС и выпрямленного напряжения при самовозбуждении происходит лавинообразно. Однако в индукторных генераторах самовозбуждение затруднено из-за наличия в магнитной системе двух воздушных зазоров.

Для обеспечения надежного самовозбуждения в генераторах с магнитно-электромагнитным возбуждением устанавливают постоянные магниты, которые обеспечивают стабильное самовозбуждение. Кроме того, постоянные магниты способствуют уменьшению магнитного потока Фmin до нуля и даже изменению направления магнитного потока, что улучшает использование материалов и приближает индукторную машину по характеристикам к альтернативным (генераторам с клювообразным ротором).

Гексаферритные магниты залиты в специальном алюминиевом каркасе с шестью клювообразными выступами, расположенными между зубцами пакета ротора 7 (рис. 4).

Генератор с магнитно-электромагнитным возбуждением
Рис. 4. Генератор с магнитно-электромагнитным возбуждением: 1 — задняя крышка; 2 — втулка ротора; 3 — крышка регулятора напряжения; 4 и 13 — шарикоподшипники; 5 — выпрямительный блок; 6 — стяжной болт; 7 — ротор; 8 — статор; 9 — катушка возбуждения; 10 — вентилятор; 11 — крышка подшипника; 12 — шкив; 14 — передняя крышка (со стороны привода)

Вентильные генераторы с клювообразным ротором (рис. 5) представляют собой синхронную электрическую машину со встроенным полупроводниковым выпрямителем.
Конструктивная схема синхронного генератора с клювообразным ротором
Рис. 5. Конструктивная схема синхронного генератора с клювообразным ротором: 1 — втулка; 2 — обмотка возбуждения; 3 — клювообразные полюсы; 4 — статор; 5 — обмотка статора; 6 — щетка; 7 — контактные кольца

Основными узлами и деталями генератора являются: статор 4; ротор с клювообразными полюсами 3, втулкой 1 и сосредоточенной вращающейся обмоткой 2 возбуждения; крышки со стороны привода и контактных колец; контактные кольца 7; щетки 6; 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

q=Z1/(2pm),

где Z1 — число пазов статора; — число полюсов генератора; m — число фаз генератора.

Ток к вращающейся обмотке 2 возбуждения подводится через щетки 6 и контактные кольца 7. Вал ротора вращается в двух шарикоподшипниках, установленных в крышках. Крышки расположены по торцам статора и стянуты винтами.

При работе генератора мимо каждого зубца статора проходят попеременно северный и южный полюсы 3 клювообразного ротора, поэтому рабочий магнитный поток изменяется как по величине, так и по направлению, а в катушках фазных обмоток индуктируется переменная ЭДС. Применение клювообразных полюсов определенной формы обеспечивает близкое по форме к синусоиде изменение ЭДС.
Конструкция компакт-генератора
Рис. 6. Конструкция компакт-генератора: 1 — щеткодержатель; 2 — интегральный регулятор Я-212; 3 — пластмассовая крышка; 4 — крышка генератора со стороны контактных колец; 5 — вентиляторы; 6 — ротор; 7 — статор в сборе; 8 — передняя крышка генератора; 9 — шкив; 10 — стальное тормозное кольцо; 11 — пластмассовое тормозное кольцо

Компакт-генератор — генератор нового поколения (рис. 6) со встроенными двумя вентиляторами 5, смонтированными на лобовых частях ротора 6 и с ажурными крышками 4 и 8, через которые протягивается воздух для охлаждения генератора, встроенным интегральным регулятором напряжения в щеткодержатель 1 и выпрямительным блоком. Контактные кольца и щетки закрыты пластмассовой крышкой 3, защищающей их от грязи, пыли и влаги. Наружные обоймы подшипников со стороны контактных колец и шкива 9 прижаты пластмассовым и стальным тормозными кольцами 11 и 10, которые повышают ресурс подшипников. Этот генератор имеет три дополнительных диода и выпрямитель на силовых диодах со стабилитронным эффектом, что улучшает качество бортовой сети.

Выпрямители. Переменный ток тракторных генераторов выпрямляется кремниевыми полупроводниковыми диодами. Диоды имеют два вывода и пропускают ток только от анодного вывода к катодному, когда к аноду подведен положительный потенциал, а к катоду — отрицательный. В противоположном направлении диоды тока не пропускают, если обратное напряжение не превышает допустимого значения.
Выпрямители генераторов
Рис. 7. Выпрямители: а — однополупериодный однофазного тока; б — двухполупериодный однофазного тока; в — однополупериодный трехфазного тока; г — двухполупериодный трехфазного тока


В выпрямителях генераторов устанавливают диоды прямой и обратной полярности. У диода прямой полярности с корпусом соединен катод, а у диода обратной полярности — анод. В зависимости от числа фаз генератора применяют трех — и пятифазные выпрямители. По форме выпрямленного напряжения различают одно- и двухполупериодные выпрямители. Однополупериодное выпрямление тока однофазного источника G переменного тока обеспечивает один диод VD (рис. 7, а), который включается последовательно с нагрузкой R.

Для двухполупериодного выпрямления однофазного тока собирают мостовой выпрямитель из четырех диодов VD1-VD4 (рис. 7, б). Положительная полуволна переменного напряжения открывает вентили VD1 и VD4. Во втором полупериоде открыты вентили VD2 и VD3. В течение всего времени работы генератора с мостовым выпрямителем на нагрузку R подается напряжение Ud одного знака.

Если в каждую фазу генератора включено по одному диоду VD1, VD2 и VD3 (рис. 7, в), то можно получить однополупериодный выпрямитель трехфазного тока. Каждый диод выпрямителя проводит ток только в течение 1/3 периода, когда напряжение к нему приложено в прямом направлении.

Двухполупериодный выпрямитель трехфазного тока имеет три пары диодов VD1-VD6 (рис. 7, г). Одно плечо выпрямителя образуют диоды VD1-VD3 прямой полярности, которые катодами соединены с положительным выводом вентильного генератора. Во втором плече выпрямителя установлены диоды VD4-VD6 обратной полярности. Их диоды соединены с «массой».

В процессе выпрямления переменного тока диоды прямой и обратной полярности попарно соединяются между собой и с одной из фаз генератора. В проводящем направлении работает один из диодов VD1, VD2, VD3, у которого анод имеет наиболее высокий потенциал, а в группе диодов VD4-VD6 — диод с самим низким потенциалом. В момент времени t1, когда в фазе А напряжение положительно и максимально, а в фазах В и С напряжения отрицательны и равны, ток в нагрузку R поступает через открытый диод VD1 и два диода VD5 и VD6. В момент времени t2, когда напряжение фазы С равно нулю, в фазе В — положительно, а в фазе А — отрицательно, ток проводят диоды VD2 и VD4. Остальные диоды тока не пропускают.

Частота пульсаций выпрямленного двухполупериодным трехфазным выпрямителем напряжения Ud в 6 раз больше частоты переменного тока fп=6f=0,1Zpn.

Минимальное, максимальное и среднее значения выпрямленного напряжения равны соответственно l,5Um, l,73Um и l,65Um (Um — амплитудные значения напряжения фаз). Пульсация выпрямленного напряжения Ud=0,23Um=0,l39Ud, что при среднем значении выпрямленного напряжения 14В составляет 1,95В.
Характеристики тракторного генератора индукторного
Рис. 8. Характеристики тракторного генератора индукторного: а — холостого хода; б – токоскоростная

Зависимость выпрямленного напряжения Ud (рис. 8, а) от силы тока возбуждения Iв при отключенной нагрузке и постоянной частоте вращения ротора называют характеристикой холостого хода. В режиме холостого хода выпрямленное напряжение Ud равно ЭДС Ed. Характеристику 1 имеют генераторы с ненасыщенной магнитной системой. При насыщении зубцов статора и ротора уменьшается амплитуда переменной составляющей магнитного потока, что приводит к снижению ЭДС Ed при больших токах возбуждения (характеристика 2).

Токоскоростная характеристика Id=f(n) (рис. 8, б) снимается при Ud=const и Iв=const. Контрольными точками для токоскоростной характеристики являются значения силы тока при начальной частоте вращения генератора n0, когда в режиме холостого хода выпрямленное напряжение Ud достигает номинального значения, расчетная сила тока нагрузки Idp и максимальная сила тока Idmax соответственно при частотах вращения np и nmax. Расчетная сила тока Idp и частота вращения np определяются в точке касания токоскоростной характеристики 1 и прямой 2, проведенной из начала координат.

Для вентильных генераторов характерно самоограничение силы тока. Самоограничение проявляется в меньшей степени при увеличении частоты вращения n0. С уменьшением n0, np и увеличением Idmax улучшаются условия обеспечения положительного зарядного баланса на тракторе. Однако при этом увеличиваются габаритные размеры и масса генератора.


Благодаря самоограничению силы тока в системах электроснабжения вентильных генераторов не применяют ограничители тока. Не нужны также реле обратного тока, так как полупроводниковые выпрямители не пропускают ток аккумуляторной батареи в обмотки статора. [Тракторы. Конструкция. Под общ. ред. И. П. Ксеневича, В. М. Шарипова. 2001г.]

Похожие материалы