Автомобильный генератор: устройство и способы проверки

Устройство и принцип работы автомобильного генератора
Генератор — это устройство, которое преобразует механическую энергию, полученную от двигателя, в электрическую. Вместе с регулятором напряжения оно называется генераторной установкой. Современные автомобили оснащены генераторами переменного тока, которые наиболее полно удовлетворяют требованиям.

Требования к генератору:
Выходные параметры генератора должны быть такими, чтобы аккумуляторная батарея не разряжалась в любых режимах движения автомобиля. Напряжение в бортовой сети автомобиля, питаемой генератором, должно быть стабильным в широком диапазоне изменения частоты вращения и нагрузок.

Последнее требование связано с тем, что аккумуляторная батарея очень чувствительна к стабильности напряжения. Если напряжение слишком низкое, то батарея не полностью заряжается, что приводит к проблемам с запуском двигателя. Если напряжение слишком высокое, то батарея перезаряжается и быстро выходит из строя.

Принцип работы генератора и его конструктивное устройство одинаковы для всех автомобилей, отличаются только качеством изготовления, размерами и расположением присоединительных узлов.

Давайте изучим электрическую схему, которая объединяет различные элементы генератора.

Структура электрической схемы генератора:
1. Переключатель зажигания;
2. Конденсатор для подавления помех;
3. Аккумуляторная батарея;
4. Индикаторная лампа для проверки исправности генератора;
5. Положительные диоды выпрямителя;
6. Отрицательные диоды выпрямителя;
7. Диоды для возбуждения обмотки;
8. Трехфазные обмотки статора;
9. Обмотка возбуждения (ротор);
10. Карбоновые щетки;
11. Регулятор напряжения;
B+ Выход генератора «+»;
B- «Масса» генератора;
D+ Питание обмотки возбуждения, опорное напряжение для регулятора напряжения.

Основой работы генератора является эффект электромагнитной индукции. Если внутри катушки, сделанной из медного провода, проходит магнитный поток и этот поток меняется, то на выводах катушки возникает электрическое напряжение, которое пропорционально скорости изменения магнитного потока. И наоборот, чтобы создать магнитный поток, достаточно пропустить через катушку электрический ток. Таким образом, для получения переменного электрического тока необходимы источник переменного магнитного поля и катушка, с которой будет сниматься переменное напряжение.

Обмотка возбуждения, полюсная система, вал и контактные кольца образуют ротор — его вращающуюся часть, которая является основным источником переменного магнитного поля.

Компоненты ротора генератора:

1. Вал ротора;
2. Полюса ротора;
3. Обмотка возбуждения;
4. Контактные кольца.

У ротора есть остаточный магнитный поток, который сохраняется даже без тока в обмотке возбуждения. Однако его величина невелика и может обеспечить самовозбуждение генератора только при очень высоких скоростях вращения. Поэтому для начального намагничивания ротора через его обмотку пропускают небольшой ток от аккумуляторной батареи, обычно через лампу контроля работоспособности генератора. Величина этого тока должна быть достаточной, чтобы генератор мог возбудиться уже на холостых оборотах двигателя, но не слишком большой, чтобы не разряжать аккумуляторную батарею. Обычно мощность контрольной лампы составляет 2-3 Вт. Когда напряжение на обмотках статора достигает рабочего значения, лампа гаснет, и обмотка возбуждения питается от самого генератора. В этом случае генератор работает на самовозбуждении.

Выходное напряжение извлекается из обмоток статора. При вращении ротора возникают попеременно «северные» и «южные» полюсы ротора напротив катушек обмотки статора, то есть направление магнитного потока, пронизывающего катушку статора, меняется, что приводит к появлению переменного напряжения в ней. Частота этого напряжения зависит от скорости вращения ротора генератора и количества его пар полюсов.

Статор генератора
1. обмотка статора;
2. выводы обмоток;
3. магнитопровод.

Трехфазная обмотка статора является основной частью генератора. Она состоит из трех отдельных обмоток, которые называются фазами и намотаны на магнитопровод с использованием определенной технологии. Напряжение и токи в этих обмотках смещены друг относительно друга на треть периода, то есть на 120 электрических градусов, как показано на рисунке.

Осциллограммы фазовых напряжений обмоток
U1, U2, U3 – напряжения обмоток;
Т – период сигнала (360 градусов);
F – фаза смещения (120 градусов).

Фазовые обмотки могут быть соединены в «звезду» или «треугольник».

Разновидности соединения обмоток:
1. Соединение обмоток в «звезду»;
2. Соединение обмоток в «треугольник».

При соединении обмоток в «треугольник» ток в каждой обмотке составляет 1,7 раза меньше тока, выдаваемого генератором. Это означает, что при одном и том же выходном токе генератора, ток в обмотках при соединении в «треугольник» значительно ниже, чем при соединении в «звезду». Поэтому в случае генераторов большой мощности часто используется соединение обмоток в «треугольник», так как при более низких токах можно использовать более тонкий провод, что является более технологичным. Более тонкий провод также может быть использован при соединении обмоток в «звезду». В этом случае обмотка состоит из двух параллельных обмоток, каждая из которых соединена в «звезду», то есть образуется «двойная звезда».

С целью обеспечения прямого подвода магнитного потока обмотки возбуждения к обмотке статора и его нерассеивания в окружающем пространстве, катушки размещены в пазах стальной конструкции — магнитопровода. Поскольку переменное магнитное поле индуцируется не только в катушках, но и в магнитопроводе статора, это приводит к возникновению нежелательных вихревых токов, которые приводят к потере энергии и нагреву статора. Для снижения проявления этого эффекта магнитопровод изготавливают из набора стальных пластин (пакета железа).

Бортовая электросеть автомобиля нуждается в постоянном напряжении, поэтому обмотка статора через встроенный в генератор выпрямитель питает бортовую электросеть автомобиля. В трехфазной системе выпрямитель содержит шесть силовых полупроводниковых диодов, из которых три соединены с выводом «+» генератора, а остальные три с выводом «—» («массой»). Полупроводниковые диоды находятся в открытом состоянии и практически не пропускают ток при обратном напряжении, обладая незначительным сопротивлением прохождению тока при прямом направлении напряжения. Стоит отметить, что термин «выпрямительный диод» не всегда означает привычную конструкцию с корпусом и выводами, иногда это просто полупроводниковый кремниевый переход, герметично закрепленный на теплоотводе.

Монтаж с диодами для выпрямления:
1. диоды для силовой нагрузки;
2. дополнительные диоды;
3. система охлаждения для отвода тепла.

Для защиты электронных компонентов автомобиля от резких изменений напряжения многие производители заменяют силовые диоды на стабилитроны. Отличие стабилитрона от диода состоит в том, что он не пропускает ток в обратном направлении до определенного напряжения, которое называется напряжением стабилизации. Обычно напряжение стабилизации в стабилитронах составляет 25-30 В. Когда это напряжение достигается, стабилитроны начинают пропускать ток в обратном направлении, но при этом напряжение на стабилитроне и на выводе «+» генератора остается постоянным и не достигает опасных значений для электронных компонентов. Свойство стабилитрона поддерживать постоянное напряжение после «пробоя» также используется в регуляторах напряжения.

Как уже отмечалось выше, напряжения на обмотках меняются по кривым, которые очень похожи на синусоиду, и в разные моменты времени они могут быть как положительными, так и отрицательными. Если мы примем положительное направление напряжения в фазе в направлении, указанном стрелкой, направленной к нулевой точке обмотки статора, а отрицательное направление — в противоположном направлении, то, например, в момент времени t, когда напряжение второй фазы отсутствует, напряжение в первой фазе будет положительным, а в третьей — отрицательным. Направление напряжений в фазах соответствует стрелкам, показанным на рисунке.

Направление электрического тока в обмотках и выпрямителе генератора

Ток будет протекать через обмотки, диоды и нагрузку в направлении, указанном стрелками. Если рассмотреть другие моменты времени, можно легко увидеть, что в трехфазной системе напряжения, которое возникает в обмотках фаз генератора, диоды силового выпрямителя переходят из открытого состояния в закрытое и обратно таким образом, что ток в нагрузке имеет только одно направление — от вывода «+» генератора к выводу «—» («массе»), то есть в нагрузке протекает постоянный (выпрямленный) ток.

У многих типов генераторов обмотка возбуждения подключается к своему собственному выпрямителю, который состоит из трех диодов. Такое подключение обмотки возбуждения предотвращает протекание тока разряда аккумуляторной батареи через нее, когда двигатель автомобиля не работает. Диоды выпрямителя обмотки возбуждения работают так же, как источником питания для этой обмотки. Кроме того, в выпрямитель обмотки возбуждения входят 6 диодов, три из которых являются общими с силовым выпрямителем (отрицательные диоды). Ток возбуждения гораздо меньше тока, который генератор отдает в нагрузку. Поэтому для диодов обмотки возбуждения используются малогабаритные слаботочные диоды с током не более 2 А (для сравнения, диоды силового выпрямителя могут пропускать токи мощностью до 25… 35 А).

Если требуется увеличить мощность генератора, используется дополнительное плечо выпрямителя.

Схема генераторной установки с использованием дополнительных диодов

Такая схема выпрямителя может быть реализована только при соединении обмоток статора в «звезду», поскольку дополнительное плечо питается от «нулевой» точки «звезды». Если бы фазные напряжения имели чисто синусоидальную форму, эти диоды вообще не участвовали бы в процессе преобразования переменного тока в постоянный. Однако в реальных генераторах форма фазных напряжений отличается от синусоиды. Она представляет собой сумму синусоид, которые называются гармоническими составляющими или гармониками — первая, частота которой совпадает с частотой фазного напряжения, и высшие, в основном третья, частота которой в три раза выше, чем первая.

В области электротехники хорошо известно, что в линейном напряжении, то есть в напряжении, которое поступает на выпрямитель и подвергается выпрямлению, третья гармоника отсутствует. Это объясняется тем, что третьи гармоники всех фазных напряжений совпадают по фазе, то есть одновременно достигают одинаковых значений и при этом взаимно уравновешивают и взаимоуничтожают друг друга в линейном напряжении. Таким образом, третья гармоника присутствует в фазном напряжении, но отсутствует в линейном. Следовательно, мощность, развиваемая третьей гармоникой фазного напряжения, не может быть использована потребителями. Для использования этой мощности были добавлены диоды, которые подключаются к нулевой точке обмоток фаз, то есть к точке, где проявляется действие фазного напряжения. Таким образом, эти диоды выпрямляют только напряжение третьей гармоники фазного напряжения. Использование этих диодов увеличивает мощность генератора на 5…15% при частоте вращения более 3000 мин-1.

Величина напряжения генератора без регулятора сильно зависит от скорости вращения его ротора, магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения, а также от силы тока в этой обмотке и величины тока, потребляемого генератором. Чем выше скорость вращения и сила тока возбуждения, тем выше будет напряжение генератора, а чем больше ток его нагрузки, тем ниже будет это напряжение. Основной функцией регулятора напряжения является поддержание стабильного напряжения при изменении скорости вращения и нагрузки путем регулировки тока возбуждения. Ранее использовались вибрационные регуляторы, а затем контактно-транзисторные. В настоящее время эти два типа регуляторов полностью заменены электронными.

Оформление электронных полупроводниковых регуляторов может иметь различные варианты, но принцип работы у всех регуляторов одинаковый. Естественно, можно изменять ток в цепи возбуждения, добавляя в эту цепь дополнительный резистор, как это делалось в предыдущих вибрационных регуляторах напряжения. Однако этот метод связан с потерей мощности в резисторе и не применяется в электронных регуляторах. В электронных регуляторах ток возбуждения изменяется путем включения и отключения обмотки возбуждения от питающей сети, при этом меняется относительная длительность времени включения обмотки возбуждения. Если необходимо уменьшить силу тока возбуждения для стабилизации напряжения, время включения обмотки возбуждения уменьшается, а если нужно увеличить, то оно увеличивается.

В данном варианте подключения регулятора есть недостаток — он контролирует напряжение на выводе «D+» генератора, но не учитывает потребителей, включенных на вывод «В+», включая аккумуляторную батарею. Кроме того, он не реагирует на падение напряжения в проводах между генератором и аккумуляторной батареей и не корректирует напряжение генератора, чтобы это падение компенсировать. В следующей схеме эти недостатки устранены — напряжение на вход регулятора подается с узла, где его нужно стабилизировать, обычно это вывод «В+» генератора.

Улучшенная схема стабилизации напряжения

Некоторые регуляторы напряжения обладают функцией термокомпенсации — изменение напряжения, подаваемого на аккумуляторную батарею, в зависимости от температуры воздуха в моторном отсеке для оптимальной зарядки АКБ. Чем ниже температура воздуха, тем больше напряжение должно быть подано на батарею, и наоборот. Величина термокомпенсации достигает до 0,01 В на 1°С.

Автор: Евгений Куришко

Как проверить автомобильный генератор своими руками

Генератор играет важную роль в работе автомобиля. Он является своего рода мини-электростанцией, которая обеспечивает энергией всю бортовую сеть, включая аккумулятор. Если генератор неисправен, то это приведет к полной разрядке аккумулятора и остановке двигателя. В таком случае вам придется подключать внешний источник энергии или искать новый. Чтобы избежать такой ситуации, важно своевременно обнаружить неисправность генератора. Для диагностики генератора в домашних условиях вам понадобятся определенные навыки и инструменты. В этой статье я расскажу вам, как проверить генератор с помощью мультиметра.

Прежде чем начать проверку, необходимо соблюдать меры предосторожности и правила безопасности.

Для того чтобы избежать случайного повреждения генератора или его компонентов (реле регулятора, диоды выпрямительного моста), необходимо быть крайне осторожным и иметь понимание о том, что делаете.

Для проверки работоспособности генератора можно использовать метод «на искру», который заключается в коротком замыкании. Для этого нужно соединить клемму «30» (иногда обозначается как «В+») с клеммой 67 («D+») или «массой».

Генератор можно использовать при отключенных потребителях, например, при отключении от аккумуляторной батареи.

Также рекомендуется проверять вентили генератора напряжением выше 12 В.

Важно помнить:

Для проверки исправности генератора автомобиля можно воспользоваться вольтметром или амперметром.

Во время проведения сварочных работ на кузове автомобиля необходимо отключить провода от генератора и аккумуляторной батареи.

При замене проводки в системе генератора следует использовать провода с таким же сечением и длиной, как и оригинальные провода.

Перед проверкой генератора убедитесь в правильном натяжении ремня генератора и исправности всех соединений и клемм. Нормальным считается натяжение ремня, при котором при нажатии большим пальцем на середину ремня он прогибается не более, чем на 10-15 мм.

Проверка генератора автомобиля своими руками

Для проверки регулятора напряжения вам понадобится вольтметр с шкалой от 0 до 15 В. Прежде чем приступить к проверке, дайте мотору поработать на средних оборотах при включенных фарах примерно 15 минут. Проверьте напряжение между «массой» генератора и выводами «30» («В+»), на вольтметре должно быть нормальное для вашего автомобиля напряжение (для владельцев «девятки» например, нормальным считается напряжение — 13,5 – 14,6 В). Если напряжение выше или ниже установленного производителем — вероятно, придется заменить регулятор. Также стоит проверить регулируемое напряжение, для этого подключите вольтметр непосредственно к клеммам АКБ. Однако результаты такой проверки не могут считаться на 100% точными из-за возможных проблем с проводкой. Если вы уверены в исправности проводки, то можно доверять результатам. Мотор должен работать на высоких оборотах, близких к максимальным, фары и другие потребители электроэнергии автомобиля должны быть включены. Размер напряжения должен соответствовать параметрам вашего автомобиля.

Проверка диодного моста

Проверка диодного моста является одной из процедур проверки генератора. Чтобы выполнить проверку диодного моста, подключите вольтметр или мультиметр к клемме «30» («В+») генератора и к «массе», а затем переведите прибор в режим измерения переменного тока. Значение переменного тока на диодном мосту не должно превышать 0,5 В. Если значение превышает указанную величину, вероятнее всего диоды неисправны.

Проверка пробоев на «массу»

Проверка пробоев на «массу» может быть полезной, если генератор работает некорректно. Для этого отключите аккумуляторную батарею и провод, идущий от генератора к клемме «30» («В+»). Затем подключите прибор между клеммой «30» («В+») и отключенным проводом генератора. Оцените показания прибора — если ток разряда превышает 0,5 мА, вероятно, имеется пробой диодов или изоляции обмоток генератора.

Оценка силы тока отдачи

Для проверки силы тока отдачи генератора используется специальный зонд, который представляет собой «примочку» в виде зажима или клещей, и при помощи которого провод охватывается для измерения тока, протекающего по нему.

Для проверки тока отдачи необходимо пройтись зондом вокруг провода, который идет к зажиму «30» («В+»).
Заведите двигатель – во время проведения измерения он должен работать на высоких оборотах.
Поочередно включайте электропотребители и записывайте показания прибора для каждого потребителя.
В конце измерений необходимо сложить все показания. Затем включите все потребители одновременно и снова измерьте показания мультиметра. Значение не должно быть меньше суммы показаний отдельно измеренных показателей, допустимое отклонение составляет 5 А.
Проверка тока возбуждения генератора выполняется путем запуска двигателя и последующей работы на высоких оборотах. Затем измерительный зонд помещается вокруг провода, ведущего к клемме 67 («D+»). Нормальный генератор должен показывать значение тока возбуждения в диапазоне от 3 до 7 А.

Проверка обмотки

Для проверки обмоток возбуждения необходимо снять регулятор напряжения и щеткодержатель. Если требуется, очистите контактные кольца и проверьте обмотку на наличие обрывов и замыканий на «массу». Проверять нужно с помощью омметра, подключив его щупы к контактным кольцам и сняв показания. Сопротивление должно быть в диапазоне от 5 до 10 Ом. Затем подключите один электрод прибора к любому из контактных колец, а другой к статору генератора. На дисплее должно отображаться бесконечно высокое сопротивление, в противном случае обмотка возбуждения где-то замыкает на «массу».