Генератор переменного тока — это тип электрического генератора, используемый в современных автомобилях для зарядки аккумуляторной батареи и питания электрической системы при работающем двигателе .
До 1960-х годов автомобили использовали генераторы динамо постоянного тока с коммутаторами . Поскольку кремниевые диодные выпрямители стали широко распространены и доступны, генератор переменного тока постепенно заменил динамо. Этому способствовало увеличение электрической мощности, необходимой для автомобилей в этот период, с увеличением нагрузки от больших фар, электрических дворников, обогреваемых задних стекол и других аксессуаров.
Современные типы автомобильных генераторов впервые были использованы в военных целях во время Второй мировой войны для питания радиооборудования на специальных транспортных средствах. [i] После войны другие транспортные средства с высокими требованиями к электричеству, такие как машины скорой помощи и радиотакси, также могли быть оснащены дополнительными генераторами. [1]
Генераторы впервые были представлены в качестве стандартного оборудования на серийном автомобиле корпорацией Chrysler на модели Valiant в 1960 году, на несколько лет раньше Ford и General Motors . [1] [2]
Некоторые ранние автомобили, такие как Ford Model T , использовали другой тип системы зарядки: приводимое в действие двигателем магнето , которое генерировало переменный ток низкого напряжения, подаваемый на катушки тремблера , которые обеспечивали высокое напряжение, необходимое для генерации искр зажигания. (Это отличалось от настоящего магнето зажигания , которое напрямую генерирует высокое напряжение.) Поскольку такая система магнето зависела только от движения двигателя для генерации тока, ее можно было использовать даже при запуске двигателя, заводимого вручную, при условии, что рукоятка была потянута резко, так что магнето производило достаточно тока для того, чтобы катушки создавали хорошие искры.
Модель T включала магнето в маховик двигателя. Первые модели T использовали магнето исключительно для зажигания с помощью катушки тремблера. Начиная с модельного года 1915 года Ford добавил электрические фары, также работающие от магнето. [3] [4] Цепь магнето была строго переменного тока, без батареи. (На катушках зажигания был переключатель для использования батареи, что могло быть полезно при запуске в холодную погоду, но Ford не поставлял батарею и не поощрял ее использование до того, как в 1919 году представил электрический стартер. Владельцу приходилось устанавливать батарею самостоятельно и заряжать ее снаружи.)
Начиная с 1919 модельного года Ford модернизировал Model T, включив в нее электрический стартер, который был стандартным для некоторых моделей и опциональным для других. Эта установка стартера также включала аккумулятор, заряжаемый обычной динамо-машиной, и фары теперь питались от аккумулятора. Однако магнето маховика по-прежнему питало зажигание, и поскольку модели без стартера не имели аккумулятора, они продолжали использовать фары с питанием от магнето. [5] [6]
Генераторы имеют ряд преимуществ по сравнению с генераторами постоянного тока ( динамо-машинами ). Генераторы:
Для преобразования переменного тока в постоянный требуется набор выпрямителей ( диодный мост ) . Для обеспечения постоянного тока с низкой пульсацией используется многофазная обмотка, а полюсные наконечники ротора имеют форму (когтеобразный полюс). Автомобильные генераторы обычно имеют ременной привод на скорости , в 2–3 раза превышающей скорость коленчатого вала, скорости, которые могут привести к поломке коммутатора в генераторе. Генератор работает на разных оборотах в минуту (что изменяет частоту), поскольку он приводится в действие двигателем. Это не проблема, поскольку переменный ток выпрямляется в постоянный .
Регуляторы генератора также проще, чем для генераторов. Регуляторы генератора требуют реле отключения для изоляции выходных катушек (якоря) от батареи на низкой скорости; эта изоляция обеспечивается выпрямительными диодами генератора. Кроме того, большинство регуляторов генератора включают ограничитель тока; генераторы по своей природе ограничены по току.
Конструкция с когтевым полюсом создает волну переменного тока, которая выпрямляется более эффективно, чем синусоида.
Несмотря на свои названия, и «генераторы постоянного тока» (или «динамо»), и «альтернаторы» изначально вырабатывают переменный ток. В так называемом «генераторе постоянного тока» этот переменный ток генерируется во вращающемся якоре, а затем преобразуется в постоянный с помощью коммутатора и щеток. В «альтернаторе» переменный ток генерируется в неподвижном статоре, а затем преобразуется в постоянный с помощью выпрямителей (диодов).
Типичные генераторы для легковых автомобилей и легких грузовиков используют конструкцию поля Lundahl или «коготь-полюс». Она использует профилированный железный сердечник на роторе для создания многополюсного поля из одной катушечной обмотки. Полюса ротора выглядят как пальцы двух рук, сцепленные друг с другом. Катушка установлена аксиально внутри нее, а ток поля подается контактными кольцами и угольными щетками. Эти генераторы имеют обмотки поля и статора, охлаждаемые аксиальным потоком воздуха, создаваемым внешним вентилятором, прикрепленным к шкиву приводного ремня. [8]
Современные транспортные средства теперь используют компактную компоновку генератора. Она электрически и магнитно похожа, но имеет улучшенное воздушное охлаждение. Лучшее охлаждение позволяет получить больше мощности от меньшей машины. Корпус имеет отличительные радиальные вентиляционные щели на каждом конце и теперь закрывает вентилятор. Используются два вентилятора, по одному на каждом конце, и поток воздуха является полурадиальным, входя аксиально и выходя радиально наружу. [9] Обмотки статора теперь состоят из плотной центральной полосы, где железный сердечник и медные обмотки плотно упакованы, и концевых полос, где обмотки более открыты для лучшей теплопередачи. Более близкое расстояние между сердечником и ротором улучшает магнитную эффективность. Меньшие, закрытые вентиляторы производят меньше шума, особенно на более высоких скоростях машины. [9]
Генераторы в автомобилях также могут иметь водяное охлаждение.
Более крупные транспортные средства могут иметь генераторы переменного тока с обмоткой возбуждения, аналогичные более крупным машинам. [10]
Обмотки трехфазного генератора переменного тока могут быть соединены с использованием схемы соединения «треугольник » или « звезда » . [11]
Бесщеточные версии генераторов этого типа также распространены в более крупной технике, такой как дорожные грузовики и землеройная техника. С двумя увеличенными подшипниками вала в качестве единственных изнашиваемых деталей, они могут обеспечить чрезвычайно долгую и надежную службу, даже превышающую интервалы капитального ремонта двигателя.
Автомобильные генераторы переменного тока требуют регулятора напряжения , который работает путем модуляции небольшого тока возбуждения для создания постоянного напряжения на клеммах аккумулятора. Ранние конструкции (ок. 1960–1970-х годов) использовали дискретное устройство, установленное в другом месте автомобиля. Промежуточные конструкции (ок. 1970–1990-х годов) встраивали регулятор напряжения в корпус генератора переменного тока. Современные конструкции полностью избавились от регулятора напряжения; регулирование напряжения теперь является функцией блока управления двигателем (ЭБУ). Ток возбуждения намного меньше выходного тока генератора переменного тока; например, генератору переменного тока на 70 А может потребоваться всего 2–3 А тока возбуждения. Ток возбуждения подается на обмотки ротора через контактные кольца. Низкий ток и относительно гладкие контактные кольца обеспечивают большую надежность и более длительный срок службы, чем у генератора постоянного тока с его коммутатором и более высоким током, проходящим через его щетки.
Обмотки возбуждения питаются от аккумулятора через выключатель зажигания и регулятор. Параллельная цепь питает предупреждающий индикатор «заряда» и заземляется через регулятор (именно поэтому индикатор горит, когда зажигание включено, но двигатель не работает). Когда двигатель работает и генератор вырабатывает электроэнергию, диод подает ток возбуждения с главного выхода генератора, выравнивая напряжение на предупреждающем индикаторе, который гаснет. Провод, подающий ток возбуждения, часто называют проводом «возбудителя». Недостатком такого расположения является то, что если предупреждающая лампа перегорает или провод «возбудителя» отсоединен, ток не достигает индукторных обмоток, и генератор не будет вырабатывать электроэнергию. Некоторые цепи предупреждающих индикаторов оснащены резистором, включенным параллельно лампе, что позволяет току возбуждения течь, если предупреждающая лампа перегорает. Водитель должен проверить, что предупреждающий индикатор горит, когда двигатель остановлен; в противном случае может не быть никаких указаний на неисправность ремня, который также может приводить в действие насос охлаждающей воды . Некоторые генераторы самовозбуждаются, когда двигатель достигает определенной скорости.
В последние годы [ когда? ] регуляторы генератора подключаются к компьютерной системе автомобиля, и при регулировке напряжения, подаваемого генератором, учитываются различные факторы, включая температуру воздуха, полученную от датчика температуры всасываемого воздуха, датчика температуры аккумуляторной батареи и нагрузку двигателя.
Старые автомобили с минимальным освещением могли иметь генератор, способный выдавать только 30 ампер . Типичные генераторы легковых автомобилей и легких грузовиков имеют номинал около 50–70 А, [ необходима ссылка ] , хотя более высокие номиналы становятся все более распространенными, особенно с учетом того, что электрическая система автомобиля испытывает большую нагрузку из -за кондиционера , электроусилителя руля и других электрических систем. Очень большие генераторы, используемые на автобусах, тяжелом оборудовании или аварийных транспортных средствах, могут выдавать 300 А. Полугрузовики обычно имеют генераторы, которые выдают 140 А. Очень большие генераторы могут иметь водяное или масляное охлаждение.
Эффективность автомобильных генераторов ограничена потерями на охлаждение вентилятора, потерями в подшипниках, потерями в железе, потерями в меди и падением напряжения в диодных мостах. Эффективность резко снижается на высоких скоростях, в основном из-за сопротивления вентилятора. На средних скоростях эффективность современных генераторов составляет 70–80%. [12] Это превосходит очень маленькие высокопроизводительные генераторы с постоянными магнитами, такие как те, которые используются для систем освещения велосипедов , эффективность которых достигает около 60%. Более крупные электрические машины с постоянными магнитами (которые могут работать как двигатели или генераторы) могут сегодня достигать гораздо более высокой эффективности. Пеллегрино и др. [13] , например, предлагают не особенно дорогие конструкции, которые показывают обширные области, в которых эффективность превышает 96%. Большие генераторы переменного тока, используемые на электростанциях, работают на тщательно контролируемых скоростях и не имеют ограничений по размеру или весу. Они имеют очень высокую эффективность, достигающую 98%.
Гибридные электромобили заменяют отдельные генератор и стартер одним или несколькими комбинированными двигателями/генераторами, которые запускают двигатель внутреннего сгорания, обеспечивают некоторую или всю механическую мощность колес и заряжают большую аккумуляторную батарею. Когда присутствует более одного двигателя/генератора, как в гибридном синергическом приводе, используемом в Toyota Prius и других, один может работать как генератор и питать другой как двигатель, обеспечивая электромеханический путь для передачи части мощности двигателя на колеса. Эти двигатели/генераторы имеют значительно более мощные электронные устройства для управления, чем автомобильный генератор, описанный выше.
Еще один "первый" Chrysler... удивительный новый генератор