Чем регулируют напряжение генераторов постоянного тока

Регулирование напряжения в цепях постоянного тока

Сегодня, как в промышленности, так и в гражданской сфере, есть немало установок, электроприводов, технологий, где для питания требуется не переменное, а постоянное напряжение. К таким установкам относятся различные промышленные станки, строительное оборудование, двигатели электротранспорта (метро, троллейбус, погрузчик, электрокар), и другие установки постоянного тока разного рода.

Напряжение питания для некоторых из этих устройств должно быть изменяемым, чтобы например изменяющийся ток питания электродвигателя приводил бы к соответствующему изменению скорости вращения его ротора.

Один из первых способов регулировки постоянного напряжения — регулирование при помощи реостата. Затем можно вспомнить схему двигатель — генератор — двигатель, где опять же регулированием тока в обмотке возбуждения генератора достигалось изменение рабочих параметров конечного двигателя.

Но эти системы не экономичны, они считаются устаревшими, и гораздо более современными являются схемы регулирования на базе тиристоров. Тиристорное регулирование более экономично, более гибко, и не приводит к увеличению массо-габаритных параметров установки целиком. Однако, обо всем по порядку.

Реостатное регулирование (регулирование при помощи добавочных резисторов)

Регулирование при помощи цепи последовательно соединенных резисторов позволяет изменять ток и напряжение питания электродвигателя путем ограничения тока в его якорной цепи. Схематически это выглядит как цепочка добавочных резисторов, присоединенных последовательно к обмотке двигателя, и включенных между ней и плюсовой клеммой источника питания.

Часть резисторов может быть по мере надобности шунтирована контакторами, чтобы соответствующим образом изменился ток через обмотку двигателя. Раньше в тяговых электроприводах такой метод регулирования был распространен весьма широко, и за неимением альтернатив приходилось мириться с очень низким КПД в силу значительных тепловых потерь на резисторах. Очевидно, это наименее эффективный метод — лишняя мощность просто рассеивается в виде ненужного тепла.

Регулирование по системе двигатель — генератор — двигатель

Здесь напряжение для питания мотора постоянного тока получается на месте, при помощи генератора постоянного тока. Приводной мотор вращает генератор постоянного тока, который и питает в свою очередь мотор исполнительного механизма.

Регулирование рабочих параметров двигателя исполнительного механизма достигается путем изменения тока обмотки возбуждения генератора. Больше ток обмотки возбуждения генератора — большее напряжение подается на конечный двигатель, меньше ток обмотки возбуждения генератора — меньшее напряжение, соответственно, подается на конечный двигатель.

Данная система, на первый взгляд, более эффективна, чем просто рассеивание энергии в виде тепла на резисторах, однако и она отличается своими недостатками. Во-первых, система содержит две дополнительные, довольно габаритные, электрические машины, которые необходимо время от времени обслуживать. Во-вторых, система инерционна — соединенные три машины не в состоянии резко изменить свой ход. В результате снова КПД получается низким. Однако, на протяжении некоторого времени такие системы использовались на заводах в 20 веке.

Метод тиристорного регулирования

С появлением во второй половине 20 века полупроводниковых приборов, появилась возможность создания малогабаритных тиристорных регуляторов для двигателей постоянного тока. Двигатель постоянного тока теперь просто подключался к сети переменного тока через тиристор, и, варьируя фазу открывания тиристора, стало возможным получить плавное регулирование скорости вращения ротора двигателя. Этот метод позволил совершить рывок в подъеме КПД и быстродействия преобразователей для питания моторов постоянного тока.

Метод тиристорного регулирования и сейчас используется, в частности, для управления скоростью вращения барабана в автоматических стиральных машинах, где в качестве привода служит коллекторный высокооборотный мотор. Справедливости ради отметим, что аналогичный метод регулирования работает и в тиристорных диммерах, способных управлять яркостью свечения ламп накаливания.

Регулировка на базе ШИМ со звеном переменного напряжения

Постоянный ток при помощи инвертора преобразуется в переменный ток, который затем при помощи трансформатора повышается или понижается, после чего выпрямляется. Выпрямленное напряжение подается на обмотки электродвигателя постоянного тока. Возможно дополнительное импульсное регулирование посредством ШИМ-модуляции, тогда достигаемый эффект на выходе несколько похож на тиристорное регулирование.

Наличие трансформатора и инвертора в принципе приводит к удорожанию системы в целом, однако современная полупроводниковая база позволяет строить конверторы в виде готовых малогабаритных устройств с питанием от сети переменного тока, где трансформатор стоит высокочастотный импульсный, и в итоге габариты получаются небольшими, а КПД уже достигает 90%.

Импульсное управление

Система импульсного управления моторами постоянного тока похожа по своему устройству на импульсный DC-DC преобразователь. Этот метод является одним из наиболее современных, и именно его используют сегодня в электрокарах и внедряют в метро. Звено понижающего преобразователя (диод и дроссель) объединено в последовательную цепь с обмоткой мотора, и регулируя ширину подаваемых на звено импульсов, добиваются требуемого среднего тока через обмотку мотора.

Такие импульсные системы управления, по сути — импульсные преобразователи, отличаются более высоким КПД — более 90%, и обладают отличным быстродействием. Здесь открываются широкие возможности для рекуперации электроэнергии, что весьма актуально для станков с большой инерционностью и для электрокаров.

Чем регулируют напряжение генераторов постоянного тока

Напряжение генератора сильно зависит от оборотов двигателя

Напряжение в сети автомобиля должно быть постоянным по величине.

Генератор приводится ремнем от двигателя и, соответственно, обороты генератора все время меняются. Если не регулировать напряжение, то оно будет сильно меняться — увеличиваться при разгоне автомобиля и уменьшаться при сбросе газа и снижения скорости. Свет будет, то слишком яркий, то слишком тусклым, обороты электромоторов будут меняться, Аккумулятор быстро разрушится от избыточного напряжения, электроника станет работать непредсказуемо.

Регулирование напряжения – это поддержание напряжения на постоянном уровне 14,2 – 13,8 Вольта, при изменениях оборотов и нагрузки генератора. Генератор стремится поднять напряжение, а регулятор напряжения ограничивает его на заданном уровне.

Посмотрим графики, которые показывают как меняется скорость нарастания и убывания напряжения на разных оборотах при включении и выключении тока возбуждения

Для возбуждения генератора необходимо раскрутить ротор и включить ток возбуждения. Ток возбуждения создает магнитное поле ротора, которое генерирует в обмотке генератора Электродвижущую силу. На выходе генератора появляется напряжение. Напряжение не может появиться скачком, потому что в генераторе происходят переходные процессы, замедляющие нарастания и спады напряжения. Чем быстрее крутится ротор, тем быстрее нарастает напряжение и достигает большей величины. При размыкании цепи возбуждения, напряжение генератора снижается, чем больше обороты генератора, тем медленнее спадает напряжение.

Проводим три опыта: Генератор крутится со скоростью 800 об. в мин, 3000 об. в мин., 5000 об. в мин.

На графике показано нарастание напряжения при включении тока возбуждении и спада напряжения, при выключении тока возбуждения. Чем выше обороты, тем быстрее нарастает напряжение достигает большей величины.

Расчетные параметры генератора, должны быть такими, чтобы уже на малых оборотах холостого хода, напряжение оказалось выше регулируемого значения — 14,2 Вольта, только в этом случае, регулятор сможет ограничить напряжение на заданном уровне. Генератор должен гарантировано обеспечить работу электрооборудования на холостом ходу двигателя 800 об. в мин., напряжение должно быть 16- 17 Вольт. На высоких оборотах (3000, 5000) предельное напряжение на выходе генератора получается значительно выше, регулируемого уровня — в два – три раза.

Регулирование напряжение – это поддержание напряжения на постоянном уровне 14,2 – 13,8 Вольта, при сильных изменениях оборотов и нагрузки генератора. Для выполнения этой функции, в конструкции генератора предусмотрен регулятор напряжения. Генератор стремится поднять напряжение, а регулятор напряжения ограничивает его на заданном уровне.

Задержка нарастания и плавный спад напряжения используются для регулирования напряжения. Между разными уровнями нарастающего и спадающего напряжения, есть определенный временной промежуток, который позволяет разнести по времени включение и выключение тока возбуждения.

Как только нарастающее напряжение превысит регулируемый уровень, регулятор отключает обмотку возбуждения, и начинается спад напряжения. Как только на спаде, напряжение станет ниже регулируемого уровня, регулятор снова включает ток возбуждения, напряжение снова начинает расти. Так происходит пилообразный рост и спад напряжения. Моменты включения и выключения тока возбуждения выбираются так, чтобы среднее значения этого пилообразного напряжения, получилось 14,2 Вольта.

Дополнительные особенности регулирования напряжения.

Постоянство напряжение дополнительно поддерживается тем, что с увеличение оборотов напряжение генератора (в пределах регулирования) быстрее нарастает и медленнее убывает. (см графики) Это помогает скомпенсировать увеличение ЭДС генератора.

Тот факт, что при увеличении нагрузки ток возбуждения спадает быстрее, приводит к относительному росту среднего значения тока возбуждения и, значит, компенсирует снижение напряжения генератора при увеличении нагрузки.

Эти две туманные фразы можно попытаться понять, если разобраться, как меняется среднее значение тока возбуждения при нарастании и убывании оборотов

Зависимость среднего значения тока возбуждения от скорости нарастания и убывания напряжения генератора

На малых оборотах напряжение медленно нарастает и быстро спадает, на средних быстрее вырастает и медленнее спадает, на высоких оборотах быстро вырастает и заметно медленнее спадает. Это видно на верхних графиках.

Более длительное разомкнутое состояние означает, что среднее значение тока в цепи возбуждения снижается, это важно для поддержания постоянного уровня напряжения. При увеличении скорости вращения ротора увеличивается скорость изменения магнитного потока и, значит, повышается ЭДС генератора, но, так как, величина тока возбуждения снижается, происходит снижение ЭДС, то есть, происходят два встречных процесса – один повышает ЭДС, другой понижает, в среднем, значение ЭДС остается на прежнем уровне.

Похожие процессы происходят при увеличении нагрузки, когда генератор вынужден отдавать большой ток. Как для любого источника, в этом случае увеличивается падение напряжения внутри источника, уменьшается скорость нарастания напряжение и его верхнее значение, и ускоряется спад напряжения. В этом случае увеличивается среднее значение тока возбуждения. То есть, регулятор, для того чтобы удержать выходное напряжение, при увеличении нагрузки, увеличивает ток возбуждения.

Частота, с которой происходит включение – выключение тока возбуждения определяется качеством и чувствительностью схемы регулятора. Увеличение частоты приводит к повышению энергозатрат и дополнительному нагреву схемы, а значит потребует увеличения размеров.

В современных ШИМ регуляторах напряжения, частота переключения выбирается задающим генератором.

БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

Студенческий блог для электромеханика. Обучение и практика, новости науки и техники. В помощь студентам и специалистам

главная
инфо
блог
словарь электромеханика
электроника
крюинговые компании
- Одесса/Odessa
- Николаев/Nikolaev

Обучение
- Предметы по специальности
  - АГЭУ
  - АСЭЭС
  - Диагностика и обслуживание судовых технических средств
  - Мехатронные системы
  - Микропроцессоры
  - Моделирование электромеханических систем
  - МПСУ
  - САЭП
  - САЭЭС
  - СДВС
  - СИВС
  - Силовая электроника
  - Судовые компьютерные ceти
  - СУЭ и ОСУ
  - ТАУ
  - Технология судоремонта
  - ТЭП
  - ТЭЭО и АС
- Общие предметы
  - Безопасность жизнедеятельности
  - Высшая математика
  - Ділова українська мова
  - Интеллектуальная собственность
  - Культурология
  - Материаловедение
  - Охрана труда
  - Политология
  - Системы технологий
  - Судовые вспомогательные механизмы
  - Судовые холодильные установки
- I курс
  - конспекты
  - ргр
  - контрольные
  - лабораторные
  - курсовые
  - зачёты
  - экзамены
- II курс
  - конспекты
  - ргр
  - контрольные
  - лабораторные
  - курсовые
  - зачёты
  - экзамены
- III курс
  - конспекты
  - ргр
  - контрольные
  - лабораторные
  - курсовые
  - зачёты
  - экзамены
- IV курс
  - конспекты
  - ргр
  - контрольные
  - лабораторные
  - курсовые
  - зачёты
  - экзамены
- V курс
  - конспекты
  - ргр
  - контрольные
  - лабораторные
  - курсовые
  - зачёты
  - экзамены
Теория
- английский
- интернет-ресурсы
- литература
- тематические статьи
Практика
- типы судов
- пиратство
- видеоуроки
мануалы
морской словарь
технический словарь
история
новости науки и техники
- авиация
- автомобили
- военная техника
- робототехника

11.11.2015

Автоматические системы регулирования напряжения генераторов с корректором напряжения

Во время работы напряжение синхронных генераторов зависит от тока нагрузки, коэффициента мощности, частоты вращения и сопротивления обмоток всех элементов системы возбуждения. Изменение сопротивления обмоток во время работы системы возбуждения зависит от температуры нагрева. Если фазовые компаундирующие устройства автоматически регулируют напряжение по воздействию тока нагрузки и коэффициента мощности, то для учета остальных факторов, влияющих на напряжение генератора, дополнительно применяются корректоры напряжения.

Автоматический бесконтактный регулятор напряжения УБК-М поддерживает постоянное напряжение синхронных генераторов в эксплуатационных режимах судовой электростанции.

Он предназначен для судовых синхронных генераторов с машинными возбудителями, работает по принципу быстродействующего управляемого фазового компаундирования с корректором напряжения.

Регулятор УБК-М (рис. 1) состоит из трансформатора фазового компаундирования Т1 и трансформатора тока Т2 с выпрямителем U2, предназначенных для подмагничивания усилителя А и корректора напряжения Т3, U3, U4. Трансформатор Т1 имеет две первичные токовые обмотки L1 и L2, включенные в две фазы генератора G2 (с соответствующей геометрической разностью токов в этих обмотках), и первичную обмотку напряжения L3, которая питается от линейного напряжения генератора через дроссель L4 с регулируемым воздушным зазором и резистор R3. Вторичная обмотка трансформатора L5 через выпрямитель U1 питает обмотку возбуждения возбудителя LG1.

Корректор напряжения состоит из измерительного трансформатора Т3 с контуром частотной компенсации и магнитного усилителя А, воздействующих на обмотку подмагничивания L6 трансформатора Т1.

Током выхода трансформатора Т1 управляют, изменяя его подмагничивание, которое зависит от тока обмотки управления L6. Например, при увеличении подмагничивания уменьшается индуктивность обмотки трансформатора и увеличивается ток выхода. Таким образом, трансформатор Т1 обеспечивает управляемое фазовое компаундирование генератора, т. е. при возрастании тока нагрузки или уменьшении коэффициента мощности он увеличивает возбуждение генератора.

К преимуществам регуляторов УБК-М относится большая надежность благодаря отсутствию у них подвижных механических устройств и контактов. Регуляторы имеют высокую чувствительность и обеспечивают устойчивую параллельную работу генераторов, а также максимальное возбуждение при значительных провалах напряжения на шинах электростанции.

Главная особенность системы автоматических регуляторов напряжения УБК-М, РНА-65, а также РУН — возможность применения их лишь при наличии возбудителя, который существенно снижает надежность установки и быстродействие системы регулирования, значительно увеличивает массу и габаритные размеры.

Синхронные генераторы трехфазного тока типов МСС, МСК, и ГСС имеют статическую систему самовозбуждения автоматического регулирования напряжения. Она работает по принципу фазового компаундирования с применением трехобмоточного трехстержневого трансформатора, силовых полупроводниковых выпрямителей (рис. 2). Основные элементы системы: G — синхронный генератор, VI—V6 — выпрямители, С1— СЗ — конденсаторы, Т — трансформатор фазового компаундирования, имеющий три обмотки: L1, включенную последовательно в статорную обмотку генератора; L2, включенную последовательно с конденсаторами на напряжение генератора, и L3, обеспечивающую питанием обмотку возбуждения генератора.

Принцип самовозбуждения синхронных генераторов, так же как и генераторов постоянного тока, основан на использовании остаточного магнитного поля. Так как сопротивление выпрямителей при малых токах гораздо больше, чем при номинальном, то для начального возбуждения генератора необходимо, чтобы э. д. с., наводимая в обмотке, была достаточно большой. Это достигается включением последовательно с обмоткой L2 конденсаторов С.

Реактивные сопротивления обмотки и конденсаторов подобраны таким образом, что при пуске генератора, когда частота тока в обмотке L2 достигнет 80% номинальной, в контуре наступит резонанс напряжений. Поэтому, несмотря на то, что напряжение, индуцируемое за счет остаточного поля, будет незначительным, по обмотке L2 пройдет большой ток. Вследствие этого в обмотке L3 наводится достаточная э. д. с., и генератор самовозбудится.

При работе генератора э. д. с., индуцируемая в обмотке L3, а следовательно, и ток в обмотке возбуждения генератора зависят от результирующей намагничивающей силы, создаваемой обмотками L1 и L2. Эти обмотки рассчитаны и включены таким образом, что при увеличении тока нагрузки генераторов или при снижении коэффициента мощности (соs ф) увеличиваются результирующая намагничивающая сила и э. д. с., наводимая в обмотке L3. Вследствие этого возрастают ток возбуждения и напряжение генератора. Для повышения точности регулирования в подобные системы фазового компаундирования вводят корректор напряжения.

Рассмотренная система позволяет уменьшить массу и габаритные размеры судовых дизель-генераторных установок, а также провалы напряжения в судовых электрических сетях.
Системы самовозбуждения генераторов имеют также устройство, обеспечивающее равномерное распределение нагрузок при параллельной работе генераторов. Такие системы отличаются большим быстродействием, что достигается исключением возбудителя из системы регулирования.

Автоматические системы регулирования напряжения с тиристорами

На новых судах применяются автоматические системы регулирования напряжения с тиристорами. Применяются различные схемные решения системы регулирования напряжения с использованием тиристоров. Регулирование по отклонению напряжения генератора выполняется путем сравнения регулируемого и эталонного напряжения с выдачей управляющего сигнала на систему управления тиристором. Эталонное напряжение устанавливается с помощью стабилитронов. Структурная схема тиристорного регулятора напряжения (рис. 3) имеет следующие элементы: ИБ — измерительный блок; ФИ — формирователь импульсов; БП — блок питания; Т — трансформатор; V — тиристор управления. Выходной сигнал измерительного блока преобразуется в сигнал управления тиристором с последующим регулированием тока обмотки возбуждения генератора.

В судовых генераторах применяется система амплитудно-фазового компаундирования с тиристорным управлением корректора напряжения. Применение тиристорной коррекции напряжения повышает быстродействие и чувствительность системы автоматического регулирования напряжения судовых генераторов.

В настоящее время в судовых электростанциях устанавливают бесщеточные синхронные генераторы типа ОС, а также типа S. Если в генераторах типов МСК, ГСС, МСС со статическими системами автоматического регулирования напряжения регулируемый ток возбуждения подается в обмотку возбуждения полюсов вращающегося индуктора (ротора) при помощи щеточных скользящих контактов, то в бесщеточных генераторах постоянный ток в роторе создается за счет индуцируемого тока в самом роторе. Принцип автоматического регулирования напряжения генераторов типа ОС, S показан на рис. 4.

С помощью системы автоматического регулирования напряжения АРН в зависимости от нагрузки на генератор G1 регулируется постоянный ток в обмотке LG1.2, установленной на специальных полюсах статора. При вращении ротора магнитный поток, создаваемый обмоткой LG1.2, индуцирует в трехфазной обмотке LG1.3 переменный ток. Выпрямленный ток в роторе при помощи выпрямителя V создает обмоткой возбуждения LG1.1 основной магнитный поток синхронного генератора. Самовозбуждение генераторов типов ОС, S осуществляется аналогично самовозбуждению генераторов типов МСК, МСС, ГСС с наличием щеточного механизма передачи постоянного тока возбуждения во вращающуюся часть машины.

Регулирование напряжения в цепях постоянного тока

Довольно большое количество промышленных электроприводов и технологических процессов для своего питания используют постоянный ток. Причем в таких случаях довольно часто необходимо изменять значение этого напряжения. Такие виды транспорта как метрополитен, троллейбусы, электрокары и другие виды транспорта получают питающее напряжения из сетей постоянного тока с неизменным напряжением. Но ведь многие из них нуждаются в изменении значения напряжения, подводимого к якорю электродвигателя. Классическими средствами получения необходимых значений являются резистивное регулирование и система генератор-двигатель, или система Леонардо. Но эти системы являются устаревшими, и встретить их можно довольно редко (особенно систему генератор-двигатель). Более современными и активно внедряемыми сейчас являются системы тиристорный преобразователь-двигатель, импульсный преобразователь двигатель. Рассмотрим каждую систему более подробно.

Резисторное регулирование

Для регулирования пускового тока и напряжения, подводимого к электродвигателю, в якорную цепь последовательно якорю (или якорю и обмотке возбуждения в случае двигателя последовательного возбуждения) подключают резисторы:

Таким образом, регулируется ток, подводимый к электрической машине. Контакторы К1, К2, К3 шунтируют резисторы при необходимости изменения какого-либо параметра или координаты электропривода. Этот способ довольно еще широко распространен, особенно в тяговых электроприводах, хотя ему сопутствуют большие потери в резисторах и, как следствие, довольно низкий КПД.

Система генератор-двигатель

В такой системе необходимый уровень напряжения формируется путем изменения потока возбуждения генератора:

Наличие в такой системе трех электромашин, больших массогабаритных показателей и длительного времени ремонта при поломках, а также дорогостоящего обслуживания и большую инерционность такой установки сделали КПД такой машины очень низким. Сейчас систем генератор-двигатель практически не осталось, все они активно заменяются на системы тиристорный преобразователь – двигатель ТП-Д, который обладает рядом преимуществ.

Тиристорный преобразователь – двигатель

Получила свое массовое развитие в 60-х годах, когда начали появляться тиристоры. Именно на их базе были созданы первые статичные маломощные тиристорные преобразователи. Такие устройства подключались напрямую к сетям переменного тока:

Регулирование напряжения происходит путем изменения угла открывания тиристора. Регулирование через тиристорный преобразователь имеет ряд преимуществ перед установкой генератор-двигатель, такие как высокое быстродействие и КПД, плавное регулирование напряжения постоянного и много других.

Преобразователь с промежуточным звеном постоянного напряжения

Здесь все немного сложнее. Чтоб получить постоянное напряжение необходимой величины применяют еще вспомогательные устройства, а именно инвертор, трансформатор, выпрямитель:

Здесь постоянный ток преобразуют в переменный с помощью инвертора тока, потом с помощью трансформатора понижают или повышают (в зависимости от надобности), а потом снова выпрямляют. Значительно удорожает установку наличие трансформатора и инвертора, укрупняет систему, чем снижает КПД. Но есть и плюс – гальваническая развязка между сетью и нагрузкой из – за наличия трансформатора. На практике такие устройства встречаются крайне редко.

Импульсные преобразователи постоянного напряжения

Это пожалуй самые современные устройства регулирования в цепях постоянного тока. Его можно сравнить с трансформатором, поскольку поведение импульсного преобразователя подобно трансформатору с плавно меняющимся количеством витков:

Такие системы активно заменяют электроприводы с резистивным регулированием, путем подключения их к якорю машины последовательно, вместо резистивно-контакторной группы. Их довольно часто применяю в электрокарах, а также довольно большую популярность они обрели в подземном транспорте (метрополитен). Такие преобразователи выделяют минимум тепла, что не нагревает тоннелей и могут реализовывать режим рекуперативного торможения, что является большим плюсом для электроприводов с частым пуском и торможением.

Большим плюсом таких устройств есть то, что они могут осуществить рекуперацию энергии в сеть, плавно регулируют скорость нарастания тока, обладают высоким КПД и быстродействием.

Реле-регулятор напряжения генератора: строение, функции и проверка

INTEGRA sedan (01.85 — 12.89)

1750-2000 sedan (03.68 — 12.83)

Реле-регулятор напряжения генератора. Такое сложное, на первый взгляд, название имеет совсем небольшой компонент генератора автомобиля или мотоцикла и чей выход из строя может стать причиной целого ряда проблем. Вот например: недозаряд или же перезаряд аккумулятора. Подобное может возникнуть по множеству причин, но в большинстве случаев виновником проблемы является вышедшее из строя реле генератора (так его обычно называют). Давайте разберемся, что же представляет собой реле генератора, как данный компонент подключается к бортовой сети транспортного средства, как его проверить и в случае нужды заменить.

Базовые понятия

Реле-регулятор, являющийся важной частью бортовой электросети, ответственно за регулирование тока, вырабатываемого генератором транспортного средства. За счет работы реле предотвращается перезаряд аккумулятора, что является для него губительным. Сведущие в электротехнике авто и мотолюбители заметят: согласно описанию это обычный стабилизатор напряжения! По сути, это он и есть. Но давайте немного разберемся с генераторами.

По сути, генератор как постоянного, так и переменного тока являются электромашиной, преобразующей в электрический ток механическую энергию. Сегодня более распространены генераторы переменного тока, так как они не используют токосъемные щетки , имеющие тенденцию к пригоранию или сильной деформации по ходу эксплуатации устройства. Выходное напряжение генераторов обоих типов зависит от скорости, с которой внутри него вращается магнитное поле, и от магнитной силы. На обмотку возбуждения таких генераторов изначально подается т.н. ток возбуждения, за счет которого наводится магнитная индукция. Силу этого тока нужно регулировать. В определенный момент на обмотку возбуждения нужно перестать подавать питание – еще один момент, за которым необходимо проследить. Далее, так как в генераторах переменного тока положение полюсов «+» и «—» постоянно изменяется, ток нужно выпрямлять. За это ответственен диодный мостик, однако диапазон выходных напряжений может быть довольно широким. И вот теперь можно выделить основные задачи реле-регулятора генератора:

Выдержка диапазона напряжений (13,5 – 14,5 Вольт) в сети автомобиля или мотоцикла, а также на клеммах их аккумулятора;
Регулировка тока возбуждения;
Прекращение подачи питания от аккумулятора к обмотке возбуждения.

По сути, реле генератора «следит» за выходным напряжением и силой тока, от которого питается обмотка напряжения. Как только выходное напряжение становится слишком большим, реле уменьшает силу тока возбуждения . Если ситуация обратная и напряжение генератора уменьшилось, следует повышение тока на возбуждающую обмотку. Так происходит множество раз, причем стабилизация длится долю секунды. Таким образом реле обеспечивает и нормальную работу генератора, который теперь дает оптимальное напряжение для электроприемников (магнитолы, например), и экономит ресурс аккумуляторной батареи, также предотвращая ее выход из строя вследствие подзарядки слишком большим током.

Типы реле-регуляторов

Современные реле-регуляторы не используют электромагнитные реле в качестве базы – они полностью полупроводниковые. Использование полупроводников сделало устройство и надежным, и очень компактными, однако свело практически на нет его ремонтопригодность. Типов реле-регулятора довольно много, но существенным является одно: принципиальных отличий между реле разных типов нет. Стоит выделить два типа:

Встроенное. Иногда реле такого типа называют «шоколадкой». Находится внутри генератора и совмещено с щеточным узлом;
Вынесенное. Крепится на автомобильном кузове.

ЧТО ТАКОЕ ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА

Генератор постоянного тока предназначен для преобразования кинетической энергии в электрическую. Используется в качестве источника электроэнергии в тепловозах, автомобилях, промышленных установках и т.д.

Представляет собой обратимую электрическую машину. В зависимости от схемы подключения может работать как генератор или как электродвигатель.

Принцип действия генератора постоянного тока основан на физическом явлении электромагнитной индукции. Заключается в том, что если проводник передвигается в магнитном поле, в нем возникает электрический ток. Такой ток называется индукционным.

Схематично это явление можно описать следующим образом. Если проводник, например, медную проволоку в виде рамки поместить между двумя полюсами подковообразного магнита, он будет находиться в постоянном магнитном поле.

Затем начнем вращать эту рамку. В процессе вращения она будет пересекать магнитный поток. Вследствие этого, внутри проволоки индуцируется электродвижущая сила э.д.с.

Если концы этой рамки соединить, то под воздействием э.д.с., потечет индукционный ток. Если включить в эту цепь амперметр, он покажет наличие в ней тока. Это и есть самый простой макет генератора.

Для того, чтобы подключить рамку к электрической цепи, ее крепят к полукольцам. Две щетки контактируют с вращающимися полукольцами поочередно, и через них индукционный ток поступает далее в электрическую цепь. Полукольца устанавливают на оси, вокруг которой вращается рамка. Это упрощенная схема коллектора.

Когда рамка переходит через горизонтальное положение (нейтраль), щетки одновременно переключаются с одного полукольца на второе. В этот момент стороны рамки магнитных силовых линий не пересекают. В таком положении э.д.с. и, соответственно, ток равны 0. Благодаря этому переключение щеток не сопровождается искрением.

На величину электродвижущей силы влияют следующие факторы:

длина проволоки;
величина индукции магнитного поля;
частота вращения.

Величина э.д.с. (Е) меняется по синусоидальной траектории, с пиками при прохождении рамкой вертикальных положений. В эти моменты она перпендикулярно пересекает максимум силовых линий. Нулевые значения отмечаются при прохождении нейтрали. После ее пересечения э.д.с. меняет свое направление.

В свою очередь, коллектор, чередуя каждые пол оборота полукольца на щетках, выпрямляет переменную э.д.с. На выходе получается пульсирующий, в виде выпрямленной синусоиды, постоянный ток.

КАК НА ВЫХОДЕ ПОЛУЧАЕТСЯ ПОСТОЯННЫЙ ТОК

Для того, чтобы можно было пользоваться генератором, как источником энергии, ток нужно сгладить. Если увеличить количество рамок до двух и расположить их перпендикулярно друг другу. Тогда пиковые значения Е и, соответственно, тока будут возникать уже каждые четверть оборота.

Если их соединить последовательно, индуцируемый ток будет суммироваться. А его выходная характеристика будет иметь вид двух, смещенных между собой на четверть периода выпрямленных синусоид. Пульсация значительно уменьшится.

Если количество последовательных рамок еще увеличивать, тогда значение тока будет все больше приближаться к идеальной прямой. Кроме того, величина электродвижущей силы напрямую зависит от длины проводника. Поэтому количество рамок делают большим, а их совокупность и составляет обмотку вращающейся части генератора — якоря.

Для последовательного соединения витков обмотки, конец предыдущего нужно соединить с началом следующего. Делают это на полукольцах или, как их называют, пластинах. Их количество будет равняться количеству витков.

Другим фактором, влияющим на величину Е, является сила магнитного поля. Индукция магнитного потока обычного магнита слишком маленькая, а потери в среде между двумя полюсами наоборот очень большие.

Для решения первой проблемы вместо постоянного магнита используют гораздо более сильный электромагнит. Для решения второй проблемы сердечник якоря выполняют из стали. Также уменьшают до самого минимума зазор между якорем генератора и полюсами электромагнита.

Ток, протекающий в якоре, образуют своего рода электромагнит, и создает свое магнитное поле. Это явление называется реакция якоря. В нем также возникает реактивная э.д.с. Вместе они искажают магнитное поле. Чтобы это скомпенсировать, устанавливаются добавочные полюса. Они включаются в цепь якоря и полностью перекрывают это негативное воздействие.

По источнику тока возбуждения генераторы бывают:

с независимым возбуждением;
с самовозбуждением.

Необходимый для работы генератора магнитный поток создается благодаря току, проходящему через обмотки главных полюсов. Этот ток называется током возбуждения. При независимом возбуждении обмотка питается от аккумулятора или другого источника питания. При самовозбуждении питается током якоря.

Благодаря тому, что сердечники полюсов обладают остаточным магнетизмом, они создают небольшой магнитный поток. Если якорь начинает вращаться, этого потока достаточно для появления в витках якоря небольшого индукционного тока.

Этот ток, попадая в обмотку возбуждения полюсов, усиливает рабочий магнитный поток. Это приводит к увеличению тока в якоре и происходит цепная реакция. Таким образом, генератор быстро выходит на расчетную мощность.

По схеме подключения обмотки якоря к обмотке возбуждения генераторы с самовозбуждением делятся на три типа:

с параллельным возбуждением;
с последовательным возбуждением;
со смешанным возбуждением.

Схема возбуждения влияет на характеристики генератора и особенности его применения. Основным его параметром является внешняя характеристика, выражающая зависимость напряжения на выходе от тока нагрузки при заданной частоте вращения и параметрах возбуждения. Также к основным характеристикам относится мощность и КПД, который достигает 90-95%.

УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Генератор состоит из двух частей:

подвижная вращающаяся часть якорь;
неподвижная – статор.

Статор состоит из станины, магнитных полюсов, подшипникового щита с подшипниками. Станина — это несущая часть генератора, на которой размещены все его части. Внутри установлены полюсы с сердечниками и обмотками возбуждения. Изготавливается из ферромагнитных материалов.

Ротор или якорь состоит из сердечника, вала, коллектора и вентилятора. В качестве опоры для якоря используются подшипники, установленные на боковых подшипниковых щитах статора.

Преимущества и область применения.

Генераторы постоянного тока обладают следующими достоинствами:

простота конструкции, компактность;
надежность;
экономичность;
обратимость, то есть возможность использования в качестве электродвигателя;
практически линейная внешняя характеристика.

Недостатки:

высокая стоимость;
ограниченный срок службы щеточно-коллекторного узла.

Используются в различных отраслях производства, в строительстве, в промышленных установках, сварочном оборудовании, в машиностроении, на предприятиях металлургической промышленности, в автомобильном, железнодорожном, воздушном и морском, транспорте.