Характеристики генераторов

3. Характеристики генераторов

Свойства автомобильного генератора переменного тока опре­деляются рядом характеристик, связывающих между собой сле­дующие основные величины: фазное Uф, линейное Uл и выпрям­ленное Ud напряжения; фазный ток Iф; выпрямленный ток Iд на­грузки генератора: ток возбуждения Iв генератора; частоту враще­ния n генератора.

Характеристики генератора представляют собой зависимость между двумя какими-либо величинами при неизменных значениях остальных величин. Основными характеристиками являются:

характеристика холостого хода - зависимость э.д.с. генератора от тока возбуждения E=f (Iв) при постоянной частоте вращения и токе нагрузки Iн, равном нулю;

внешняя характеристика - зависимость выпрямлен­ного напряжения генератора Ud от тока нагрузки /н при постоян­ной частоте вращения n и определенном значении тока возбужде­ния Iв;

регулировочная характеристика - зависимость тока возбуждения Iв от тока нагрузки /н при неизменном значе­нии линейного напряжения генератора Ud;

нагрузочная характеристика - зависимость вы­прямленного напряжения генератора Ud от тока возбуждения Iв при неизменном токе нагрузки Iн;

токоскоростная характеристика (название харак­теристики дано Ю. А. Купеевым) — зависимость тока нагрузки генератора Iн от частоты вращения ротора генератора n и скоро­сти движения автомобиля при неизменных значениях выпрямлен­ного напряжения Ud на зажимах генератора и тока возбуждения генератора Iв.

Автомобильные генераторы привидятся во вращение от дви­гателя внутреннего сгорания с постоянным передаточным отно­шением привода, поэтому частота вращения ротора генератора может изменяться от минимального значения, соответствующего частоте вращения коленчатого вала в режиме холостого хода

автомобильного двигателя до максимального значения, соот­ветствующего максимальной ско­рости движения автомобиля.

Отношение минимальной и максимальной частот вращения ротора генераторов может соста­влять: 1: 12 — для автомобилей с карбюраторными двигателями; 1: 4 — для автомобилей с ди­зельными двигателями.

Поэтому характеристики ав­томобильных генераторов в про­тивоположность общепромыш­ленным генераторам снимаются не при одном значении частоты вращения, а при различных зна­чениях частоты вращения n и образуют обычно семейство харак­теристик, покрывающих весь диапазон изменения частоты вращения от минимальной до максимальной. Характеристика холо­стого хода, как следует из уравнения э. д. с. генератора, для различных частот вращения вы­ражается семейством характери­стик (рис. 13). На рис. 13 ток возбуждения дан в относитель­ных единицах , т. е. по от­ношению к номинальному току возбуждения.

С другой стороны, э. д. с. холостого хода прямо пропорциональна частоте вращения n, так как при заданном значении тока возбуждения Iв магнитный поток Фв в воздушном зазоре не зависит от частоты вращения.

По характеристике холостого хода определяется начальная ча­стота вращения ротора генератора, при которой напряжение ге­нератора достигает расчетной величины.

В практике характеристику холостого хода определяют или по величине фазной э.д.с. Еф. или по линейному значению э.д.с. , или иногда по значению выпрямленного напряжения холостого хода Ud, практически равного для трехфазной схемы А Н. Ларионова:

Внешняя характеристика автомобильного генератора также выражается семейством кривых, соответствующих различ­ным частотам вращения ротора генератора (рис. 14).

Как известно, снижение напряжения при увеличении нагрузки автомобильного генератора происходит: из-за падения напряже­ния в активном и индуктивном сопротивлениях обмоток стато­ра, из-за размагничивающего действия магнитного потока ре­акции якоря, уменьшающего магнитный поток в воздушном зазоре, а также из-за падения напряжения в цепи выпрями­теля.

Внешние характеристики могут определяться при самовозбуж­дении или при независимом возбуждении. Схемы соединения для снятия внешних характеристик показаны на рис. 15.

Внешние характеристики при самовозбуждении снимаются по схеме, показанной на рис. 15, а. Каждая характеристика снима­ется при неизменном значении частоты вращения генератора и неизменном сопротивлении цепи возбуждения.

Верхняя ветвь внешней характеристики на участке АВ (см. рис. 14, а) соответствует устойчивой работе генератора, когда при уменьшении сопротивления нагрузочного реостата напряжение генератора падает медленнее, чем сопротивление, и ток генерато­ра возрастает. Нижняя ветвь внешней характеристики соответст­вует неустойчивой работе генератора.

Из семейства внешних характеристик, снятых при самовозбуж­дении, определяется, как правило, величина максимального тока, которая обеспечивается при заданном номинальном или регули­руемом значении напряжения.

Семейство внешних характеристик, снятых по схеме незави­симого возбуждения, изображено на рис. 14, б. Каждая характе­ристика снимается при определенных значениях частоты вращения ротора генератора и напряжения постоянного тока, подводимого к обмотке возбуждения, что соответствует определенному значе­нию тока возбуждения генератора.

Рис. 15. Электрические схемы соединения генератора при снятии семейства внешних характеристик:

а- при самовозбуждении; б — при независимой возбуждении;

B1 — выключатель в цепи возбуждения: В2 — выключатель в цепи нагрузки

В отличие от внешних харак­теристик, снятых при самовоз­буждении, ток короткого замы­кания генератора здесь больше номинального тока нагрузки и имеет максимальную величину при максимальной частоте вра­щения. Значение тока нагрузки, определяемое при независимом возбуждении, больше значения гока нагрузки, определяемого по схеме самовозбуждения, на ве­личину тока возбуждения.

Регулировочная ха­рактеристика обычно опре­деляется при нескольких значе­ниях тока нагрузки генератора /н — минимальной, средней и максимальной, и имеет вид, представленный на рис. 16.

Минимальное значение тока возбуждения генератора Iвmin оп­ределяется при Iн = 0 и заданной максимальной частоте враще­ния ротора генератора. Из регулировочных характеристик обычно определяют диапазон изменения тока возбуждения с изменением тока нагрузки при неизменном значении выпрямленного напря­жения Ud= const.

Токоскоростная характеристика генератора может определяться при независимом возбуждении или при самовозбуж­дении, однако основное практическое значение имеет характерис­тика, снятая при самовозбуждении. Электрические схемы соедине­ний генератора для снятия токоскоростных характеристик те же, что и при снятии внешних характеристик (см. рис. 15).

Токоскоростная характеристика генератора In=f(n) имеет значительную кривизну (рис. 17), так как с увеличением частоты вращения п отдаваемый генератором ток /н растет все медленнее. Это объясняется тем, что с увеличением частоты вращения ротора генератора, а следовательно, с увеличением частоты индуктиро­ванного в обмотке статора переменного тока увеличивается индуктивное сопротивление обмотки статора генератора, пропорци­ональное квадрату числа витков в фазе. Вследствие этого с уве­личением частоты вращения ток генератора увеличивается мед­леннее, ассимптотически стремясь к некоторому предельному зна­чению.

Действительно, при замыкании внешней цепи на сопротивле­ние нагрузки индуктированная в обмотке статора электродвижу­щая сила вызывает ток

 где r — активное сопротивление обмоток статора; R — сопротив­ление нагрузки;

, где х — индуктивное сопротивление обмотки генератора.

, где Су и Су — постоянные величины.

Подставляя в уравнение тока значения Е и х, получим

При малойчастоте вращения ротора величина  мала по сравнению с (r+R)² и ею можно пренебречь, тогда

Как видно из формулы, ток при малой частоте вращения рас­тет пропорционально частоте вращения (начальная часть харак­теристики на рис. 17).

При возрастании частоты вращения возрастает значение и при большой частоте вращения можно пренебречь значением (r+R)²; тогда ток будет равен:

т.е. ток будет равен какой-то постоянной величине, не зависящей от частоты вращения, а определяемой параметрами обмоток ге­нератора и величиной магнитного потока холостого хода.

Рис. 17. Токоскоростные характеристики автомобильного генератора:

а—с ограничителем тока в схеме регулирования; б—с самоограничением максимального тока

В зависимости от способа ограничения максимального тока ге­нератора различают два вида токоскоростных характеристик, а именно: с ограничителем тока в схеме регулирования напряже­ния генератора или с самоограничением максимального тока ге­нератора. В первом случае, когда предельное значение тока ге­нератора при большой частоте вращения больше, чем допустимо по нагреву, выпрямленный ток ограничивается автоматически по­средством отдельного элемента — ограничителя тока, входящего в регулирующее устройство (рис. 17, а). Однако это ведет к ус­ложнению конструкции регулирующего устройства, что нежела­тельно по технико-экономическим и эксплуатационным соображе­ниям.

Для исключения из конструкции регулирующего устройства дополнительного элемента — ограничителя тока, число витков об­мотки статора увеличивают и подбирают таким образом, чтобы при увеличении частоты вращения ротора предельное значение тока не превышало допустимой по нагреву величины (рис. 17, б). Тогда ограничитель тока становится излишним, так как генератор приобретает свойство самоограничения отдаваемого им тока. Все современные автомобильные генераторы выполняются с самоог­раничением отдаваемого ими тока и имеют характеристику, соот­ветствующую рис. 17, б.

Кроме того, различают токоскоростные характеристики в так называемом «холодном» и «горячем» состоянии генератора, ко­торые экспериментально определяют следующим образом. Гене­ратор устанавливают на стенде, имеющем электрический двига­тель для привода во вращение ротора генератора, и приборы, сое­диненные по схеме, приведенной на рис. 15, а или 15, б. В случае снятия характеристики по схеме рис. 15, б (независимого возбуж­дения) сначала включают выключатель В1 и реостатом устанав­ливают напряжение возбуждения, равное номинальной величине (т. е. 14 или 28 В), После этого плавно приводят во вращение ротор генератора и тахометром определяют начальную частоту вращения в режиме холостого хода, при которой выпрямленное напряжение достигает величины 14 или 28 В. Затем включают ру­бильник В2 и снимают характеристику, увеличивая частоту вра­щения и подбирая на каждой частоте вращения такое положение реостата нагрузки Rn, чтобы выпрямленное напряжение было рав­но номинальному напряжению 14 или 28 В. Характеристика, снятая таким образом, соответствует «холодному» состоянию.

Для определения токоскоростной характеристики в «горячем» состоянии генератор в комплекте с регулирующим устройством должен предварительно проработать на стенде в режиме нагрузки расчетным током при частоте вращения 3000—3500 об/мин в течение 1, 5—2 ч, после чего снятие характеристик производится так же, как описано выше.

Под расчетным током /р, величина которого определяет раз­меры и массу генератора, подразумевают: в случае применения в схеме регулирования ограничителя тока (рис. 17, а) — макси­мальный ток генератора, ограничиваемый ограничителем тока; в генераторе с самоограничением—величину тока нагрузки /р, рав­ную 70—75% от максимальной величины тока самоограничения генератора (рис. 17, б). Частоту вращения ротора генератора, со­ответствующую расчетному току нагрузки, называют расчетной частотой вращения nр, а режим работы генератора при расчетном токе /р и расчетной частоте вращения Мр — расчетным режимом.

Параметры Iр и n_p, характеризующие расчетный режим гене­ратора с самоограничением тока, можно определить, проведя из начала координат касательную к токоскоростной характеристике (см. рис. 17, б). Тогда точка касания определяет расчетные вели­чины /р и nр.

Автомобильные генераторы рассчитаны таким образом, что узлы и детали генератора выдерживают тепловую нагрузку, со­ответствующую любому режиму его работы. Поэтому на табличке генератора обозначают наряду с номинальной величиной напря­жения (14 или 28 В) величину максимального тока нагрузки ге­нератора.

В случае применения ограничителя тока эта величина равна току, на который установлен ограничитель, а в случае генератора с самоограничением отдаваемого тока — максимальному току самоограничения.

Максимальная мощность генератора переменного тока опреде­ляется по соотношению

, где Udn — номинальное выпрямленное напряжение, равное по ГОСТ 3940—71, соответственно 14 или 28 В; I_Гmax — макси­мальный ток нагрузки генератора.

Генераторы с номинальным напряжением 14 и 28 В предназ­начены для работы соответственно в 12-вольтной и 24-вольтной системе электрооборудования автомобиля.

Для оценки использования материалов генератора применяется «коэффициент использования» (максимальный)

, где Gr - масса генератора, кг (без шкива).

Однако так как масса электрических машин зависит не от их мощности, а от момента (т. е. мощности, деленной на частоту вра­щения), то пользоваться этим коэффициентом можно только для сравнения технического уровня генераторов с одинаковой или близкой частотой вращения.

Поэтому для более объективной оценки технического уровня и совершенства расчета в смысле использования материалов ге­нератора применяется удельный коэффициент исполь­зования, учитывающий различную частоту вращения

Удельный коэффициент использования также при одинаковом использовании материалов генератора несколько увеличивается с увеличением их мощности, однако это увеличение в пределах колебания мощностей автомобильных генераторов сравнительно невелико.

На практике в случаях, когда токоскоростная характеристика неизвестна и, следовательно, определить величину /р и «р нельзя, пользуются удельным коэффициентом использова­ния по холостому ходу

где n_x — начальная частота вращения при холостом ходе, кото­рая обычно указывается в каталогах.

Этот коэффициент приблизительно пропорционален предыду­щему, наиболее правильному оценочному параметру и составляет

В технических условиях на генераторы, как правило, указы­вают следующие параметры токоскоростной характеристики гене­раторов в «холодном» и «горячем» состояниях: начальную часто­ту вращения в режиме холостого хода nx; расчетную частоту вра­щения ротора генератора n_p; максимальную частоту вращения ротора генератора n_mах; максимальный ток нагрузки генератора I_Гмах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

1.   Василевский В.И., Купеев Ю.А. Автомобильные генераторы.
М., «Транспорт», 1978

2.   Данов Б.А., Рогачев В.Д. Электронные приборы автомобилей.
М., «Транспорт», 1996

 

Оглавление

Введение…………………………………………………………………………………………………. 1

Устройство генераторной установки……………………………………………………………………2

Принцип работы генератора……………………………………………………………………………..5

Характеристики генератора…………………………………………………………………………….. 7

Список использованной литературы…………………………………………………………………...12