5. Общие сведения

На выполнение лабораторной работы № 5 отводится два четырехчасовых за-нятия. Эта лабораторная работа состоит из двух частей. В части первой изуча-ется принцип действия, конструкция и характеристики генератора с электро-магнитным возбуждением, схема 3-х фазного выпрямителя, основные соотно-шения между выпрямленным и переменным напряжениями, характеристики вентильного генератора. Во второй части – транзисторный регулятор (стабили-затор выходного напряжения генераторной установки, представляющий собой замкнутую систему автоматического регулирования, охваченную отрицатель-ной обратной связью по выходному напряжению с регулированием тока воз-буждения).

Генераторы с электромагнитным возбуждением и трехфазным выпрямителем

5.1.1. Принцип работы, конструкции, основные соотношения генераторов с электромагнитным возбуждением

Вентильный генератор - синхронный генератор, у которого выпрямление то-ка и напряжения осуществляется полупроводниковым выпрямителем, встроен­ным в генератор, а возбуждение генератора может быть как элект­ромагнитное, так и магнитное (с помощью постоянного магнита).

Автотракторные синхронные генераторы имеют в основном электромагнит-ное возбуждение, так как в этом случае легко осу­ществляется поддержание постоянства напряжения на генераторе.

Рассмотрим принцип действия синхронного генератора элект­ромагнитного возбуждения с использованием упрощенной схемы, представленной на рис.1. Магнитопровод якоря (ста­тора) 1 набирают из штампованных пластин электро-технической стали, в пазах которого находится обмотка якоря. Трехфазная об-мотка состоит из трех однофазных обмоток 2, сдвинутых на 120 эл. град. относи-тельно друг друга. На полюсах ро­тора 3 (индуктора) располагают катушку об-мотки 4 возбуждения, концы которой выводят к двум контактным кольцам 5, располо­женным на валу 6 и изолированным друг от друга и вала.

Ротор генератора приводится во вращение с частотой n_рт с помощью ремен-ной передачи от двигателя, с помощью щеток 7, скользящих при его вращении по кольцам, к обмотке возбуждения подходит ток постоянной силы, который, протекая по обмотке 4, создает магнитное поле - поле возбуж­дения. Поле, вра-щаясь вместе с ротором, пересекает проводники обмотки якоря и наводит в фа-зах обмотки ЭДС Е_ф одинаковой величины и частоты, но сдвину­тые по фазе на 120 эл. град. ЭДС.

Рис. 1. Упрощенная электромагнитная схема синхронного генератора

электромагнитного возбуждения:

1 – магнитопровод якоря (статор); 2 – однофазные обмотки; 3 – ротор индуктора; 4 – обмотка возбуждения; контактные кольца; 6 – вал; 7 - щетки;

E_ф = 4_*k_фр*f_*w_ф*k_01*Ф_ (1)

где k_фр – коэффициент формы поля; f - частота переменного тока; Ф_ - магнитный поток возбуждения в воздушном зазоре; w_ф - число витков фазы обмотки якоря; k₀₁ - обмоточный коэффициент обмотки якоря. Вывод формулы 1 приводится в учебниках по электротехнике.

Линейная ЭДС Е_л на выходе синхронного трехфазного гене­ратора зависит от схемы соединения фазных обмоток статора:

в звезду ( ) - Е_л = _*E_ф;

в треугольник () - Е_л = Е_ф.

При подключении к обмотке статора нагрузки в фазах гене­ратора появля-ются фазные токи. Магнитное поле переменного тока вращается в пространстве с той же скоростью, что и ротор, т. е. синхронно. Отсюда и название - синхрон-ный генератор. Явнополюсные синхронные генераторы (рис.2) обычно бы­вают многополюсными. Ротор такого генератора общего приме­нения состоит из вала 1 и магнитопровода 2, на котором укрепляют магнитопроводы полюсов 3 (массив-ные и шихтованные) с катуш­ками обмотки возбуждения 5. Магнитопроводы по-люсов закан­чиваются шихтованными полюсными наконечниками 4. Таким обра-зом, число катушек обмоток возбуждения равно числу полю­сов 2р, иногда числу пар полюсов р. Магнитный поток, создавае­мый обмотками возбуждения, прохо-дит через полюс, полюсный наконечник, воздуш­ный зазор, зубцы статора, ярмо статора, зубцы статора, воздуш­ный зазор, полюсный наконеч­ник, ротор, т. е. маг-нитный по­ток проходит радиально по маг­нитной системе.

Рис. 2. Схема синхронного генератора общего применения:

1 - вал; 2 - ротор; 3 - полюс; 4 - полюсный наконечник; 5 - катушка обмотки возбуждения; 6 - магнитопровод (пакет) якоря; — — — — магнитные сило­вые линии поля возбуждения.

Рис. 3. Схема автотракторного генератора с клювообразным ротором:

1- втулка (сердечник); 2 - обмотка возбуждения; 3,4 - полюсные наконечники с клювами; 5- пакет статора; 6 - обмотка якоря; 7 - щетки; 8 – контактные кольца; магнитная силовая линия основного магнитного потока.

Особенностью автотракторного синхронного генератора яв­ляется применение клювообразных (рис.3, 4) полюсных наконеч­ников 3 и обмотки возбуждения 2, состоящей из одной катушки, магнитопровода, который расположен между по-люсами. В этом случае число полюсов не зависит от числа катушек обмотки воз­буждения. Оптимальное число пар полюсов р (число клювов на полюсном нако-нечнике) равно 6.

На рис. 4 и рис. 5 показан общий вид статора и ротора с обмотками. Магнит-ный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, про­ходит через сердечник (втул-ка), фланец и клювы одного фланца, воздушный зазор между клювами и зубцами статора, зубцы статора, спинку статора, зубцы статора, воздушный зазор между зубцами статора и клювами, клювы другого фланца и фланец на втулку, т.е. по-ток в роторе проходит аксиально. Из клювов одного фланца магнитный поток выходит (северный по­люс). В клювы другого фланца магнитный поток входит (южный полюс).

Рис. 4. Клювообразный ротор Рис. 5. Статор генератора с

с контактными кольцами и клювообразным ротором

обмоткой возбуждения

При такой конструкции полюсного наконечника, как показано на рис. 5, не-смотря на значительные потоки рассеяния в индук­торе (роторе), расход меди на обмотку возбуждения минимальный, ротор получается простым по конструкции и технологичным, а следовательно, и имеющим меньшую стоимость.

Статоры синхронных генераторов общего применения имеют большое число пазов на полюс и фазу, которое определяется по формуле

q = z₁ / 2p (2)

где z₁ — число пазов статора; р — число фаз.

Большое значение q позволяет удовлетворить высокие требо­вания по сину-соидальности выходного напряжения и КПД. В автотракторных генераторах требование максимального КПД не является определяющим, а определяющее требование — надежность в эксплуатации и высокий срок службы при мини-мальной стоимости генератора (при малой массе и габаритных размерах),поэто-му статор генератора выполняют с малым числом пазов на полюс и фазу (обыч-но q < 1, иногда 2). С помощью статоров с малым значением q можно получить высокотехнологичную конст­рукцию генератора; надежную в эксплуатации при малой ее стои­мости. При мощности генератора до 600 Вт их выполняют трех­фазными с соединением фаз в звезду, при большей мощности ге­нератора фазы соединяют в треугольник, двойную звезду, двой­ной треугольник и переходят на большее число фаз (m = 5).

Частота ЭДС, индуцированной в обмотке статора f = n_рт / 60, определяется частотой вращения ротора n_рт = к_{пер *} n ,

(n – частота вращения коленчатого вала , к_пер = n_рт/n – передаточное число ременного привода, р – число пар полюсов).

В автомобилях и тракторах к_пер выбирается в пределах 1,5 ÷ 2,5 . Следует отметить , что с увеличением к_пер , т.е. с увеличением числа оборотов ротора , возрастает износ генератора.

Особенность работы автотракторных генераторов состоит в том , что в связи с непостоянной скоростью движения автомобиля изменятся n_рт , а следователь-но частота f.

Определим численное значение f для генератора, ротор которого предполо-жим вращается со скоростью n = 5000 оборотов в минуту, к_пер = 1,5 , число пар полюсов генератора (число клювов) р = 6.

Тогда f = n_{рт *} р / 60 = к_{пер *}n_*р / 60 = 1,5 _* 5000 _* 6 / 60 = 750 Гц

Автотракторные генераторы имеют следующие частотные параметры:

• минимальная частота вращения ротора в режиме холостого хода (n_{рт х}), при которой генератор еще развивает номинальное напряжение;

• номинальная частота вращения n_{рт н} при которой генератор развивает номинальную мощность при номинальном напряжении;

• минимальная частота вращения ротора n_{рт р} , соответствует режиму, при котором отношение выпрямленной мощности к n_{рт р} максимально (режим максимальной тепловой нагрузки);

• максимальная частота вращения ротора n_{рт мах}.

Рассмотрим типы обмоток вентильных генераторов. Схемы соединения ка-тушек не зависят от числа витков ка­тушки, поэтому в схеме изображаются од-новитковые катушки. Катушки разных фаз будем обозначать прямоуольниками разной длины.

Рис.6. Схема трехфазной обмотки якоря при q - 0,5:

а - обычная звезда; б - двойная звезда; Н₁, Н₂, Н₃, ... , К₁ ... К₂ ... К₃ - соот-ветственно начальные и конечные точки фаз; А, В, С – выводы

На рис. 6 показаны схемы обмоток с q = 0,5. Каждая катуш­ка расположена на своем зубце. Число зубцов (пазов) восемнад­цать, число катушек восемнад-цать. В каждом пазу находятся две стороны катушек разных фаз. Лобовая часть обмотки опреде­ляется числом витков катушки. На рис.6,а в фазе находятся шесть последовательно включенных непрерывно намотанных ка­тушек.

На рис.6,б в половине пазов имеются катушки, образу­ющие одну звезду, в другой половине пазов — другую. Каждая фаза состоит из двух параллельных ветвей, в каждой ветви по три непрерывно намотанных катушки.

На рис.7 показана схема обмотки с q=1 и с диаметральным шагом обмотки. Число пазов 36, катушек 18. Каждая катушка охватывает три зубца, в каждом пазу находится одна сторона катушки.

Рис.7. Схема трехфазной обмотки якоря при q=1,0:

а – обычная обмотка (даны номера каждого третьего паза);

б – обмотка в развал

В обмотке (рис.7,а) полное число витков первой катушки вматывают, напри-мер, в первый и четвертый паз, а второй катушки - в седьмой и десятый паз и т.д. Размер лобовой части обмотки (вылет) определяется двойным числом вит-ков катушки.

В обмотке, намотанной в развал (рис.7,б), в первый и четвертый пазы на-матывают только половину витков первой катушки, а вторую половину нама-тывают в пазы четвертый и седьмой в обратном направлении. Далее в пазы седьмой и десятый наматывают половину витков второй катушки, а вторую половину витков второй катушки в пазы десятый и тринадцатый наматы­вают в

обратном направлении и т. д. При такой намотке вылет лобовой части катушки определяется только полуторным числом витков катушки.

Обмотка позволяет уменьшить вылет лобовых частей катушек и, следователь-но, уменьшить массу и габаритные размеры.

С целью улучшения использования материалов вентильного генератора и уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения широко применяются двух-полупериодные трехфазные и пятифазные схемы выпрямления.

Таким образом, особенностью автотракторных синхронных генераторов яв-ляются:

применение клювообразных полюсов и обмотки возбуждения, состоящей из одной катушки;

использование статоров с малым числом пазов на полюс и фазу (обычно q1, иногда q = 2);

выпрямление тока генератора осуществляется встро­енным полупроводни-ковым выпрямителем.