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_d (1)

 

где k_фр – коэффициент формы поля; f - частота переменного тока; Ф_d - 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 (D) - 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.

5.1.2 Схема, принцип работы, расчетные соотношения и временные диаг-раммы трехфазного выпрямителя

На рис. 8 приведена схема вентильного трехфазного генератора с выпрями-телем, собранным по схемем трехфазного двухполупериодного выпрямителя.

 

 

Рис. 8. Схема вентильного трехфазного генератора с выпрямителем

 

Обмотки статора соединены в звезду. Для этого соединения U_л = U_ф и I_л = I_ф. Положим, что нагрузкой генератора является активное сопротивление R_нг.

Мгновенные напряжения фаз А, В, С соответственно равны

 

u_A = U_msin wt;

u_B = U_msin (wt -2p / 3);

u_С = U_msin (wt +2p / 3).

 

где U_m – максимальное фазное напряжение; w= 2pf = 2p_*n_{рт *} р / 60 – угловая скорость вращения.

Положим также, что диоды, включенные в прямом направлении, имеют сопротивление R_пр бесконечно малое (R_пр = 0), а в обратном направлении со-противление R_обр бесконечно большое (R_обр = ¥).

В трехфазной мостовой схеме выпрямления имеется шесть диодов: в верх-ней группе диодов (диоды VD1,VD3,VD5 положительной полярности) соеди-нены между собой катоды, в нижней группе (диоды VD2,VD4,VD6 отрица-тельной полярности) – аноды. В проводящем направлении работает диод из верхней группы, у которого анод имеет наиболее высокий потенциал, а в ниж-ней группе – диод, у которого катод имеет наиболее низкий потенциал. Следо-вательно, в любой момент времени работают два диода: один положительной полярности (верхний), другой отрицательной (нижний). Каждый диод пропус-кает ток в течение одной трети периода (Т / 3).

 

 

Рис.9. Временные диаграммы напряжения и силы тока трехфазного вентильного генератора: а - фазных напряжений u_a, u_в, u_с ; б – выпрямленного напряжения и силы тока; в – силы тока диодов i₁, i₃, i₅, i₄, i₆, i₂ ; г – сила тока i_А в фазе генератора

 

К выпрямителю подается линейное напряжение генератора. Выпрямленное напряжение определяется ординатами, заключенными между верхней и нижней огибающими (рис. 9,а) фазных напряжений u_A, u_В, u_С.

Поэтому мгновенное значение выпрямленного напряжения u_d измениться и частота пульсации выпрямленного напряжения в 6 раз больше переменного напряжения:

 

f_пл = 6f = 6рn_рт / 60 = 0,1 рn_рт .

 

Минимальное значение выпрямленного напряжения равно 1,5 U_m, а максимальное 1,73 U_m. Изменение выпрямленного напряжения (пульсации)

 

DU_d = (1,73-1,5)U_m = 0,23U_m = 0,325U_ф. (3)

 

Среднее значение выпрямленного напряжения (период пульсации Т / 6)

т/ 12

U_d = Т/6 òÖ3 U_{m *}coswtdt = 1,65 U_m= 2,34 U_ф =1,35 U_л. (4)

-т/ 12

При вычислении интеграла w = 2p/Т.

Итак, для трехфазной мостовой схемы выпрямления среднее значение выпрямленного напряжения в 2,34 раза больше действующего фазного и в 1,35 раза больше действующего линейного напряжения.

Пульсацию выпрямленного напряжения можно выразить через среднее вы-прямленное напряжение, подставив в формулу (3) значение U_m, найденное из выражения (4):

 

DU_d = 0,23U_d/l,65 = 0,139U_d.

 

Относительная пульсация выпрямленного напряжения

 

DU_d^* = DU_d 100 / U_d = 13,9 %.

 

Например, при среднем значении выпрямленного напряжения 14 В пуль-сация равна 1,95 В. При этом максимальное значение выпрямленного напря-жения равно 14,65 В, а минимальное 12,7 В.

При подключении к выпрямителю активной нагрузки R_нг протекает вы-прямленный ток (мгновенное значение)

 

i_d = u_d / R_нг.

 

Форма выпрямленного тока имеет такой же вид, как и форма выпрямлен-ного напряжения, т.е. выпрямленный ток будет пуль­сирующим с амплитудой пульсации I_dm = U_dm / R_нг (рис. 9,б).

Средняя сила выпрямленного тока

т/ 12

I_d = T/6 ò I_dm coswtdt = 3I_dm / p = 0,955 I_dm. (5)

-т/ 12

Как было показано, каждый диод пропускает ток в течение одной трети пе-риода (Т/3). Поэтому мгновенная сила тока диодов i₁, i₂, i₃, i₄, i₅, i₆ имеет пуль-сирующий характер (рис. 9,в). Средний ток одного диода равен I_d/3.

Токи, протекающие по фазным обмоткам генератора, можно определить, рассматривая соответствующие узлы выпрямителя. Например, согласно пер-вому закону Кирхгофа

 

i_A+i₂ – i₁= 0

 

или мгновенное значение силы тока фазы A

 

i_A=i₁ – i₂.

 

Таким образом, фазные токи имеют несинусоидальный пре­рывистый характер (рис. 9,г). Действующая сила фазного тока

т/ 3

I_ф = Ö4/T ò I²_dm sin² wtdt = 3I_dm / p = 0,775 I_dm. (6)

-т/ 3

Из (5) и (6)

 

I_ф = 0,815 I_d. (7)

 

Обычно при определении действующей фазной силы тока полагают, что форма фазной силы тока прямоугольная и имеет амплитуду, равную средней силе выпрямленного тока I_d. В этом случае

т/ 3

I_ф = Ö2/T ò I²_d dt = Ö2/3 I_d = 0,816 I_d. (8)

Сравнение формул (7) и (8) показывает, что погрешность, невелика, и при расчетах можно пользоваться формулой (8).

Средний ток, проходящий через каждый диод

 

I_д = I_d/3 = 0,318 I_dm.

Действующий ток, протекающий через диод

т/ 12

I_д.д. = Ö2/T ò I²_dm cos² wtdt = 3I_dm / p = 0,55 I_dm

-т/ 12

Поэтому коэффициент формы тока, протекающего через диод,

 

k_д = I_д.д./ I_д =1,735.

 

При рассмотрении отношений напряжений и силы тока вен­тильного генерато-ра учитывают, что полупроводниковые вентили (диоды) не являются идеальными.

Вольт-амперная характеристика кремниевого диода приведена на рис. 10. С достаточной точностью вольт-амперная характери­стика кремниевого диода в состо-янии высокой проводимости может быть аппроксимирована уравнением

 

u = U₀ + iR_д,

 

где U₀ - пороговое напряжение; i - сила тока в прямом направ­лении;

R_д - динамическое сопротивление, равное tgb.

 

 

Рис. 10. Вольт-амперные характеристики кремниевого диода

 

При аппроксимации прямую линию проводят через две точки I = 4,71I_пред и i = 1,57I_пред, где I_пред - предельный или номинальный ток диода. Прямое падение напряжения на диоде DU_пр (среднее значение) связано с пороговым напряжени-ем U₀ и динамическим сопротивлением R_дн:

 

DU_пр = U₀ / 2 + I_пр R_дн .

 

Для диодов, применяемых в автотракторном электрооборудо­вании, поро-говое напряжение находится в пределах 0,8... 1,0 В.

Коммутация в вентильных генераторах не является идеальной. Накопленная электромагнитная энергия в индуктивных элементах приводит к тому, что сила тока в диоде нарастает и исчезает постепенно.

В результате с увеличением тока нагрузки изменяется соотношение между напряжениями на входе и выходе выпрямителя, а также соотношение между выпрямленной и фазной силой тока. В режимах близких к холостому ходу, фор-ма фазного напряжения близка к синусоидальной, а кривые фазной силы тока имеют значительные искажения. По мере увеличения нагрузки форма фазного напряжения искажается, а форма фазной силы тока приближается к синусои-дальной.