Принципы построения системы зарядки

Основные принципы

На рис. 6.3 показана система зарядки транспортного средства в виде трех узлов: генератора переменного тока, аккумуляторной батареи и нагрузок транспортного средства. Когда напряжение

электрогенератора меньше, чем напряжение батареи (двигатель работает на малых оборотах или не работает), направление тока — от батареи к потребителям транспортного средства. Диоды генератора «не пускают» ток внутрь генератора. Когда напряжение

генератора больше, чем напряжение батареи, ток будет течь от генератора переменного тока к потребителям транспорт кого средства и к батарее.

Из этого простого примера ясно, что выходное напряжение энергогенератора должно быть больше напряжения батареи всегда, коша двигатель работает. Напряжение в цепи является важной величиной, которая зависит от множества факторов.

Напряжения зарядки

Главный вопрос при выборе напряжения зарядки — напряжение на клеммах батареи, когда она полностью заряжена. Если напряжение системы зарядки настроено на эту величину, тогда нет и не может быть никакого риска перезаряда батареи.

Это известно как метод зарядки при постоянном напряжении. Это подробно рассмотрено в главе, посвященной батареям. Цифра 14,2 ± 0,2 В принята как напряжение зарядки для 12-вольтовых

систем. Грузовики, как правило, используют две последовательно соединенные батареи при номинальном напряжения 24 В, поэтому принятое напряжение зарядки удваивается. Это стандартное

напряжение литания для всех потребителей транспортного

средства. Ради простоты далее усматриваются только 12-вольтовыс системы.

Другие ситуации, которые следует учитывать при определении напряжения зарядки, -- любые ожидаемые падения напряжения в кабельных цепях системы зарядки, рабочая температура системы

и состояние батареи. Падения напряжения должны быть сведены к минимуму, но важно отметить, что напряжение на выходе генератора переменного тока может быть немного выше приложенного к батарее.

Электрогенераторы и схемы зарядки

Генерация электричества

На рис, 6.4 показан основной принцип действия трехфазного генератора переменного тока и его выходное напряжение. Электромагнитная индукция создается магнитом, вращающимся в неподвижном витке или нитках провода. В реальном генераторе

переменною тока вращающийся магнит - это электромагнит, который подключается к источнику питания через два кольцевых токосъемника со скользящими контактами.

На рис. 6,5. показана наиболее распространенная конструкция, которая известна как ротор с концами в форме «когтя». Каждый конец ротора становится при вращении либо северным, либо

южным полюсом и, следовательно, «когти» будут чередоваться как северные и южные полюса электромагнита. Общепринятой эффективной схемой является использование роторов «коготь» с 12-ю или 16-ю полюсами.

Неподвижные витки провода называются статором и состоят из трех отдельных фазовых секций, каждая из которых имеет несколько обмоток. Обмотки размещены на сердечнике из тонких пластин (чтобы уменьшить вихревые токи), и должны быть согласованы по числу полюсов на роторе. На рис. 6.6 показан типичный статор.

Обмотки статора с тремя фазами могут быть соединены двумя способами, известными как «звезда» или «треугольник» (рис. 6.7). Характеристики тока и напряжения на выходе генератора для соединений статора «звезда» и «треугольник» различаются.

Соединение «звезда» можно рассматривать как вариант последовательного соединения фаз, выходное напряжение между двух фаз будет векторной суммой фазных напряжений. Ток на выходе будет тем же самым, что и ток фазы. Поэтому статоры

с обмотками типа «звезды» генерируют более высокое напряжение, тогда как статоры с обмотками тина «треугольник» выдают более сильный ток.

Напряжение и ток в статорах с тремя фазами могут быть рассчитаны следующим образом.

Соединение «звезда» можно рассматривать как

вариант последовательной цепи.

Соединение «треугольник» можно рассматривать как вариант параллельной цели. Это означает, что выходное напряжение то же самое, что к напряжение фазы, но выходной ток равен векторной

сумме токов фаз.

Большая часть генераторов переменного тока автомобиля использует соединение обмоток «звезда», но в некоторых тяжелых машинах используется преимущество более высокого выходного тока обмоток, соединенных «треугольником». Подавляющее

большинство современных генераторов, использующих

соединение типа «звезда», включает выпрямитель с восемью диодами, чтобы максимизировать выходное напряжение. Этот вопрос рассматривается в следующем разделе.

Частот выходного напряжения генератора переменного тока может быть рассчитана. Это особенно важно, если отвод переменного тока от статора используется для счетчика оборотов двигателя:

где f- частота в Гц; п - скорость вращения генератора переменного тока в об/мин; и р — число пар полюсов (12 «копей» ротора имеют 6 пир полюсов).

Генератор переменного тока при работе двигателя на холостом ходу будет вращаться со скоростью приблизительно 2000 об/мин, причем ротор с 12-ю полюсами создаст сигнал частотой 6x2000/60 = 200 Гц.

Клемма, предусмотренная на многих генераторах

для выхода переменного тока, обычно помечается буквой W. Выход- выпрямленная полуволна - используется, в частности, на дизельных двигателях для счетчика оборотов. Тот же выход используется на некоторых вариантах бензинового двигателя,

чтобы запускать электрическую катушку высокого напряжения.

Преобразование переменного тока в постоянный

Для того чтобы генератор переменного тока был способен заряжать батарею и обеспечивать питание других компонентов транспортного средства, требуется преобразовать переменный ток в постоянный. Самый подходящий электронный компонент для этой задачи- кремниевый диод. Если переменный ток одной фазы пропустить через диод, на выходе диода появится полуволна, как показано на рис. 6.8. В этом примере диод позволяет проходить к положительному полюсу батареи только половине полупериодов волны. Отрицательные полупериоды блокируются.

На рис. 6.9 показано, что мостовой выпрямитель с четырьмя диодами выпрямляет обе полуволны однофазного напряжения. Диод часта рассматривается как односторонний клапан для электрического тока. И хота это хорошая аналогия, важно помнить,

что диод хорошего качества блокирует обратный ток с напряжением приблизительно 400 В, а для того, чтобы диод начал проводить в прямом направлении, требуется небольшое напряжение - около 0,6 В.

Чтобы выпрямлять напряжение трехфазной машины, потребуется шесть диодов. Они тоже связаны в виде моста, как показано на рис. 6.10. Мост состоит из трех «пропускающих» и трех «запирающих» диодов. Форма выходного напряжения, создаваемого этой цепью, приселена на рисунке совместно

с сигналами трех фаз.

В блок выпрямителя часто вводятся еще три диода, выпрямляющих положительную полуволну напряжения. Они обычно меньше главных диодов и используются только для того, чтобы питать малым током обмотку возбуждения магнитного поля

в роторе. Дополнительные диоды известны как экстра-диоды, диоды магнитного поля или диоды возбуждения. На рис. 6.11 показан выпрямитель с девятые диодами.

Вследствие значительных токов, текущих через главные диоды, им требуется радиатор для отвода тепла, чтобы предохранить их от термического повреждения. В некоторых случаях вместо одного

диода ставят нескольких соединенных параллельно, чтобы они бег повреждения выдерживали большие токи. Диоды в блоке выпрямителя служат для предотвращения обратного тока от батареи к генератору. Они также позволяют нескольким генераторам переменного тока работать параллельно

без синхронизации, так как ток не может течь от одного генератора к другому. На рис. 6.12 приведены конструкции некоторых выпрямителей.

Когда используется статор с соединением обмоток «звезда», сумма напряжений в нейтральной точке звезды теоретически равна 0 В. Однако на практике из-за небольших погрешностей в конструкции статора и ротора и в этой точке возникает

потенциал. Этот потенциал (напряжение) известен как третья гармоника и показан на рис. .6.13. Его частота - утроенная основная частота фазной обмотки. Подключить к центру звезды два дополнительных диода, один в прямом и один в обратном включении, можно извлечь дополнительную мощность.

Прирост мощности достигает 15%.

На рис. 6.14 показана полная схема электрогенератора

при использовании главного выпрямителя с восемью диодами и тремя диодами возбуждения поля. На схеме показан также регулятор напряжения, который будет рассмотрен в следующем

разделе. Индикаторная лампочка, помимо основной функции предупреждения о неисправности генератора, служит для подачи начального тока возбуждения в обмотку ротора. Генератор не всегда может самовозбуждаться, поскольку остаточный магнетизм обычно недостаточен для создания такого напряжения, которое преодолеет прямое смешение диодов выпрямителя (0,6 или <) J В).

Типичная мощность лампочки индикатора- 2 Вт. Многие изготовители также подключают параллельно лампочке резистор, чтобы усилить возбуждение генератора и гарантировать его работ)', если лампочка сгорит. Лампочка, предупреждающая об отсутствии заряда, погаснет, когда в обмотку ротора пойдет ток от диодов возбуждения, поскольку в этом случае на обоих выводах лампочки возникнет одно и то же напряжение (разница потенциалов на лампочке станет равной 0 В).