2.12.1. Источники электрического тока
Источниками электрического тока в системе электрооборудования машин являются генераторы и аккумуляторы.
Генератор — это электрическая машина, в которой получаемая от двигателя механическая энергия преобразуется в электрическую, подаваемую затем к потребителям.
Генераторы, применяемые на автомобилях и тракторах, бывают постоянного и переменного тока.
Генераторы постоянного тока с электромагнитным возбуждением и коллектором применяются на автомобилях и тракторах старой конструкции. Широкое внедрение полупроводниковых приборов позволило использовать на автотранспортной технике более совершенные и простые по конструкции генераторы переменного тока с полупроводниковыми выпрямителями.
Генераторы переменного тока выполняются по трех- или пятифазной схеме. Преобразование переменного тока в постоянный ток осуществляется с помощью кремниевых полупроводниковых выпрямителей.
Устройство генератора переменного тока показано на рис. 2.78. По исполнению генератор — трехфазный синхронный электромагнитного возбуждения, с встроенным выпрямительным блоком и контактным токосъемником.
Рис. 2.78. Генератор:
1 — вал ротора; 2 — полюсные наконечники; 3 — крышка со стороны контактных колец; 4 — вывод выпрямительного блока; 5 — контактные кольца; 6 — крышка подшипника; 7,18 — гайки; 8,17 — подшипники; 9 — электрический вывод (вывод Ш); 10 — щетки; 11 — обмотка возбуждения ротора; 12 — статор; 13 — трехфазная обмотка статора; 14 — крышка со стороны привода; 15 — вентилятор; 16 — приводной шкив; 19 — втулка
Основными частями генератора являются статор 12, вал 1 ротора, две крышки 3 и 14 (со стороны контактных колец и привода), вентилятор 15, приводной шкив 16 и щеточный узел (щеткодержатель) с двумя медно-графитовыми щетками 10. Привод генератора осуществляется шкивом 16 от ременной передачи. Статор 12, собранный из листов электротехнической стали, имеет внутри восемнадцать равномерно расположенных по окружности пазов, в которых размещена трехфазная обмотка 13, соединенная по схеме «звезда».
Ротор состоит из напрессованных на вал 1 стальной втулки с намотанной на нее обмоткой 11 возбуждения и двух клювообразных полюсных наконечников 2, образующих двенадцатиполюсную магнитную систему. На вал ротора напрессованы контактные кольца 5, к которым припаяны концы обмотки возбуждения. Обе крышки имеют вентиляционные окна, через которые вентилятором 15 осуществляется обдув и охлаждение генератора. К задней крышке крепится щеточный узел (щеткодержатель), в отверстия которого вставлены две щетки 10, поджимаемые пружинами к контактным кольцам. Внутри этой же крышки расположен выпрямительный блок с выводом 4. Натяжение ремня привода генератора может регулироваться с помощью натяжной планки, закрепленной на передней крышке 14.
При включении замка зажигания на обмотку ротора подается напряжение аккумуляторной батареи, которое вызывает появление электрического тока возбуждения. Электрический ток возбуждения, проходя по обмотке возбуждения, создает магнитный поток, рабочая часть которого распределяется по клювообразным полюсам одной полярности.
При вращении ротора под каждым зубцом статора проходит попеременно то положительный, то отрицательный полюс, т.е. магнитный поток, пересекающий трехфазную обмотку 13 статора, изменяется по величине и направлению. При этом в обмотках будет индуцироваться переменная по величине и направлению ЭДС. Выпрямленный после прохождения через выпрямительный блок электрический ток поступает в сеть машины.
Источники электроэнергии — генератор и аккумуляторная батарея — на автомобилях и тракторах включены параллельно. При неработающем двигателе и малых частотах двигателя, когда напряжение на клеммах генератора не достигло номинальной величины, все потребители питаются от аккумуляторной батареи. С момента, когда напряжение на клеммах генератора достигнет номинальной величины и станет больше, чем напряжение аккумуляторной батареи, генератор при помощи специального реле автоматически включается в электрическую цепь и начинает питать током потребителей, в том числе проводит заряд аккумуляторной батареи.
Для автоматического поддержания напряжения генератора в заданных пределах и обеспечения нормального зарядного режима аккумуляторной батареи в цепь генераторов подключены реле-регуляторы. Реле-регуляторы бывают контактного, контактнотранзисторного и транзисторного типов. В качестве примера на
рис. 2.79 показана схема реле-регулятора РР-362Б контактно-транзисторного типа.
Рис. 2.79. Схема реле-регулятора РР-362Б контактно-транзисторного типа: PH — реле напряжения; Rн.о — основная обмотка регулятора напряжения; РЗ — реле защиты; П — пружина; Rз.у R3.0 R3.В — соответственно удерживающая, основная и вспомогательная обмотки реле защиты; Др — разделительный диод; Т — транзистор (триод); К, Б, Э — выводы транзистора (коллектор, база, эмиттер); Дг, Д1 — гасящий и запирающий диоды; R6,RT,RУ Rд,R1 — резисторы; А — амперметр; ВМ — выключатель «массы»; ОВГ — обмотка возбуждения генератора; Ш, В — соответственно шунтовой и аккумуляторный зажимы реле
Реле-регулятор РР-362Б состоит из устройства для регулирования напряжения генератора, устройства для защиты транзистора от коротких замыканий в цепи обмотки возбуждения и устройства посезонной регулировки напряжения. Винт переключателя посезонной регулировки напряжения устанавливается на положение «зима» при отрицательной температуре воздуха, а также при недозаряде аккумуляторной батареи. В остальных случаях этот винт устанавливается в положение «лето».
Реле РР-362Б состоит из двух электромагнитных реле — напряжения PH и защиты РЗ, транзистора Т, трех диодов — разделительного Др, гасящего ДГ, и запрещающего Д1 а также резисторов R6,RT,RУ Rд,R1
При малой частоте вращения ротора генератора сердечник PH намагничивается недостаточно для преодоления усилия пружины П и притягивания верхнего контакта к нижнему. При этом транзистор Т «открыт», т.е. электрический ток проходит от зажима В через резистор R1, диод Д1 эмиттер Э, базу Б и резистор R6 на «массу». Электрическое сопротивление между Э и К при этом незначительно и ток идет также с эмиттера Э на коллектор К в основную обмотку реле Rз.о через зажим Ш и далее — через обмотку возбуждения генератора ОВГ на «массу». В результате происходит возбуждение генератора. Одновременно через обмотку PH проходит ток, который мал для притяжения контакта. Потребители тока питаются от аккумулятора.
При возрастании частоты вращения ротора генератора ток в обмотке PH увеличивается, смыкаются контакты, напряжение на диоде Д1 падает, и транзистор закрывается, поскольку его база получает при сомкнутых контактах дополнительно полюсовый ток большего, чем на эмиттере, потенциала (на величину, соответствующую падению напряжения в диоде Д1,). После закрывания транзистора Т в обмотке возбуждения генератора возникает ЭДС самоиндукции, которая гасится диодом Дr, и включаются резисторы RT, Rу, Rд, что уменьшает напряжение генератора — в этом случае контакты PH размыкаются, и транзистор снова открывается. Срабатывание контактов PH поддерживает напряжение в цепи летом 13… 14 В, а зимой на 0,8… 1,2 В больше. В то же время электрический ток поступает и на заряд аккумулятора.
Реле защиты с разделительным диодом Др защищает транзистор от коротких замыканий. Неподвижные контакты РЗ и PH параллельно соединены через диод Др. При коротком замыкании в цепи обмотки возбуждения генератора на «массу» сила тока, протекающего через обмотку R3.0, увеличивается, контакты РЗ смыкаются и сила тока уменьшается. При этом обмотка Rз.у удерживает контакты сомкнутыми, а транзистор закрытым до тех пор, пока не будет отключен выключатель «массы» ВМ и не устранено короткое замыкание, после чего «масса» включается.
Аккумуляторы накапливают электрическую энергию и обеспечивают ею потребителей при неработающем двигателе (для пуска основного или пускового двигателя электростартером и для питания приборов машины) или в случаях, когда из-за низкой частоты вращения коленчатого вала генератор не может снабжать потребителей током. При высокой частоте вращения генератор обеспечивает электрическим током всех потребителей, включая и аккумулятор, который в этом случае работает как потребитель — накопитель электрической энергии.
Аккумуляторные свинцово-кислотные батареи (рис. 2.80) получили преобладающее применение в автотракторном электрооборудовании.
Рис. 2.80. Аккумуляторные свинцово-кислотные батареи:
1 — решетки; 2 — сепаратор; 3, 4 — положительные и отрицательные пластины; 5, 7 — полублоки; 6 — перемычки, последовательно соединяющие плюсовые и минусовые клеммы; 8 — блоки пластин; 9 — выводные штыри; 10 — аккумуляторный бак; 11 — крышка; 12 — пробки
Все аккумуляторные батареи имеют соответствующую маркировку. Первая цифра маркировки (3 или 6) характеризует число последовательно соединенных аккумуляторов (блоков пластин) напряжением по 2 В в батарее, определяющее ее номинальное напряжение (6 или 12 В). Буквы СТ означают, что батарея стартерная. Последующие цифры определяют номинальную емкость1 батареи при разряде в течение 20 ч, а буквы — материал моноблока (Э — эбонит, Т — термостат, П — полиэтилен), материал сепараторов (М — мипласт, Р — мипор, П — пластипор, С — стекловолокно совместно с одним из материалов сепараторов). Аккумуляторные батареи с сухозаряженными пластинами в маркировке имеют букву 3.
1 Количество электричества, которое может дать заряженный аккумулятор при разряде до допустимого предела (снижение напряжения до 1,7 В). Измеряется емкость ампер-часами. Для аккумуляторной батареи 1 А* ч — это емкость т ак о го аккумулятора, который может давать ток силой 1 А в течение 1 ч. Емкость зависит от числа пластин, их размера, т.е. от величины активной массы, соп ри касающейся с электролитом, от качества активной массы, силы разрядного тока, а также от температуры электролита.
Например, маркировка 6СТ-132 ПМСЗ означает, что номинальное напряжение батареи — 12 В, батарея — стартерная, емкость батареи при разряде в течение 20 ч — 132 А ч, материал моноблока — полиэтилен, материал сепаратора — мипласт и стекловолокно, исполнение — сухозаряженное.
Внутри аккумуляторной батареи расположены пять положительных 3 и шесть отрицательных 4 пластин, выполненных в виде решеток 1 из сплава свинца и сурьмы (6…8%), заполненных активной массой, состоящей из оксидов свинца с добавками для увеличения пористости. Пластины одной полярности собираются в полублоки 5, 7. Число отрицательных пластин в блоке 8 на одну больше числа положительных пластин.
Сепараторы 2 предназначены для предотвращения соприкосновения разноименных пластин и короткого замыкания между ними. Сверху аккумуляторы закрыты крышками 11, залитыми мастикой. Из мастики выступают перемычки 6, последовательно соединяющие плюсовые и минусовые клеммы, а также горловины наливных отверстий с пробками 12, снабженными вентиляционными отверстиями. Через горловины внутрь аккумулятора заправляется электролит — смесь дистиллированной воды с серной кислотой. По краям аккумуляторной батареи расположены выводные штыри (клеммы) для подключения к сети машины. Действие свинцово-кислотной батареи основано на реакции:
При заряде кислотного аккумулятора (рис. 2.81, а) сернокислый свинец пластин под действием электрического тока вступает в химическую реакцию с электролитом. В результате активная масса положительных пластин состоит из диоксида свинца Рb02, а отрицательных — из губчатого свинца РЬ. При этом увеличивается концентрация серной кислоты Н2SO4 в электролите (последний процесс показан стрелкой, направленной вверх).
Рис. 2.81. Схемы работы кислотного аккумулятора: а — процесс заряда; б — процесс разряда; Рb — свинец; Рb02 — диоксид свинца; РbS04 — сернокислый свинец; «+», «-» — положительно и отрицательно заряженные пластины аккумулятора; → — направление тока при заряде или разряде аккумулятора; —-→ — увеличение (стрелки вверх) или уменьшение (стрелки вниз) содержания соответственно серной кислоты Н2S04 и воды Н20 в электролите
При разряде кислотного аккумулятора (рис. 2.81, б) происходит обратная реакция: серная кислота Н2SO4 электролита вступает в химическую реакцию с активной массой пластин (диоксидом свинца Рb02 и губчатым свинцом Рb), превращая ее в сернокислый свинец РbS04. При этом количество серной кислоты в электролите уменьшается (показано стрелкой, направленной вниз), часть ее замещается водой Н20 , вследствие чего удельная масса электролита уменьшается.
Следовательно, в процессе заряда аккумулятора постоянным током электрическая энергия преобразуется в химическую энергию активной массы пластин. При разряде аккумулятора происходит обратный процесс превращения химической энергии в электрическую.
Химические реакции внутри аккумулятора сопровождаются газовыделением («кипение» электролита — признак окончания заряда). Газы удаляются через вентиляционные отверстия в крышках. Поскольку при заряде аккумулятора концентрация серной кислоты в электролите увеличивается, а следовательно, и плотность электролита возрастает, по величине плотности судят о степени
заряженности аккумулятора. Полностью заряженная батарея аккумулятора имеет напряжение до 2,5 В и плотность электролита 1,21… 1,31 г/см3. Для увеличения напряжения аккумуляторы в батареях соединяют последовательно. Работа генератора, реле-регулятора и аккумулятора контролируется по амперметру, установленному на щитке приборов в кабине. Иногда вместо амперметра в электрическую схему включают контрольную лампу — ее световой сигнал свидетельствует о необходимости подзаряда аккумулятора.
Конечное напряжение и емкость аккумулятора при разряде зависят от величины разрядного тока и температуры электролита. При понижении температуры, а также с увеличением разрядного тока напряжение, развиваемое аккумулятором в течение всего периода разряда, уменьшается, конечное напряжение падает, а количество отдаваемого электрического тока резко снижается.
Стартерные аккумуляторные батареи, используемые в автотракторном электрооборудовании, должны удовлетворять следующим основным требованиям: большая сила разрядного тока (200…400 А в течение 5…10 с) при возможно малом падении напряжения, что необходимо для обеспечения нормального пуска автотракторного двигателя при низких температурах; малые габаритные размеры и масса при достаточной емкости; быстрое восстановление
емкости при заряде в эксплуатационных условиях; надежная работа при наличии больших колебаний температуры окружающей среды; постоянство напряжения.