655

заданным. После успешного запуска двигателя приемник посылает в транспондер новую кодовую комбинацию набора, именно она будет использована при последующем пуске ДВС. Так достигается более высокий уровень противоугонной системы защиты.

В последние годы разработаны новые противоугонные системы, исключающие несанкционированную эксплуатацию ТС. Такие противоугонные системы, наряду с ЭБУ, включают устройства механической блокировки узлов трансмиссии (коробки, моста, муфты, тормозов, рулевого управления и др.) [2, 7].

1.8. Мультиплексные системы передачи информации

За последние 20 лет значительно возросла сложность бортовой электропроводки машин. Так, например, в современном автомобиле более 1200 отдельных проводников. Жгут, идущий к двери водителя, содержит 50 проводников. Жгут, подходящий к приборному щитку машины, содержит порядка 100 проводников. Наряду с увеличением размеров и веса коммутирующего оборудования большое число электрических проводов и соединителей ухудшает надежность работы всех систем электрооборудования. По стоимости коммутационная аппаратура и провода занимают четвертое место в общей стоимости ТС после кузова, двигателя и трансмиссии [19, 22, 28].

Растет число бортовых систем машин, имеющих автотронное управление, таких как: автотронное управление ДВС; автотронные антиблокировочные системы; автотронное управление коробкой передач; автотронное управление клапанами; активная подвеска и т.д. Эти системы в той или иной степени связаны друг с другом. Выходные сигналы некоторых датчиков могут быть использованы одновременно или поочередно рядом электронных систем. При этом можно использовать один компьютер для управления всеми системами. Но сегодня и в ближайшем будущем это, вероятно, экономически нецелесообразно. Поэтому используются технические решения, при которых контроллеры отдельных электронных блоков управления (ЭБУ) для обмена данными соединяются друг с другом коммуникационной шиной. Датчики и исполнительные механизмы, подключенные к шине через согласующие устройства, становятся доступными для всех ЭБУ. Таким образом на борту машины создается локальная вычислительная сеть (ЛВС).

Уменьшение количества проводов в электропроводке достигается путем замены нескольких проводов, по которым передаются управляющие сигналы, на шину для обмена данными. Это одна из причин необходимости разработки мультиплексных бортовых систем. Второй причиной является необходимость объединения в ЛВС контроллеров различных ЭБУ для эффективной работы и диагностики.

SAE (Society of Automotive Engineers ― международное общество автомобильных инженеров) подразделяет мультиплексные автомобильные системы на три класса:

1.Класс «А». Мультиплексные системы, в которых бортовая электропроводка упрощается за счет использования коммуникационной шины. По этой шине между узлами передаются сигналы, которые в машине с обычной электропроводкой проходят по раздельным проводам. Системы класса «А» применяются в основном для упрощения и удешевления электрических соединений между устройствами корпусной электроники. Скорость передачи по шине не более 10 кбит/с.

2.Класс «В». В мультиплексной системе между узлами передаются информационные данные (чаще значения параметров), чем достигается устранение избыточности датчиков и иных элементов по сравнению с обычной схемой электропроводки. Скорость передачи данных между подсистемами составляет 100…250 кбит/с.

3.Класс «С». Мультиплексная система с высокой скоростью обмена данными, осуществляющая управление в реальном времени. Скорость обмена данными составляет около 1 Мбит/с [19, 22, 28].

Вопросы для самопроверки

1.Назовите функции бортовых электронных систем и электрооборудования современных транспортных машин (как пример).

2.Какие задачи могут выполнять бортовые электронные системы управления бензиновым двигателем?

3.Каков принцип диагностирования ДВС с помощью бортового устройства?

4.Какие цели достигаются с помощью бортовых электронных систем управления дизельным двигателем?

5.Объясните назначение и принцип действия системы курсовой устойчивости транспортного средства.

6.Опишите структуру современной информационной системы «Водитель – дорога».

11

7.Какую информацию для водителя в пути может выдавать бортовой компьютер?

8.Как действует навигационная система GPS?

9.Объясните принцип действия систем охранной сигнализации и противоугонных устройств, устанавливаемых на транспортных средствах.

10.Какие виды связи используются в новейших поисковых системах?

11.С какой целью разработаны мультиплексные системы передачи информации?

12.Охарактеризуйте спутниковый способ позиционирования (нахождения) машин с помощью системы ГЛОНАСС.

13.Какие системы используются для улучшения эксплуатации машин?

15. Охарактеризуйте назначение и классы мультиплексных бортовых систем.

ТЕМА 2. СТАРТЕРНЫЕ АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ

Общая характеристика, типы, классификация. Устройство АКБ. Назначение. Принцип работы АКБ. Основные характеристики АКБ. Необслуживаемые АКБ. Маркировка АКБ. Отказы

2.1. Общая характеристика, типы, классификация

Аккумуляторная батарея (АКБ) — источник электрической энергии при неработающем ДВС. Наибольшее распространение в машинах нашли кислотные АКБ, которые имеют относительно большую емкость и стартерную мощность [4, 6, 17].

Большое влияние на работу АКБ оказывают: место размещения объекта и способ его крепления; интенсивность и регулярность эксплуатации машины; температурные условия эксплуатации (климатическая зона, время года и суток); назначение машины и качество вырабатываемой бортовой электрической энергии.

Нормальные условия работы АКБ: температура (+25 ± 10) 0С, давление 76 кПа (760 мм рт. ст.), влажность до 80 % (ГОСТ 959-2002. Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные для автотракторной техники. Общие технические условия).

В реальных условиях АКБ эксплуатируют при температурах окружающего воздуха от –40 до +60 0С (для батареи обычной конструкции) и от –50 до +60 0С (для АКБ необслуживаемых). Температура электролита не должна превышать +50 0С, так как при повышении температуры интенсивнее разрушаются электроды, ускоряется сульфатация (образование химического соединения) и снижается мощность АКБ. Плотность электролита может быть в интервале 1,23…1,31 г/см3 и определяется климатической зоной эксплуатации. Например, плотность электролита в Западной Сибири летом составляет 1,25–1,27 г/см3, зимой — 1,27…1,29 г/см3 [12, 25]. Для уменьшения химической активности электролита в жарких климатических зонах рекомендуется снижать его плотность. Давление внешней среды может снижаться до 64 кПа — в горах высотой до 4000 м.

Вибрация в местах установки АКБ не должна превышать 60 Гц и ускорение — не более 1,5g (14,7 м/с2).

АКБ — это батарея последовательно соединенных электрических батарей (банок).

Наибольшее распространение нашли батареи с напряжением каждой банки около 2В. Например: АКБ 6СТ-65, где 6 — количество банок в АКБ, напряжение постоянного тока составляет 6 · 2 = 12 В; СТ

—свинцовая стартерная батарея, 65 — емкость, А·ч [22, 25, 28]. АКБ различаются по конструкции:

1.Обычная конструкция АКБ — в моноблоке с общей крышкой, с межэлементными перемычками под крышкой вне банок (обслуживаемые АКБ).

2.Батареи в моноблоке с общей крышкой и межэлементными залитыми перемычками под крышкой и закрытые (обслуживаемые АКБ).

3.АКБ необслуживаемые — банки с общей крышкой, нет горловины для заливки электролита в аккумулятор. Емкости банок не соединены с атмосферой. АКБ заправлена на заводе-изготовителе, и в процессе эксплуатации электролит и дистиллированная вода дополнительно не заливаются.

Первые два типа АКБ (обслуживаемые) требуют обслуживания при эксплуатации, так как в процессе эксплуатации происходит диссоциация воды с выделением Н2 и О2. Они наиболее распространены и дешевле, так как в них используются электродные пластины из сплава свинца и сурьмы (до 4,5 %) и не применяются дорогостоящие легирующие элементы.

АКБ третьего типа являются необслуживаемыми (в полном объеме) [3, 14, 15, 25, 28]. В сплавах электродов (пластин) необслуживаемых АКБ сурьма почти полностью заменена кадмием

12

(свинцово-кадмиевые), никелем (свинцово-кадмиево-никелевые), кальцием, серебром или другими легирующими элементами. Это существенно снижает электролиз воды при зарядах-разрядах. Такие АКБ чаще используются в легковом транспорте повышенной комфортности, где не допускается появление в салоне коррозионных и взрывоопасных газов О2 и Н2.

2.2. Устройство АКБ

Свинцовая батарея является обратимым источником электрической энергии [6, 17, 22, 28]. Она состоит из блоков одноименных электродов: «+» и «–», помещенных в емкость и залитых электролитом на основе серной кислоты. В АКБ входит несколько аккумуляторов (банок). Все банки располагаются в моноблоке (рис. 2.1). Моноблок выполнен из инертного материала — эбонита или пластмасс: полипропилена, полистирола и др. Эбонитовый моноблок 1 батареи разделен перегородками на шесть банок. Каждый аккумулятор помещен в банку и состоит из четырех положительных 3 и пяти отрицательных 5 пластин.

Рис. 2.1. Стартерная аккумуляторная батарея:

1 — моноблок; 2 — предохранительная решетка; 3 — положительная пластина; 4 — сепаратор; 5 — отрицательная пластина; 6 — мастика; 7 — мостик;

8 — борн; 9 — крышка

Электроды — пластины (ячеистые решетки из свинцового сплава), которые заполняются активными веществами. В положительно заряженном электроде 3 АКБ находится диоксид свинца, который имеет коричневый цвет, а отрицательный электрод 5 имеет серый цвет и состоит из губчатого свинца. Решетки электродов одновременно выполняют функции проводников тока и удерживания активной массы.

Ячейки решеток электродов заполнены активным веществом (пастой). Основой пасты является свинцовый порошок, замешанный в водном растворе серной кислоты. Тестообразная паста вмазывается в решетки электродов, затем проводят формование электродов путем прессования и сушки. Отрицательные и положительные электроды с помощью бареток соединяются в полублоки. Баретки имеют мостики 7, к которым своими ушками приворачиваются решетки электродов, и выводные штыри 8 (борны, см. рис. 2.1). Борны являются токоведущими элементами полублока пластин. Штыри проходят через крышку от положительных и отрицательных пластин. Между пластинами установлены сепараторы 4 для изоляции и увеличения прочности электродов от сдвига при тряске и вибрации. Сепараторы расположены между электродами и обладают высокой кислотостойкостью и диэлектрической прочностью. Они одновременно исключают короткое замыкание между электродами, обеспечивают высокую ионную проводимость электролита и высокую прочность.

В качестве материала сепараторов стартерных свинцовых АКБ используются мипор, мипласт, поровинил, винипор, пластипор и др. Наибольшее распространение нашли сепараторы из мипласта и мипора.

Сепараторы всегда имеют бóльшие размеры, чем электроды (пластины): по высоте — на 9–10 мм и по ширине — на 3–5 мм. Это исключает появление электрических токопроводящих мостиков по бокам пластин. Решетки обслуживаемых АКБ изготовлены из сплава свинца и сурьмы (2–5 %) с добавлением мышьяка (0,1–0,2 %). Чем больше в сплаве сурьмы, тем выше его жидкотекучесть и прочность. Сурьма увеличивает стойкость и прочность сплава электродов. Мышьяк в сплаве уве-

13

личивает коррозионную стойкость. Добавки сурьмы изменяют каталитические свойства, ускоряя нежелательный процесс электролиза воды в АКБ, снижая при этом потенциал разложения воды на Н2 и О2 еще до рабочих напряжений генераторной установки (ГУ). Разложение воды на составляющие происходит задолго до полного заряда АКБ. Все АКБ на основе сплавов свинца и сурьмы требуют регулярного обслуживания: проверки плотности электролита, доливки воды и электролита и регулярной подзаряда. Поэтому они называются обслуживаемыми.

По конструкции каждая банка такой АКБ сверху имеет заливное и вентиляционное отверстия и обычно закрыта общей крышкой 9 (рис. 2.1). Заливка банок обслуживаемых АКБ электролитом осуществляется через заливные отверстия, которые затем завинчиваются пробками с вентиляционным отверстием и клапаном. Электролит получают путем добавления кислоты в дистиллированную воду (в отдельной стеклянной емкости) до необходимой плотности, в пределах 1,23…1,31 г/см3. В аккумуляторе уровень электролита должен быть выше пластин на 10 мм. Над пластинами имеется предохранительная решетка 2. Зазоры между крышкой и банками заполняются уплотнительным герметиком (мастикой) 6 (см. рис. 2.1).

2.3. Назначение. Принцип работы АКБ

Стартерные АКБ предназначены для пуска ДВС и питания других потребителей электроэнергии при неработающем генераторе или при недостаточной его мощности [4, 13, 22, 28].

АКБ, работая параллельно с генератором, устраняет его перегрузки, выравнивает бортовое напряжение (устраняет колебания) за счет своей емкости.

Зарядка аккумулятора протекает следующим образом: при прохождении тока через пластины и электролит происходит процесс преобразования электрической энергии в химическую с получением активной массы на поверхности пластин. На положительной пластине образуется диоксид свинца коричневого цвета, а на отрицательной — губчатый свинец серого цвета. При этом плотность электролита увеличивается. ЭДС (Е0) каждой заряженной банки составляет около 2В и определяется по формуле

где γ — плотность электролита, приведенная к плотности при температуре +25 0С, г/см3. Плотность электролита (γ1), измеренная при иной температуре (Т), приводится к плотности при

температуре +25 0С и определяется из формулы

При подключении нагрузки к АКБ происходит процесс разрядки — процесс превращения химической энергии в электрическую.

Химическая реакция кислотной свинцовой АКБ описывается уравнением

Химические реакции протекают только при условии появления разности между величинами ЭДС АКБ и напряжения на ее клеммах. В остальных случаях процессы не протекают, исключая саморазряд, который составляет ежедневно порядка 0,5…1,0 % от емкости АКБ.

2.4. Основные характеристики АКБ

Следует четко различать процессы, протекающие при заряде и разряде АКБ (см. уравнение (2.3)).

Характеристики заряда АКБ разными способами представлены на рис. 2.2. К основным характеристикам АКБ относятся:

1)временна´я — зависимость силы тока нагрузки АКБ от времени;

2)вольт-амперная характеристика (ВАХ) — зависимость напряжения на выводах АКБ от силы разрядного тока нагрузки за определенный период времени. С увеличением тока нагрузки (при разряде) напряжение АКБ снижается (рис. 2.3);

3)на основе анализа временной характеристики устанавливаются емкостная, мощностная и энергетическая характеристики.

Уравнение вольт-амперной характеристики АКБ:

где UАКБ — напряжение на клеммах АКБ после подключения нагрузки (напряжения разряда Uр); ∆Uн — падение напряжения во внешней цепи, В; ЕАКБ — начальная ЭДС АКБ, В; ∆UАКБ — падение напряжения в АКБ (внутреннее) после подключения внешней нагрузки.

14

где n — число банок; Iр — ток разряда (ток нагрузки АКБ), А; Rн — сопротивление нагрузки (внешней цепи), Ом.

где RАКБ — внутреннее электрическое сопротивление самой АКБ, Ом.

Рис. 2.2. Характеристики заряда АКБ при разных способах: I — при постоянном токе; II — при постоянном напряжении; III — ступенчатым током; IV — смешанный

где Rп — сопротивление поляризации (емкостная составляющая), Ом; R0 — электрическое сопротивление внутри АКБ, Ом.

где Rэл — сопротивление электролита между пластинами АКБ, Ом; Rс — сопротивление сепаратора, Ом; Rм — сопротивление активной массы АКБ, Ом; Rэ — сопротивление решеток и соединительных элементов АКБ.

С учетом падения напряжения во внешней цепи (после подключения нагрузки) напряжение на клеммах АКБ в общем случае запишется:

где Uр — напряжение разряда — напряжение на клеммах АКБ после подключения его к нагрузке; ЕАКБ — ЭДС (разность потенциалов) на клеммах АКБ (без нагрузки).

Явление изменения потенциала электрода под действием прохождения тока от исходного равновесного состояния (без тока) до нового (эффект конденсатора) называется поляризацией.

Напряжение на клеммах АКБ при ее разряде зависит от величины разрядного тока и температуры электролита.

В режиме короткого замыкания на клеммах АКБ напряжение равно 0 (см. Iкз, рис. 2.3). Ток короткого замыкания АКБ определяется по формуле

На рис. 2.3 для АКБ 6СТ-55А при температуре +25 0С ток короткого замыкания составляет Iкз = 1400 А, напряжение цепи равно нулю. С увеличением тока нагрузки Iр напряжение разряда (напряжение на клеммах АКБ) Uр падает. Таким образом, мощность АКБ в каждый момент времени будет разная. Наибольшая мощность Р = 5,5 кВт наблюдается при Iр порядка 700 А (см. рис. 2.3). С понижением температуры до –20 0С резко падают основные характеристики АКБ: Iкз = 800А, Р = 2,4 кВт при Iр = 400 А. При этом вольт-амперная характеристика АКБ более крутая (рис. 2.3).

Чем больше ток Iр и глубина разряда, тем меньше срок возможного использования аккумулятора. С увеличением Iр от 55 А до 220 А в момент электростартерного пуска время работы АКБ уменьшается до 6 мин (рис. 2.4).

Мощность, кВт, развиваемая АКБ во внешней цепи, определяется по формуле

15

Емкость аккумуляторной батареи — это количество электричества, которое отдает или принимает АКБ при соответствующих процессах. Для заряда необходимо, чтобы напряжение генераторной установки (ГУ) было больше, чем ЕАКБ. Емкость АКБ измеряется в ампер-часах (А·ч). Отечественная промышленность выпускает кислотные стартерные свинцовые АКБ с номинальным напряжением 6 В и 12 В. Существует стандартный ряд номинальных емкостей отечественных АКБ: 40, 45, 50, 55, 60, 62, 75, 90, 105, 130, 160, 180 А·ч.

Количество электричества АКБ, отдаваемое в пределах допустимого разряда (режим не стартерный) при постоянной силе тока, называют разрядной емкостью. Номинальная емкость АКБ обозначается С20. Она устанавливает предельный ток разряда с учетом емкости АКБ и времени разряда в течение 20 ч:

Например, для полностью заряженной АКБ 6СТ-60 ток разряда при 20-часовой нагрузке составляет Iр = 3 А.

При заряде емкость АКБ Сз определяется из зависимости:

В практике принято, что ток заряда (Iз) АКБ составляет 0,1С20. Тогда для АКБ 6СТ-60 ток заряда равен Iз = 6А при времени заряда tз = 10 ч. Допускается ускоренный заряд АКБ с увеличением тока заряда до 0,8С20 [3, 17].

Обслуживаемые стартерные АКБ имеют высокие энергетические характеристики. Наряду с этим у них есть ряд недостатков. Например, в процессе эксплуатации в обслуживаемых АКБ снижается уровень электролита и требуются периодические (1–2 раза в месяц) добавления дистиллированной воды, проверка плотности электролита и выравнивание значений его плотности по отдельным банкам. Снижение уровня электролита происходит по причинам:

–электролиза воды при прохождении тока в конце заряда АКБ и при перезаряде;

–испарения воды из банок [22, 28].

2.5. Необслуживаемые АКБ

Отличительными особенностями необслуживаемых АКБ являются [3, 28]:

16

–отсутствие активного протекания электролиза воды при заряде – разряде и соответственно отсутствие интенсивного выделения газов при использовании свинцово-кадмиевых, свинцовоникелевых, свинцово-кальциевых сплавов и их сочетаний вместо свинцово-сурьмянистых [22];

–применение пленочных сепараторов и сепараторов-конвертов для увеличения емкости и мощности АКБ при неизменных габаритных размерах;

–уменьшение толщины решеток электродов;

–использование индикаторов состояния заряженности батареи;

–прикрепление блока электродов к баретке с помощью полиуретана для повышения стойкости

квибрациям;

–расположение ушек электродов не у краев, а ближе к середине, что улучшает распределение тока при заряде и разряде АКБ;

–применение клемм-выводов (болтов) из коррозионно-стойкого материала.

2.6. Маркировка АКБ

На стартерные АКБ наносят товарный знак предприятия-изготовителя, указывают тип батареи, дату и обозначение стандарта или технических условий. Условное обозначение типа батареи (например, батарея 6СТ-55А) содержит указание на количество последовательно соединенных аккумуляторов в батарее (3 или 6), характеризующее ее номинальное напряжение (6 или 12 В), указание на назначение по функциональному признаку (СТ — свинцовая стартерная), номинальную емкость в А·ч — 55 и исполнение (при необходимости): А — с общей крышкой; Н — не сухозаряженная; З — необслуживаемая батарея, залитая электролитом и полностью заряженная.

В условных обозначениях буквы Э или Т после обозначения емкости указывают материал моноблока (эбонит или термопласт). Последующие буквы обозначают материал сепаратора (М — мипласт или Р — мипор). На АКБ, предназначенных для эксплуатации в странах с тропическим климатом, в конце маркировки наносят букву Т. Существуют и другие сокращения в обозначении АКБ [3, 22, 25, 28].

2.7. Отказы

Появление неисправностей в АКБ чаще связано с неправильным техническим обслуживанием ее при эксплуатации. Для предупреждения и своевременного устранения неисправностей необходимо знать характерные признаки и причины их появления. Диагностику АКБ можно провести с использованием аккумуляторных пробников Э-107, Э-108, комплекта Э-412, стенда Э-240 [16, 19].

При наличии на борту ТС электронных приборов при подключении или отключении АКБ первой отключается клемма «–». Эта клемма обычно меньшего размера по сравнению с клеммой «+». Устранение неисправностей электрического оборудования всегда должно проводиться только после отключения клеммы «–» АКБ [10, 12].

К неисправностям (при внешнем осмотре) АКБ относятся трещины и сколы в моноблоках и крышках, трещины и отслоения от стенок моноблока и крышек герметизирующей заливочной мастики, повреждение пробок, окисление, механический износ или излом полюсных выводов [14, 15].

Сульфатация — образование и отложение на поверхностях электродов сульфата свинца, что приводит к ограничению использования активных веществ, обеднению электролита в порах электродов АКБ и снижению напряжения и тока.

Коррозия решеток положительных электродов, сульфатация, деформация (коробление), короткое замыкание и переполюсовка электродов, повышенный саморазряд ― неисправности, которые не могут быть выявлены при внешнем осмотре. Они относятся к внутренним неисправностям. Для их обнаружения разработаны и используются различные методы и средства диагностики АКБ. Виды отказов, связанные с влиянием условий эксплуатации, приведены в прил. В (табл. В1) [13, 20].

Вопросы для самопроверки

1.Назначение стартерных кислотных АКБ. Маркировка.

2.Какие требования предъявляются к стартерным АКБ?

3.Классификация стартерных АКБ.

4.Общее устройство АКБ.

5.Назначение решеток электродов. Материалы электродов.

6.Назначение сепараторов АКБ. Материалы сепараторов.

7.Область применения сепараторов-конвертов АКБ. Преимущество.

17

8.Моноблок. Назначение. Материалы.

9.Состав электролита стартерных кислотных АКБ. Подготовка. Влияние температуры внешней среды на выбор плотности электролита.

10.Способы соединения аккумуляторов в батарею. Характеристики.

11.Опишите химические реакции при заряде и разряде АКБ.

12.Объясните понятие «сульфатация» АКБ.

13.Как влияет температура электролита на работу АКБ?

14.Начертите вольт-амперную характеристику АКБ.

15.В каком случае АКБ развивает максимальную мощность?

16.Дать определение «мощности» и «емкости» АКБ. В чем различия?

17.Как определяется емкость АКБ?

18.Начертите график заряда АКБ при постоянной величине тока.

19.Начертите график заряда АКБ при постоянной величине напряжения.

20.Особенности устройства необслуживаемых АКБ.

ТЕМА 3. ГЕНЕРАТОРЫ

Типы генераторов. Генераторы постоянного тока. Вентильные генераторы.

Конструкция вентильного генератора. Принцип действия вентильного генератора. Характеристики вентильных генераторов. Маркировка

3.1. Типы генераторов

Генераторы предназначены для преобразования механической энергии в электрическую. Генераторы ТТМ по конструкции являются малогабаритными, а по принципу работы не отличаются от промышленных генераторов. Они используются основными источниками для снабжения электрической энергией бортовых потребителей при работающем ДВС. По типу они подразделяются на генераторы постоянного и переменного тока [1, 9, 15, 26, 28].

В последнее время к качеству бортовой электрической энергии предъявляются повышенные требования. В отечественной и зарубежной практике используются генераторы постоянного и переменного тока. Генераторы переменного тока нашли более широкое применение по ряду своих преимуществ.

3.2. Генераторы постоянного тока

Основными узлами в конструкции генераторов постоянного тока являются статор с уложенной в пазы обмоткой возбуждения (ОВ) и якорь с намотанными обмотками, концы которых выведены на ламели. Статор и ротор выполняются в виде пакетов и являются магнитопроводниками. Ламели ротора образуют коллектор. Постоянный электрический ток с помощью щеток снимается с коллектора на клеммы генератора [1, 17, 22, 28].

При прохождении тока через ОВ в статоре (магнитопровод) образуется магнитный поток, который пересекает вращающиеся обмотки якоря. В обмотках якоря образуется переменный ток, который с помощью коллекторно-щеточного узла выпрямляется и подается в бортовую сеть.

Устройство и теоретическое описание процессов, протекающих в генераторах постоянного тока, подробно рассматриваются в разделах дисциплины «Электрические машины».

3.3. Вентильные генераторы

Вентильные генераторы трехфазного переменного тока подразделяются на:

1)вентильные синхронные генераторы с клювообразным ротором и щетками;

2)индукционные генераторы переменного тока, бесщеточные;

3)бесщеточные вентильные генераторы с укороченными полюсами.

Генераторы трехфазного переменного тока имеют ряд преимуществ по сравнению с генераторами постоянного тока: у них существенно выше развиваемая мощность, меньше удельная металлоемкость, меньше стоимость, выше надежность работы. Вентильные генераторы требуют меньших затрат при эксплуатации и др. [22, 28].

Электрическая генераторная установка (ГУ) транспортных средств состоит из генератора трехфазного переменного тока, выпрямительного блока и регулятора напряжения (РН). ГУ является одной из составляющих бортовой системы электроснабжения машин. При работающем ДВС ГУ

— основной источник питания, который обеспечивает энергией все потребители бортовой сети с одновременной зарядкой АКБ.

18

При холостых оборотах двигателя ГУ должна развивать мощность, достаточную для электропитания основных бортовых потребителей. В этом режиме работы ДВС ГУ развивает мощность порядка 40–50 % номинальной.

Генераторы трехфазного переменного тока по конструкции и принципу работы являются синхронными электрическими машинами. В статоре уложены обмотки трех фаз, обычно соединенные по схеме «звезда». На роторе генератора намотана обмотка возбуждения. Постоянный (по направлению) ток обмотки возбуждения образует магнитное поле ротора. Вращение ротора с магнитным полем обеспечивает образование ЭДС в обмотках статора. ЭДС в обмотках статора является синусоидальной по форме (переменной). Преобразование переменного тока в постоянный происходит с помощью полупроводниковых приборов (диодов — «вентилей») [3, 14, 20, 22, 28].

ЭДС генератора трехфазного переменного тока зависит от частоты вращения ротора и величины тока обмотки возбуждения (ОВ). В общем случае повышение частоты вращения ротора и увеличение тока обмотки возбуждения увеличивают ЭДС генератора. Повышение нагрузки при включении бортовых потребителей энергии приводит к снижению напряжения генератора.

Стабильность напряжения в бортовой однопроводной сети (в широком диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала ДВС и нагрузок) обеспечивается регулятором напряжения (РН). Стандартным напряжением бортовой сети машин принято 12 В или 24 В (реже). Напряжение 24 В используется обычно для машин с дизельными ДВС. Напряжение генераторов всегда должно быть несколько выше и составляет соответственно 14 или 28 В. На дизельных автомобилях, например, на ЗИЛ-5301 («Бычок»), ЗИЛ-4331, ЗИЛ-133ГЯ и др., возможна и двухуровневая система: 14 В непосредственно на генераторе для электроснабжения основных потребителей, а 28 В — на выходе трансформаторно-выпрямительного блока для подзаряда аккумуляторной батареи из двух АКБ по 12 В, соединенных последовательно. При этом для электростартерного пуска ДВС используется напряжение, равное 24 В (две последовательно соединенные АКБ).

Превышение напряжения генератора является причиной перезаряда АКБ и выхода ее из строя. Увеличение напряжения сети всего на 10 % от номинального значения снижает срок службы ламп накаливания до 50 %. Понижение напряжения генератора не обеспечивает полного заряда АКБ и тем самым уменьшает длительность ее эксплуатации [8, 13].

3.4. Конструкция вентильного генератора

Отечественные ГУ используются для получения постоянного тока и выполняются по однопроводной схеме, в которой отрицательный полюс системы соединен с корпусом машины. ГУ ― достаточно надежное устройство, способное выдержать повышенные вибрации ДВС, высокую подкапотную температуру, воздействие влажной среды и т.д. Принцип действия вентильного генератора и его принципиальное устройство рассмотрены ниже [1, 8, 17, 21, 28].

Для питания ряда вспомогательных устройств: реле блокировки стартера, тахометра и др., — в настоящее время используется переменный ток, вырабатываемый генератором. В этом случае переменный ток берется с клемм генератора до выпрямителя. В последнее время наблюдается тенденция использования переменного тока и для управления самой ГУ (с помощью РН).

Современные вентильные генераторы имеют идентичную конструкцию, в основу которой положена клювообразная полюсная система ротора (рис. 3.1, поз. 1, 3), созданная с помощью одной катушки возбуждения. Охлаждению генераторов уделяется большое внимание [1, 3, 12, 14].

а)

б)

Рис. 3.1. Клювообразный ротор вентильного генератора:

а — ротор в сборе; б — полюсная система в разобранном виде; 1 и 3 — полюсные клювообразные половины; 2 — обмотка возбуждения (ОВ);

4 — контактные кольца; 5 — вал

19

Отечественные вентильные генераторы по конструкции аналогичны рассмотренному на рис. 3.2 генератору 37.3701, который устанавливается на автомобилях ВАЗ-2108 и др. Подобную конструкцию имеет генератор Г250.

Рис. 3.2. Вентильный генератор трехфазного переменного тока с клювообразным ротором и щетками типа 37.3701:

1 — крышка со стороны контактных колец; 2 — выпрямительный блок; 3 — вентиль (диод) выпрямительного блока; 4 — винт крепления выпрямительного блока; 5 — контактное кольцо; 6 — задний шарикоподшипник; 7 — конденсатор; 8 — вал ротора;

9, 10 — выводы генератора; 11 — вывод регулятора напряжения; 12 — регулятор напряжения; 13 — щетка; 14 — шпилька крепления генератора к натяжной планке; 15 — шкив с вентилятором;

16 — полюсной наконечник ротора; 17 — дистанционная втулка; 18 — передний шарикоподшипник; 19 — крышка со стороны привода;

20 — обмотка ротора; 21 — статор; 22 — обмотка статора; 23 — полюсный наконечник ротора; 24 — буферная втулка; 25 — втулка крепления; 26 — подвижная втулка

Совмещение регулятора напряжения и щеточного узла характерно для ряда конструкций вентильных генераторов. У генераторов 371.3701 и 3702.3701 регуляторы напряжения 36.3702 установлены компактно на щеточном узле в металлостеклянном корпусе (рис. 3.2, поз. 12).

Пакет статора генератора набирается из стальных листов толщиной 0,5–1 мм (рис. 3.2, поз. 21). В настоящее время практически все генераторы для размещения статорных обмоток имеют 36 пазов. Обмотки в пазах изолируются пленкоэлектрокартоном, полиэтилентерефталатной пленкой или напылением. Обмотки выполняются проводом ПЭТ-200, ПЭТД-180, ПЭТВМ, ПЭСВ-3 и др. После намотки они пропитываются специальным лаком, что повышает их механическую и электрическую прочность и улучшает отвод тепла.

Обмотка возбуждения (ОВ) наматывается на каркас (см. рис. 3.2) или на втулку ротора (см. рис. 3.1). Максимально допустимый ток регулятора напряжения (РН) зависит от сопротивления ОВ.

Роторы отечественных генераторов оборудованы двумя цилиндрическими медными кольцами, к которым припаяны или приварены концы ОВ. В мировой практике встречаются кольца из латуни или нержавеющей стали, что снижает их износ и окисление, особенно во влажной среде. Реже применяются кольца разных диаметров, конструктивно расположенные по торцу вала ротора [1, 22].

Щеточный узел вентильного генератора — это компактная пластмассовая конструкция, в которой установлены щетки (см. рис. 3.2, поз. 13). Щетки могут быть двух типов — меднографитовые или электрографитовые [1, 14, 28].

20