В этой статье мы поговорим об одном очень важном компоненте систем электроснабжения или зарядки - генераторе переменного тока (альтернаторе).
Предлагаю заглянуть внутрь генератора и рассмотреть все его составные части. Далее мы рассмотрим, как эти части взаимодействуют между собой, чтобы выполнять ту работу, для которой генератор переменного тока и предназначен.
Что такое генератор переменного тока?
Прежде всего, давайте обсудим, что из-себя представляет генератор переменного тока и его назначение.
По определению, генератор переменного тока - это устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую энергию переменного тока.
К примеру, в автомобиле, генератор является основным источником электроэнергии. При вращении генератора создается напряжение, которое в свою очередь обеспечивает заряд аккумулятора автомобиля. Помимо этого, генератор также питает все электрические системы автомобиля.
Основные компоненты генератора переменного тока
Несмотря на некоторые отличия в конструкции генераторов различных производителей, все они состоят из трех основных частей: ротора, статора и выпрямителя. Есть и другие элементы, которые мы также рассмотрим.
Ротор
Давайте начнем с ротора.
В основе ротора лежит вал с расположенными на нем обмоткой возбуждения, представляющей собой электромагнит, и контактными кольцами. Обмотка помещена между двух полюсных половин, образующих полюсную систему. Основной задачей обмотки возбуждения является создание магнитного поля. Для этого на нее необходимо подать электрический ток.
Статор
Ротор помещается внутри статора, который является неподвижной частью генератора.
Конструктивно статор выполнен из двух частей – сердечника и обмоток. Сердечник представляет собой пакет пластин, изготовленных из листовой стали, на внутренней стороне которых сделаны пазы, в которые укладываются обмотки.
Обмотки выполнены в виде трех отдельных частей, представляющих собой три фазы, которые смещены относительно друг друга на треть периода, т. е. на 120 градусов. Соединение обмоток может быть выполнено в виде звезды, либо треугольника.
Итак, мы выяснили, что у нас есть ротор, вращающийся внутри статора, состоящего из трех отдельных обмоток, соединенных между собой по определенной схеме. Теперь встает вопрос, как же генерируется электроэнергия?
Вспомним немного физику.
Известный ученый по имени Майкл Фарадей обнаружил, что в проволочной катушке может возникать электрический ток, если эту катушку перемещать в магнитном поле.
Наводимая ЭДС при этом зависит от скорости изменения магнитного потока, и прямо пропорциональна его значению. То есть, чем быстрее изменяется магнитное поле, тем больше индуцируется напряжение.
Таким образом, вращение ротора внутри статора вызывает индуцированное напряжение на обмотках статора из-за вращающегося магнитного поля.
Щетки и контактные кольца
Откуда же берется магнитное поле? Вот тут в дело вступают щетки и контактные кольца.
Помните, мы говорили ранее о том, что обмотка возбуждения ротора представляет собой электромагнит?
Таким образом, для образования магнитного потока необходимо пропустить через обмотку электрический ток. Как это сделать? Подать напряжение через щетки на контактные кольца, к которым подходят выводы обмотки возбуждения.
При вращении ротора в обмотках статора будет индуцироваться напряжение. Это напряжение будет переменным из-за изменения направления магнитного потока во время вращения ротора.
В итоге мы получаем трехфазное переменное напряжение. Но нам нужно постоянное напряжение для зарядки аккумулятора и работы электрических устройств автомобиля.
Выпрямитель генератора
Теперь давайте посмотрим, как генератор автомобиля вырабатывает постоянное напряжение.
Для преобразования переменного тока в постоянный нам понадобится выпрямитель, состоящий из нескольких диодов.
Как известно, диод – это полупроводниковый прибор, имеющий два вывода. Вывод диода, подключенный к положительному полюсу источника питания, называется анодом, а к отрицательному – катодом.
Если на анод подать положительное напряжение, а на катод отрицательное – то диод будет пропускать ток, это называют прямым подключением, если подать обратное – через него будет протекать незначительный обратный ток, которым, как правило, можно пренебречь. В таком положении диод закрыт, это называется обратным подключением.
Теперь давайте посмотрим, что произойдет, если мы подадим переменное напряжение на цепь с диодом.
В этом случае, так как диод имеет одностороннюю проводимость, ток будет протекать только при положительной полуволне, при отрицательной диод будет закрыт. В результате на выходе появится выпрямленный пульсирующий ток.
Выпрямитель генератора имеет более одного диода, чаще всего шесть. Устанавливаются диоды в теплоотводящем материале, для защиты от перегрева.
Почему именно шесть диодов? Напомню, что обмотки статора являются трехфазными и почему бы не задействовать их все?
А для этого необходимо на каждую обмотку по два диода, то есть фактически получается, что при такой схеме они одновременно пропускают ток — один диод с наибольшим положительным потенциалом анода относительно нулевой точки из катодной группы диодов, другой — с наибольшим отрицательным потенциалом катода.
Нагрузка подключается между анодной и катодной группой диодов.
Помимо этого, у многих генераторов обмотка возбуждения ротора подключается через собственный выпрямитель. Благодаря этому, через нее не проходит ток разряда аккумуляторной батареи при неработающем двигателе автомобиля.
Регулятор напряжения
Регулятор напряжения обеспечивает поддержание выходного напряжения в заданном диапазоне.
Если вы помните, чем быстрее вращается ротор, тем больше напряжения возникает в статоре.
Основной задачей регулятора является стабилизация напряжения за счет воздействия на обмотку возбуждения ротора. Таким образом, благодаря регулятору, выходное напряжение статора остается относительно постоянным, независимо от частоты вращения ротора. А это в свою очередь обеспечивает поддержание необходимого напряжения для зapядĸи АКБ и питания бортовой сети.
Повышенное напряжение может привести к повреждению аккумулятора и других электрических устройств!
После того, как мы рассмотрели все части генератора, осталось только разобраться, как все это работает вместе.
При включении зажигания на обмотку возбуждения ротора от аккумуляторной батареи поступает напряжение через щетки и контактные кольца.
Протекающий по обмотке ток создает вокруг полюсов ротора магнитный поток. После пуска двигателя, когда ротор генератора начинает вращаться, изменяющееся магнитное поле пересекает витки обмоток статора, индуцируя в них ЭДС. На обмотках статора появляется электрический ток.
Далее через выпрямительный блок, состоящий из нескольких диодов, уже постоянный ток питает электроприборы и заряжает аккумулятор.
Одновременно с этим, также с обмоток статора, через отдельный выпрямительный блок, подается напряжение на регулятор, который обеспечивает стабилизированное напряжение, воздействуя на обмотку возбуждения ротора.