Источники тока

На автомобилях применяются два типа источников тока:

• генераторная установка, преобразующая механическую энергию, получаемую от двигателя, в электрическую и питающая всех потребителей при работающем двигателе;
• аккумуляторная батарея, питающая потребителей при неработающем двигателе за счет преобразования накопленной химической энергии в электрическую.

Генераторная установка включает в себя генератор и реле-регулятор.

В настоящее время на отечественных автомобилях устанавливают генераторы переменного тока. Это объясняется их большей надежностью, меньшей массой и способностью обеспечивать получение номинального напряжения и мощности при меньшей частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Генератор переменного тока состоит также из двух основных частей: статора с неподвижной обмоткой, в которой индуцируется переменный ток, и ротора, создающего подвижное магнитное поле. Полюсы ротора поочередно проходят мимо неподвижных катушек, размещенных в пазах с внутренней стороны корпуса генератора. При этом в сердечниках катушек, расположенных с внутренней стороны корпуса генератора, изменяется направление магнитного потока, а следовательно, и направление индуцируемой в катушке ЭДС. Обычно число полюсов магнита на роторе и число катушек в корпусе такое, которое необходимо для получения трехфазного тока. У трехфазных генераторов обмотки часто имеют одну общую точку – в ней соединяются их концы. Такая схема соединения называется “звезда”, а общая точка обмоток – “нулевой”. Вторые концы обмоток присоединяют к двухполупериодному выпрямителю. Магнитное поле ротора может создаваться постоянным магнитом или электромагнитом. В последнем случае к обмотке возбуждения электромагнита необходимо подводить постоянное напряжение. Применение в роторе электромагнитов усложняет конструкцию генератора, т.к. требуется подводить напряжение к вращающейся детали, однако в этом случае возможно регулирование напряжения при изменении частоты вращения ротора. Переменный ток генератора выпрямляется двухполупериодным трехфазным выпрямителем с полупроводниковыми диодами.

Генератор Г-250 состоит из ротора, статора, крышек, приводного шкива с вентилятором и встроенного выпрямительного блока. Подвижное магнитное поле создается вращающимся двенадцатиполюсным электромагнитом – ротором. На вал ротора надеты две звездочки,имеющие каждая по шесть клювообразных полюсов. Между звездочками ротора на стальном кольце размещена обмотка возбуждения. Напряжение к обмотке возбуждения подводится через медно-графитовые щетки и два изолированных контактных кольца, напрессованных на вал ротора. Концы обмотки возбуждения соединены с контактными кольцами. Медно-графитовые щетки размещены в щеткодержателях, расположенных в задней крышке генератора со стороны, противоположной приводу. Одна из щеток подключена к корпусу генератора, а вторая – к изолированной клемме, к которой через регулятор напряжения подводится ток возбуждения от аккумуляторной батареи. Возникающее магнитное поле намагничивает клювообразные полюсы ротора. Полюсы каждой из звездочек ротора имеют разную полярность.

Ротор вращается внутри цилиндрического статора, набранного из изолированных по поверхности пластин, изготовленных из малоуглеродистой электротехнической стали. В пазах статора размещены обмотки, в которых при вращении ротора индуцируется ЭДС. Каждая фаза трехфазной обмотки статора состоит из шести последовательно соединенных катушек. Фазные обмотки соединены между собой по схеме “звезда”. Свободные концы каждой из трех фаз подключают к выпрямителю.

Выпрямительный блок включает в себя три моноблока, соединенных в схему двухполупериодного трехфазного выпрямителя. Моноблок состоит из оребренного корпуса, контактной шайбы, полупроводниковой кремниевой шайбы, герметизирующей заливки и выводов. В каждом моноблоке, являющемся одновременно радиатором и токопроводящим зажимом средней точки, установлено по две полупроводниковые кремниевые шайбы.

Все три моноблока выпрямителя размещены в задней крышке генератора, со стороны, противоположной приводу, и соединены между собой параллельно. Обмотка каждой из фаз генератора соединена с соответствующим моноблоком выпрямителя так, чтобы переменный ток подводился между двумя полупроводниковыми шайбами. Выводы с одной стороны всех моноблоков соединены с корпусом (массой) генератора, а с другой – с изолированной положительной клеммой генератора.

Вал ротора опирается на шариковые подшипники, размещенные в двух алюминиевых крышках генератора, между которыми зажимается статор. Отверстия в крышках под подшипники вала ротора и под болты шарнирного крепления генератора на двигатель армированы стальными втулками. На переднем конце вала ротора на шпонке установлен приводной шкив, закрепленный гайкой. Между передней крышкой генератора и приводным шкивом на валу ротора размещен вентилятор, который просасывает воздух через генератор. Для прохода воздуха в торцовых крышках генератора сделаны окна. Воздух, охлаждающий генератор, в первую очередь обтекает моноблоки выпрямителя.

Привод ротора генератора осуществляется клиновым ремнем от коленчатого вала двигателя. Генератор шарнирно прикреплен болтами к кронштейну, установленному на двигателе. Поворотом корпуса генератора на болтах крепления можно регулировать натяжение приводного ремня.

Реле-регуляторы. Для надежной работы потребителей к ним необходимо подводить электрический ток, напряжение которого соответствует номинальной расчетной величине. Величина напряжения определяется зарядным напряжением на клеммах полностью заряженной аккумуляторной батареи. Поэтому напряжение на клеммах генератора должно иметь строго определенную постоянную величину.

Для того чтобы напряжение при увеличении частоты вращения якоря не изменялось, необходимо пропорционально уменьшать магнитный поток возбуждения. При применении в генераторе электромагнитов это можно обеспечить, уменьшая силу тока в обмотках возбуждения. На этом принципе и основано регулирование напряжения автомобильных генераторов. Как только напряжение на клеммах генератора достигает предельно допустимой величины, в цепь обмотки возбуждения включается резистор, в результате резко уменьшается сила тока возбуждения и соответственно падает напряжение на клеммах генератора. При этом резистор вновь отключается, сила тока возбуждения увеличивается и напряжение генератора вновь возрастает. Такие процессы происходят непрерывно, и в среднем на клеммах генератора поддерживается требуемое напряжение.

Для регулирования напряжения генераторов используют вибрационные регуляторы, контактно-транзисторные и транзис-торные регуляторы.

Вибрационные регуляторы имеют контакты, которые удерживаются в замкнутом состоянии пружиной. На стальном сердечнике намотана управляющая (шунтовая) обмотка регулятора, включенная параллельно обмотке якоря генератора и находящаяся под полным напряжением генератора. Следовательно, ток в обмотке реле и магнитное поле его сердечника пропорциональны напряжению генератора.

Пока напряжение на клеммах генератора меньше предельного значения, контакты реле замкнуты и ток в обмотку возбуждения генератора поступает с клеммы генератора через ярмо реле, якорек, контакты и клемму генератора. Пройдя обмотку возбуждения, ток поступает на отрицательную щетку генератора. Одновременно ток от клеммы генератора проходит через резистор в обмотку реле. По мере увеличения напряжения генератора возрастают сила тока в обмотке реле и сила, притягивающая якорек к сердечнику. Когда напряжение достигает предельной величины, якорек реле, преодолевая усилие пружины, притягивается к сердечнику, и контакты размыкаются. В этом случае ток от клеммы генератора может поступать в обмотку возбуждения генератора лишь через резисторы, что приводит к резкому уменьшению силы тока возбуждения и, следовательно, к снижению напряжения на клеммах генератора. При этом уменьшается сила тока в обмотке сердечника реле и пружина вновь замыкает контакты.

При понижении температуры окружающего воздуха повышается зарядное напряжение на клеммах аккумуляторной батареи и расход электроэнергии. Соответственно необходимо повышать напряжение, вырабатываемое генератором. Такая корректировка регулируемого напряжения в зависимости от температуры воздуха осуществляется магнитным шунтом. Шунт замыкает часть магнитного потока с сердечника на ярмо, ослабляя тем самым силу магнитного притяжения, действующую на якорек. Магнитный шунт изготовляют из материала, магнитная проницаемость которого изменяется в зависимости от температуры воздуха: чем ниже температура, тем большая часть магнитного потока замыкается через шунт. При этом сила, необходимая для размыкания контактов, создается при более высоком напряжении на клеммах генератора, и напряжение в цепи повышается.

Регулирование напряжения, поддерживаемого регулятором, может быть достигнуто путем изменения натяжения пружины. Чем больше усилие пружины, тем выше поддерживаемое регулятором напряжение.

В настоящее время все больше распространяются контактно-транзисторные регуляторы напряжения, работающие совместно с генераторами переменного тока.

В этих регуляторах ток возбуждения проходит от аккумуляторной батареи к обмотке возбуждения через транзистор, который запирается, как только напряжение, вырабатываемое генератором, превышает предельную величину.

В контактно-транзисторном регуляторе РР362 транзистор запирается при замыкании контактов электромагнитного реле напряжения. Управляющая обмотка реле напряжения включена параллельно контактам выпрямителя, и, следовательно, сила тока в ней зависит от напряжения на этих контактах.

На автомобили ЗИЛ-130 устанавливают бесконтактный регулятор напряжения РР350А, имеющий три транзистора – основной и два вспомогательных. В цепь обмотки возбуждения генератора последовательно включается основной транзистор, который пропускает ток возбуждения, если напряжение в цепи ниже предельного, и прерывает ток возбуждения, как только напряжение в цепи становится выше предельного. Между первым вспомогательным транзистором и делителем напряжения включен стабилитрон. Пока напряжение генератора не достигло предельного значения, стабилитрон не пропускает тока базы транзистора и он заперт. При этом через второй вспомогательный и основной открытые транзисторы проходят соответственно ток базы транзистора и ток возбуждения генератора. Когда напряжение генератора превышает предельное значение, стабилитрон пропускает ток базы первого вспомогательного транзистора, в результате чего напряжение на базе второго транзистора увеличивается и он запирается. При этом запирается и основной транзистор. Ток в обмотку возбуждения генератора может поступать только через резистор.

В последнее время получают распространение генераторы с встроенными транзисторными регуляторами напряжения на интегральных схемах Я112А, Я120, 11.3702 (размеры 38x58x12 мм, масса 50 г). Принцип работы регулятора аналогичен работе регулятора РР350А.

Аккумуляторные батареи

Источником энергии для питания потребителей тока на автомобиле при неработающем двигателе или работающем с малой частотой вращения коленчатого вала является аккумуляторная батарея. Получили распространение свинцовые (кислотные) аккумуляторные батареи, состоящие из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов. Применение кислотных аккумуляторов объясняется тем, что они обладают небольшим внутренним сопротивлением и способны в течение короткого промежутка времени (несколько секунд) отдавать ток силой в несколько сотен ампер, который необходим для питания стартера при пуске двигателя.

Свинцовый аккумулятор представляет собой сосуд, заполненный электролитом, в который опущены свинцовые электроды. Электролитом является раствор чистой серной кислоты в дистиллированной воде. Электроды выполнены в виде пластин, одна из которых изготовлена из губчатого свинца Рb, а вторая – из двуокиси свинца Рb0₂. В результате взаимодействия электролита с электродами на них возникает разность потенциалов.

При подключении к электродам потребителя в аккумуляторе возникает разрядный ток. При этом ионы сернокислотного остатка SО₄ соединяются со свинцом электродов, образуют на них сернокислый свинец РbSО₄, а ионы водорода – с кислородом, который выделяется на положительной пластине, и образуют воду. Таким образом, в процессе разряда аккумулятора электроды покрываются сернокислым свинцом в результате соединения с серной кислотой электролита, который разбавляется образующейся водой. Таким образом, при разряде аккумулятора плотность электролита уменьшается, поэтому по плотности электролита можно определить степень заряженности аккумуляторной батареи.

При подводе тока к аккумулятору протекают обратные электрохимические процессы. Ионы водорода, образующиеся в результате распада воды, взаимодействуют с сернокислым свинцом электродов. Водород, соединяясь с сернокислым остатком, образует серную кислоту, а на электродах восстанавливается губчатый свинец. Выделяющийся из воды кислород соединяется со свинцом положительной пластины, образуя перекись свинца, содержание воды в электролите уменьшается, а содержание кислоты увеличивается, в результате чего плотность электролита повышается.

Когда прекращается восстановление свинца на электродах, процесс зарядки аккумулятора заканчивается. При дальнейшем подводе зарядного тока начинается процесс электролиза (распада) воды – аккумулятор “закипает”, образуется взрывоопасная смесь газообразного водорода с кислородом.

Плотность электролита меняется в зависимости от степени заряженности аккумуляторной батареи. При заряде аккумулятора плотность электролита повышается, при разряде – понижается.

С уменьшением плотности электролита повышается температура его замерзания. Поэтому при низких температурах окружающего воздуха плотность электролита полностью заряженного аккумулятора должна быть больше. Это предотвратит возможность замерзания электролита в частично разряженном аккумуляторе.

Электродвижущая сила на электродах кислотного аккумулятора возрастает с увеличением плотности электролита и меняется от 2,00 до 2,15 В в зависимости от степени заряженности аккумулятора. Напряжение на электродах аккумулятора при его заряде выше, а при разряде ниже ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении аккумулятора. Это падение напряжения прямо пропорционально силе зарядного или разрядного тока. Для заряда аккумулятора напряжение на клеммах заряжающего источника тока должно быть выше ЭДС аккумулятора. Чем больше разница между этими величинами, тем больше сила зарядного тока. При постоянном напряжении источника тока по мере увеличения степени заряженности аккумулятора повышается его ЭДС, и, следовательно, уменьшается сила зарядного тока. Таким образом, если напряжение на клеммах источника тока будет равно ЭДС полностью заряженного аккумулятора плюс ЭДС поляризации, то зарядный ток прекратится, как только аккумулятор полностью зарядится.

Среднее напряжение аккумулятора равно 2 В. Поэтому для того, чтобы напряжение аккумуляторной батареи соответствова-ло напряжению в цепях автомобильного электрооборудования (12 В), необходимо последовательно соединить шесть аккумуляторов.

Важной характеристикой аккумулятора является его емкость, т.е. количество электрической энергии, которую способен отдать аккумулятор. Емкость характеризуется произведением силы разрядного тока на продолжительность разряда (от полностью заряженного состояния до предельно допустимого разряженного) и измеряется в ампер-часах. Емкость аккумулятора зависит в первую очередь от площади электродов, вступающих в реакцию с электролитом. Поэтому для повышения емкости аккумулятора необходимо увеличивать площадь пластин и обеспечивать участие в реакции всей массы электродов, а не только их поверхности. С этой целью для электродов используют пористый материал. Увеличение площади пластин достигается параллельным включением нескольких пластин.

Емкость аккумулятора не является постоянной величиной, она зависит от силы разрядного тока и температуры электролита. При увеличении разрядного тока и понижении температуры электролита емкость аккумулятора уменьшается, что объясняется неполным протеканием химических реакций разряда в этих условиях, вследствие сокращения времени разряда и увеличения вязкости электролита при низких температурах.

Аккумуляторная батарея представляет собой моноблок, выполненный из кислотостойкой пластмассы. Моноблок разделен перегородками на отдельные банки, число которых равно числу аккумуляторов в аккумуляторной батарее. Каждая банка сверху закрывается эбонитовой крышкой с отверстиями для заливки электролита и для сообщения с атмосферой. В каждой банке установлено несколько положительных и отрицательных пластин. Пластины одной полярности соединены между собой в одну группу – полублок. Положительных пластин на одну меньше, чем отрицательных, т.к. во избежание коробления каждую положительную пластину помещают между двумя отрицательными. Для устранения возможности непосредственного контакта двух соседних пластин разной полярности между ними установлены кислотоупорные вставки из изоляционного материала – сепараторы. Сепараторы изготовляют из древесного шпона, пористых пластмасс или комбинированные. Для циркуляции электролита между пластинами сепараторы должны быть пористыми.

Пластина представляет собой решетку, ячейки которой заполнены активной массой. Решетки отлиты из свинца с небольшой примесью сурьмы (5–13%), что увеличивает прочность пластин. Активная масса состоит из порошкообразного сурика и свинцового глета, замешанных на растворе серной кислоты. В активной массе положительных пластин больше сурика, и поэтому они имеют красноватый оттенок. Отрицательные пластины содержат больше свинцового глета и имеют серую окраску. После заполнения ячеек решетки активной массой пластины просушивают, а затем подвергают формованию, т.е. нескольким последователь-ным циклам заряда-разряда.

Выступы пластин одной полярности приваривают к общей перемычке с выводным штырем, образуется полублок. Два полублока разной полярности соединяют в блок, между пластинами устанавливают сепараторы, после чего блоки помещают в банки моноблока. Края крышки каждой банки заливают кислотоупорной мастикой. Штыри полублоков разной полярности, расположенные в соседних банках моноблока, соединяют перемычками, что обеспечивает последовательное включение аккумуля-торов. Один из штырей у каждого из крайних аккумуляторов снабжают полюсными наконечниками, к ним присоединяют провода внешней сети. Блоки пластин опираются на выступы, сделанные на дне банок, чтобы активная масса, выпадающая из пластин в процессе работы, не соединяла между собой пластины, имеющие разную полярность. Сверху блоки пластин закрыты пластмассовыми кислотостойкими щитками. Отверстие в крышке, служащее для заливки электролита, закрыто резьбовой пробкой с уплотнительной прокладкой. Для сообщения аккумулятора с атмосферой имеется отверстие в пробке или в специальном выступе на крышке рядом с заливным отверстием.

Уровень электролита в аккумуляторе должен быть на 10–15мм выше кромки пластин. При заливке или пополнении дистиллированной водой у современных аккумуляторов уровень электролита автоматически устанавливается на необходимой высоте (по нижней кромке заливной горловины).

В маркировке аккумуляторной батареи указывается: число последовательно соединенных аккумуляторов (элементов), что определяет ее напряжение; назначение батареи (СТ – стартерная); емкость батареи в ампер-часах при режиме разряда 20 ч; материал моноблока (Э – эбонит, Т – термопласт); материал сепараторов (М – мипласт, С – стекловолокно, Р – мипор). Буква Н в конце обозначения указывает, что батарея несухозаряженная.

Например, автомобильная батарея марки 6СТ-60ЭМ-Н – стартерная, несухозаряженная, напряжение 12 В, емкость 60 А· ч, моноблок эбонитовый, сепараторы из мипласта.

Содержание отчета

1. Перечислить основные элементы стартера.
2. Нарисовать схему генератора переменного тока.
3. Перечислить типы реле-регуляторов.
4. Перечислить основные детали генератора переменного тока.
5. Перечислить основные составные части аккумуляторной батареи.
6. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. Зачем предназначена муфта свободного хода?
2. Каково назначение тягового реле стартера?
3. Зачем предназначен реле-регулятор?
4. В чем преимущества контактно-транзисторного реле-регулятора перед вибрационным?
5. За счет чего регулируется напряжение, вырабатываемое генератором с вибрационным реле-регулятором?
6. Зачем предназначен магнитный шунт вибрационного реле-регулятора?

1. Что находится между пластинами аккумуляторной батареи?
2. Каких пластин больше в аккумуляторной батарее?