Přeměna mechanické energie, kterou generátor přijímá z motoru automobilu, na elektrickou energii probíhá v souladu s jevem elektromagnetické indukce. Podstata jevu je následující. Pokud změníte magnetický tok pronikající do obvodu z vodivého materiálu určitou rychlostí, objeví se na svorkách obvodu elektromotorická síla (EMF). Pokud měnící se magnetický tok proniká cívkou se závity drátu izolovanými od sebe, pak se na svorkách cívky objeví emf, úměrné součinu počtu závitů a rychlosti změny magnetického toku.
Indukce EMF v cívkách automobilových generátorů se provádí, když se mění magnetický tok:
– ve velikosti a směru, což je typické pro kartáčovou konstrukci generátoru ventilů;
– pouze ve velikosti, která je typická pro bezkomutátorový generátor, zejména induktorový.
Hlavní součásti generátoru, ve kterých dochází k přeměně mechanické energie na elektrickou energii, je magnetický systém s budícím vinutím a ocelovými sekcemi magnetického obvodu, kterými proudí magnetický tok F, a statorovým vinutím, ve kterém se indukuje EMF při magnetický tok se mění.
U generátoru kartáčového ventilu je magnetický tok vytvářen budicím vinutím 4 (obr. 6.1), kdy jím protéká elektrický proud a soustavou pólů3. V autogenerátorech jich bývá dvanáct.
Póly s budícím vinutím, prstence, kterými je proud z kartáčů přiváděn do budícího vinutí, hřídel a další konstrukční prvky tvoří rotující rotor.
Vinutí, ve kterém vzniká elektrický proud, je umístěno v drážkách stacionárního magnetického obvodu a spolu s ním tvoří stator. Statorové vinutí se skládá ze tří nezávislých fázových vinutí. Každá fáze má šest cívek zapojených do série. Pokud je fázové vinutí vytvořeno ze dvou paralelních větví, pak každá větev obsahuje šest cívek.
Rýže. 6.1. Synchronní generátor ventilů:
1 – magnetický obvod; 2 – vinutí kotvy; 3 – pól rotoru; 4 – budicí vinutí; 5 – štětce; b – usměrňovač
Četnost změn napětí souvisí s frekvencí п rotace rotoru a početрpoměr párů pólů rotoru
V domácích automobilových generátorech ventilů pje rovna 6, takže frekvence jejich střídavého proudu je 10x menší než rychlost rotoru.
Ve fázových vinutích vzniká třífázový proud, tzn. napětí a proud v nich jsou vůči sobě posunuty o 1/3 periody (120 °).
Čím vyšší jsou otáčky rotoru a čím větší je velikost magnetického toku, tím rychleji dochází k jeho změně uvnitř fázových cívek statoru a tím vyšší je v nich indukované napětí.
Rotor autogenerátoru se skládá ze dvou pólových polovin, jejichž výstupky (zobáky) tvoří v jedné polovině systém severních pólů a ve druhé jižní. Systém pólů ve tvaru zobáku je typický pro automobilové generátory vyráběné po celém světě. Při montáži jsou jižní póly umístěny mezi severními póly a budicí vinutí, umístěné na ocelové objímce, je vloženo mezi poloviny pólů. Zobákovitá konstrukce rotoru umožňuje vytvořit vícepólový systém pomocí jedné cívky.
Ventilové generátory s rotorem ve tvaru zobáku jsou synchronní elektrický stroj s vestavěným polovodičovým usměrňovačem. Hlavní součásti a části generátoru – stator,rotor s póly ve tvaru zobáku, pouzdro a vinutí soustředěného rotačního pole, kryty na straně pohonu a sběrací kroužky, kartáče, řemenice, ventilátor a usměrňovací jednotka.
Paket statoru je vyroben z elektrotechnických ocelových plechů. Štěrbiny statoru obsahují cívky třífázových (nebo s velkým počtem fází) vinutí. Počet štěrbin na pól a fázi pro generátory ventilů s rotorem ve tvaru zobáku se vypočítá podle vzorce
kde Z1– počet statorových slotů;
2р – počet pólů generátoru;
t – počet fází generátoru.
Velké hodnoty q umožňují splnit vysoké požadavky na sinusovost výstupního napětí a účinnost. Na nižšíq Můžete získat high-tech a provozně spolehlivý design generátoru za nízkou cenu.
Někdy generátory ventilů používají dvě nezávislá vinutí. Vinutí s velkým počtem závitů poskytuje potřebný výkon při nízkých otáčkách rotoru, vinutí s menším počtem závitů – při vyšších otáčkách rotoru generátoru.
Významnou nevýhodou generátorů vyrobených podle obvodu znázorněného na Obr. 6.1, je přítomnost kontaktní jednotky sestávající z elektrických kartáčů a kroužků.
Prach, nečistoty, palivo, olej a voda, které se dostanou na kontaktní jednotku, ji rychle poškodí. Speciální ochrana proti znečištění problém zásadně neřeší a výrazně komplikuje konstrukci generátoru. Proto jsou bezkomutátorové generátory induktorového typu ventilového typu odolnější.
Indukční generátory.Induktor generátor je bezkontaktní, stejnopólový střídavý elektrický stroj s jednostranným elektromagnetickým buzením. Ocelové ozubené kolo rotoru se otáčí s hřídelí, který prochází uvnitř pohyblivého pouzdra. Budicí vinutí je připevněno k pouzdru a vinutí statoru je připevněno k zubům statoru. Všechny zuby řetězového kola mají stejnou polaritu. Změna magnetického toku je spojena se změnou magnetické vodivosti vzduchové mezery pod zuby statoru. Tok v zubu statoru dosahuje maximální hodnotyФmax, kdy se osy zubů rotoru a statoru shodují, a klesá na minimální hodnotuФmin po otočení o 180°, kdy se osa statorového zubu shoduje s osou dutiny rotorového řetězového kola. V důsledku toho magnetický tok v zubech statoru pulsuje, tzn. se mění pouze ve velikosti beze změny směru.
Pro zvýšení stupně změny magnetického toku a následně i zvýšení výkonu generátoru jsou v dutinách řetězového kola rotoru upevněny permanentní magnety. Třífázové statorové induktorové generátory mají 9 zubů s vinutím a pětifázové 10.
Magnetický tok induktorového generátoru má konstantní a proměnné složky. Konstantní složka se nepodílí na indukci EMF ve statorových cívkách a zhoršuje použití materiálů generátoru. Emf v cívkách je indukována pouze střídavou složkou magnetického toku. Velikost indukovaného EMF závisí na amplitudě magnetického toku, počtu závitů statorového vinutí a frekvenci п rotace rotoru. Čím větší je počet otáček, tím nižší jsou otáčky rotoru a požadované napětí lze získat. Řetězové kolo rotoru má obecně šest zubů a frekvence střídavého napětí se vypočítává z výrazuf =n/ 10.
Vinutí každé fáze může mít několik cívek zapojených sériově, paralelně nebo smíšeně. Fáze statorového vinutí jsou spojeny do vícepaprskové hvězdy nebo mnohoúhelníku.
Při připojování fází do hvězdy jsou konce všech fází spojeny ve společném nulovém bodě, který je izolován v generátoru nebo vyveden samostatným nulovým vodičem. Začátky fází jsou připojeny k usměrňovači
Fázová spojení ve hvězdě a trojúhelníku se liší v lineárních vztazích Uлa fázeUфnapětí, lineárníIлa fázeIфproudy Při spojování fází do hvězdy platí následující výrazy:
a při spojení do trojúhelníku
Uvedené vztahy platí pro efektivní hodnoty sinusově se měnících střídavých napětí a proudů.
Usměrňovač usměrňuje střídavý proud, který je do něj přiváděn. Při zapojení do trojúhelníku jsou fázové proudy 3 1/2 krát menší než lineární, zatímco ve hvězdě jsou lineární a fázové proudy stejné. To znamená, že při stejném proudu dodávaném generátorem jsou proudy ve fázových vinutích při zapojení do trojúhelníku výrazně menší než při zapojení do hvězdy. Proto se u generátorů s vysokým výkonem často používá zapojení do trojúhelníku, protože při nižších hodnotách proudu lze vinutí navinout tenčím drátem, který je technologicky vyspělejší. Nicméně lineární napětí s hvězdicovým zapojením jsou 3 1/2 krát větší než fázové napětí, zatímco s trojúhelníkovým zapojením jsou stejná, a pro získání stejného výstupního napětí při stejných otáčkách rotoru je odpovídající zvýšení počtu otáčky jeho fází je oproti zapojení hvězda potřeba.
Pro zapojení do hvězdy lze použít i tenčí drát. V tomto případě je vinutí statoru tvořeno dvěma paralelními vinutími, z nichž každé je spojeno do hvězdy, tzn. ukazuje se, že je to dvojhvězda.
Bezkomutátorové generátory ventilů se zkrácenými póly. Jsou známy bezkomutátorové generátory, které jsou mezikonstrukcí mezi generátorem s rotorem ve tvaru zobáku a induktorovým generátorem. Magnetický tok v tomto generátoru má také konstantní směr na každé polovině pólu, jak je typické pro induktorový generátor, ale obecně magnetický tok procházející cívkami statorové fáze mění směr.
Generátor ventilů je kombinací alternátoru a usměrňovače. Vzniká střídavý proud indukční generátor nebo synchronní generátor s rotorem s vyčnívajícími póly.
Indukční generátor (obr. 4.10) má ozubený rotor-induktor 3 a na statoru 4 je umístěno budicí vinutí 5 napájené stejnosměrným zdrojem 1. Budicí vinutí vytváří konstantní magnetomotorickou sílu, ale budicí magnetický tok ФВ, pronikající výkonové vinutí 2, má pulsující charakter, protože podél jeho dráhy se při otáčení rotoru vzduchová mezera prudce mění z min na max. V tomto ohledu se magnetický odpor náhle mění podél průtokové dráhy ФВ. Tok je maximální, když se osa silového vinutí shoduje se zubem rotoru (min) a je minimální, když se kryje s depresí (max). Ve výkonovém vinutí se proto vytváří střídavé napětí, jehož frekvence závisí na počtu otáček rotoru za jednotku času n (ot./min.). střídavé napětí UГ dodávané do usměrňovací jednotky 6 a odtud do svařovacího okruhu.
Obr. 4.10. Konstrukční a elektrická schémata
generátor indukčního ventilu:
1 – stator; 2 – silové vinutí; 3 – rotor; 4 – budicí vinutí;
5 – zdroj stejnosměrného proudu pro napájení budícího vinutí;
6 – usměrňovací blok; R – reostat; L – vyhlazovací plyn
Synchronní alternátor s rotorem s vyčnívajícími póly (Obr. 4.11).
U synchronního generátoru je budicí vinutí 1 umístěno na rotoru generátoru 2. Relativně malý stejnosměrný proud je přiváděn do budícího vinutí pomocí dvoukontaktních kartáčů 6 a kroužků 5 ze zdroje 7, čímž vzniká magnetického pole s póly N a S na koncích rotoru 2. Při otáčení rotoru točivé magnetické pole tok ФВ se uzavírá železem rotoru a statoru 4, protíná výkonové vinutí 3 a vyvolává v něm střídavý EMF, který je přiváděn do svařovacího obvodu přes usměrňovací jednotku.
Obr. 4.11. Synchronní alternátor s výraznými póly
1 – budicí vinutí; 2 – rotor; 3 – silové vinutí; 4 – stator;
5 – sběrací kroužky; 6 – uhlíkovo-měděné kartáčky; 7 – zdroj
stejnosměrný proud; 8 – usměrňovací blok; S a S – sever a jih
póly rotoru; ФВ – magnetický budicí tok
Výhody ventilových generátorů
Charakteristiky generátoru ventilů jsou do značné míry určeny typem ventilů a počtem fází alternátoru. Usměrňovací jednotka je obvykle sestavena z neřízených ventilů – diod.
V současné době se vyrábějí jednofázové a třífázové generátory. Usměrňovací jednotky jsou tedy sestaveny pomocí jednofázového a třífázového můstkového obvodu.
Jednofázové generátory ventilů se používají k napájení oblouků s nízkým výkonem (do 125 A). Jednofázový můstkový usměrňovací obvod vytváří do svařovacího obvodu pulzující napětí (obr. 4.12), které se mění od nuly do maximální hodnoty.
Proto je do svařovacího obvodu zařazen induktor L pro vyhlazení usměrněného proudu (obr. 4.10).
Třífázová můstková usměrňovací jednotka (obr. 3.8) na křemíkových diodách zajišťuje dobře vyhlazený proud (obr. 3.9). Pracuje ve spojení s třífázovým alternátorem, který je lehčí než jednofázový generátor stejného výkonu. V současné době se většina generátorů ventilů vyrábí podle tohoto schématu.
Obr. 4.12. Průběh napětí
po jednofázové usměrňovací jednotce
Hlavní výhody ventilové generátory jsou spojeny s relativní jednoduchostí generátoru střídavého proudu.
Za prvéJak induktorové, tak synchronní s rotorem s vyčnívajícím pólem generátory mají stacionární výkonové vinutí a u induktorového generátoru jsou výkonové vinutí a budicí vinutí umístěny na statoru. Tím je zajištěn přenos elektřiny do svařovacího okruhu bez posuvných kontaktů (kartáčů). Proto jsou generátory ventilů jednodušší a spolehlivější v provozu. Absence kluzných kontaktů poskytuje generátoru ventilu vyšší účinnost. Účinnost generátoru ventilu je asi 0,7 a účinnost generátoru kolektoru je 0,6-0,65.
Za druhéventilové generátory mají lepší hmotnostní charakteristiky. Hmotnost na 1 ampér proudu ve svařovacím okruhu u generátoru ventilů je 1,8–1,4krát (0,3–0,42 kg) větší než u generátoru kolektoru (0,55–0,58 kg/A).
Za třetí, generátor ventilů má všestrannost v typu proudu. Pokud generátor ventilů používá svorky před usměrňovací jednotkou, je možné také svařování střídavým proudem.
Ve srovnání se svařovacími usměrňovači nemají generátory ventilů žádné znatelné výhody. Nahrazují proto kolektorové generátory ve svařovacích jednotkách při absenci elektrické sítě v místě svařování, kde svařovací usměrňovače nejsou použitelné.
