Badanie diagnostyczne układu elektronicznego w alternatorze

Transkrypt

1 DUER Stanisław 1 ZAJKOWSKI Konrad 2 DUER Radosław Badanie diagnostyczne układu elektronicznego w alternatorze WSTĘP Wprowadzenie alternatora jako źródła energii elektrycznej pojazdów samochodowych było spowodowane w głównej mierze faktem, że konwencjonalne rozwiania prądnic prądu stałego w wielu przypadkach nie odpowiadają potrzebom eksploatacji samochodów [1-9, 11, 13]. Dotyczy to zarówno parametrów mocy i prędkości obrotowej, jak również wskaźników zużycia masy miedzi. Przewaga alternatora nad prądnicą prądu stałego staje się bardziej wyraźna wobec tendencji rozwojowych związanych z warunkami eksploatacji, wzrostem zapotrzebowania na moc elektryczną i zmniejszeniem wymiarów wyposażenia elektrycznego. Wzrost liczby samochodów spowodował zwiększenie intensywności ruchu na drogach i ulicach miast, co z kolei pociągnęło za sobą zmianę warunków pracy silników samochodowych. Czas pracy silnika w stanie jałowym, przy ruchu samochodu osobowego w mieście dochodzi do 40 [%]całego czasu pracy, a dla autobusów miejskich do 60 [%] całego czasu pracy. 1. ZASADA DZIAŁANIA ALTERNATORA W alternatorach stosuje się wzbudzenie elektromagnetyczne, przy czym uzwojenie magnesujące jest nawinięte na wirniku. Wirnik ma od kilku do kilkunastu biegunów, wykonanych w układzie pazurowym (Rys. 1). gdzie: 1 - obudowa, 2 - radiator z diodami, 3 - dioda mocy, 4 - dioda zasilająca obwód wzbudzenia, 5 - regulator z zespołem szczotek, 6 - tarcza mocująca, 7 - koło pasowe, 8 - wentylator, 9 - wirnik, 10 - uzwojenie stojana. Rys. 1. Budowa samochodowej prądnicy prądu przemiennego [8] Pazury na obwodzie wirnika mają biegunowość przemienną. Uzwojenie wzbudzenia jest pojedynczą cewką o kształcie cylindrycznym, zajmującą położenie koncentryczne względem wału i umieszczoną pomiędzy systemami biegunowymi. Uzwojenie wirnika jest zasilane prądem stałym poprzez dwa pierścienie, po których ślizgają się szczotki. Strumień magnetyczny wytworzony przez cewkę, dzieli się na strumień główny i strumienie rozproszenia. Bieguny pazurowe zmieniają 1 Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny; Koszalin; ul. Śniadeckich 2. Tel: , stduer@tu.koszalin.pl 2 Politechnika Koszalińska, Zakład Zastosowań Elektroniki i Elektrotechniki; Koszalin; ul. Racławicka Tel: , konza@tu.koszalin.pl 1124

2 promieniowy kierunek głównego strumienia magnetycznego na osiowy, to jest wzdłuż osi wirnika (rys. 1), dlatego maszyny synchroniczne o tych biegunach są nazywane osiowymi w odróżnieniu od maszyn promieniowych, w których strumień nie ma składowych skierowanych wzdłuż osi wirnika. Ciągłe zmiany warunków pracy alternatora podczas ruchu pojazdu powodują, że bez zastosowania elementów regulacyjnych jego napięcie zasilające zmieniałoby się w zbyt szerokich granicach, co wpłynęłoby niekorzystnie zarówno na akumulator, jak i na inne odbiorniki energii elektrycznej [1, 8, 10]. Wytworzone napięcie, określone wzorem U O = cφn, ma wartość stałą wówczas, gdy zmianom prędkości obrotowej odpowiadają zmiany strumienia magnetycznego takie, aby utrzymać Φn = const., to znaczy ze zwiększeniem prędkości obrotowej powinien maleć strumień magnetyczny ф, aby napięcie U 0 pozostało stałe. Zmiany strumienia magnetycznego są uzależnione od zmian prądu w obwodzie wzbudzenia alternatora, który można regulować przez włączenie i wyłączenie odpowiednio dobranego rezystora. Wibracyjne regulatory napięcia pracują na zasadzie regulatora dwupołożeniowego. W regulatorze dwupołożeniowym wartość średnią prądu wzbudzenia reguluje się przez okresowe włączenie dodatkowej rezystancji w obwód wzbudzenia. Czas włączenia rezystora wzrasta ze zwiększeniem prędkości obrotowej. Przy malej prędkości obrotowej alternatora maksymalna wartość jego napięcia jest mniejsza niż przy dużych prędkościach obrotowych. Ponadto prędkość zmian napięcia alternatora zależy od prędkości obrotowej (Rys. 2). Rys. 2. Zmiany napięcia alternatora przy różnych prędkościach obrotowych Na rysunku 2 przedstawiono wykresy zmian napięcia alternatora przy różnych prędkościach obrotowych. Ze wzrostem napięcia wzrasta strumień magnetyczny w uzwojeniu sterującym (elektromagnesie) stykami regulatora i przy określonej wartości napięcia następuje rozwarcie styków i włączenie dodatkowej rezystancji w obwód wzbudzenia. Powoduje to skokowe zmniejszenie prądu wzbudzenia. Wskutek tego w uzwojeniu indukuje się siła elektromotoryczna samoindukcji, przeciwstawiająca się zmniejszeniu prądu. Prąd wzbudzenia maleje wolniej i tym samym z opóźnieniem maleje napięcie na zaciskach alternatora. Rola regulatorów sprowadza się do regulacji napięcia w instalacji elektrycznej pojazdu, 2. REGULATORY ELEKTRONICZNE W ALTERNATORACH Zakładając znajomość działania elektromechanicznych (wibracyjnych) regulatorów napięcia alternatorów, określono członem wykonawczym tę cześć regulatora, której element bądź elementy biorą udział bezpośrednio w regulacji prądu wzbudzenia alternatora. Elementy te włączone w obwód wzbudzenia muszą mieć właściwości umożliwiające zmianę ich rezystancji w bardzo szerokich 1125

3 granicach, teoretycznie od zera do nieskończoności. W regulatorze wibracyjnym elementami tego członu są styki i rezystancja dodatkowa. Można zastąpić je elementem elektronicznym tranzystorem (Rys. 3). Rys. 3. Schemat układu elektronicznego w alternatorze W celu określenia wymaganych parametrów tranzystora członu wykonawczego należy dodatkowo ustalić m.in.: wartość napięcia regulowanego alternatora, wartość maksymalną prądu wzbudzenia alternatora, układ pracy tranzystora, rodzaj regulacji napięcia (regulacja ciągła lub impulsowa wartość mocy traconej w tranzystorze w procesie regulacji. Wybrany tranzystor członu wykonawczego (Rys.3) musi być odpowiednio sterowany, aby spełniał rolę styków regulatora wibracyjnego, tzn. przyjmował dwa stany pracy: nasycenia i odcięcia (przewodzenie i nieprzewodzenie). W regulatorze wibracyjnym procesem zwarcia i rozwarcia styków steruje sprężyna (o stałej wartości siły naciągu) i uzwojenie napięciowe elektromagnesu wytwarzające siłę zależną od wartości napięcia na zaciskach alternatora. Siła naciągu sprężyny w stanie beznapięciowym regulatora powoduje zwarcie styków, a kierunek jej działania jest przeciwny do kierunku działania siły wytworzonej przez uzwojenie napięciowe. W regulatorze elektronicznym pracą tranzystora członu wykonawczego sterują elementy elektroniczne wchodzące w skład członu wzmacniającego i członu sterującego regulatora. Członem wzmacniającym nazywa się tę część regulatora (Rys. 3), która powoduje wzmocnienie sygnału sterującego (prądu otrzymanego z członu pomiarowego) do takiej wartości, która jest konieczna do wysterowania członu wykonawczego, tzn. do spowodowania przepływu odpowiedniego prądu wzbudzenia. Wartość minimalna prądu sterującego, na który reaguje regulator (tzn. sygnał wejściowy) jest różnicą miedzy wartością regulowaną i zadaną. Wartością regulowaną jest napięcie regulatora, a wartością zadaną jest żądany poziom tego napięcia określony warunkami wstępnymi. Aby sygnał wejściowy spowodował wysterowanie tranzystora członu wykonawczego należy go wzmocnić. W celu spełnienia tego warunku najczęściej stosuje się wzmacniacz w układzie Darlingtona. Układ Darlingtona to taki układ, w którym emiter tranzystora sterującego jest połączony bezpośrednio z bazą tranzystora sterowanego T2 (Rys. 3), a kolektory obu tranzystorów są połączone i pracują na wspólne obciążenie. Baza tranzystora sterującego T3 stanowi wejście układu wzmacniającego. Członem pomiarowym (Rys. 3) określono tę część regulatora, która służy do porównania wartości zadanej napięcia z wartością regulowaną. Jako wartość zadaną rozumie się napięcie Zenera, wartością regulowaną jest napięcie na zaciskach alternatora [1, 8, 10]. Analizując istniejące konstrukcje regulatorów elektronicznych można stwierdzić, ze niemal wszystkie rozwiązania - począwszy od pierwszych z lat pięćdziesiątych aż po najnowsze rozwiązania stosują zasadę impulsowej regulacji prądu wzbudzenia (Rys. 4). Elementem członu wykonawczego 1126

4 regulującym prąd w obwodzie wzbudzenia jest tranzystor lub para tranzystorów pracujących w układzie Darlingtona. W układzie regulatora można wyróżnić dwa charakterystyczne bloki funkcjonalne: blok wykonawczy oraz blok sterujący (stanowiący opisane w analizowanym regulatorze niewibracyjnym człony - wzmacniający i pomiarowy). Bloki te są połączone dodatkowo ze sobą pętlą sprzężenia zwrotnego z elementami R, C. Rys. 4. Zasada impulsowej regulacji prądu wzbudzenia Zadaniem pętli sprzężenia jest zwiększenie szybkości przełączania, ograniczenie maksymalnej częstotliwości pracy oraz zmniejszenie wrażliwości na zakłócenia. Tak duża liczba cech wspólnych oraz tendencja do stosowania rozwiązań najprostszych w celu zwiększenia niezawodności doprowadziły do tego, że poszczególne rozwiązania regulatorów różnią się tylko nieznacznie. 3. BADANIE UKŁADU ELEKTRONICZNEGO W ALTERNATORZE Podstawą organizacji badań technicznych w układzie zasilania pojazdu jest schemat połączeń w pojeździe (Rys. 5). Wykorzystując schemat układu na rys. 5 należy określić rozmieszczenie elementów układu zasilania oraz zlokalizować punkty pomiarowe wybranych elementów tego układu do badań [2-7]. z ECU Elek. ukł. x Cewka x 2 3 zapłonowy zapłonowa Świece e 1,2 e 1,3 e 1,4 Pompa x 5 Regulator x 6 Wtryskiwacz paliwowa ciśnienia 4szt. e 2,1 e 2,2 e 2,3 x 7 x 4 z ECU Zawór dolotowy x 11 e 2,4 x8 Czujnik położenia wału korbowego x 12 x 13 e 1,5 x 14 x 1 x 1 Czujnik temp. paliwa e 2,5 x 9 z ECU z ECU Czujnik ciśnienia e 2,6 Silnik Katalizator e 6,6 Stacyjka x 10 e 6,1 x 1 e 1,1 do ECU x 1 x 20 Czujnik poł. Przepływomierz przpustnicy e 3,1 e 3,2 x 20 x 21 x 21 x 24 x 16 x 15 Czujnik spalania stukowego Sonda e 6,2 e 6,3 Sonda e 6,5 Wył. elektromagnetyczny e 4,1 x 22 x 23 Mechaniczne Rozrusznik sprzęgło e 4,2 e 4,3 x 17 x 18 do ECU do ECU x 26 Akumulator Alternator e 5,1 e 5,2 Sterownik (ECU) e 7,1 Czujnik prędkości poj. e 6,4 Regulator napięcia e 5,3 x 27 gdzie: E 1 układ zapłonowy: e 1,1 alternator, e 1,2 regulator napięcia, e 1,3 akumulator, e 1,4 cewka WN, e 1,5 świeca zapłonowa; E 2 układ zasilania paliwem: e 2,1 regeneracja filtra z węglem aktywnym, e 2,2 wtryskiwacz; E 3 układ zasilania powietrzem: e 3,1 przepływomierz powietrza, e 3,2 czujnika położenia przepustnicy, e 3,3 regulator biegu jałowego; E 4 układ czujników: e 4,1 czujnik spalania stukowego, e 4,2 czujnik temperatury cieczy chłodzącej; E 5 układ wylotowy: e 5,1 sonda λ (1), e 5,2 katalizator, e 5,3 - sonda λ (2); E 6 silnik: e 6,1 czujnik prędkości wału korbowego, e 6,2 zawór EGR: E 7 e 7,1 komputer pokładowy (mikroprocesor-sterownik). Rys. 5. Schemat połączeń elektrycznych alternatora [1] 1127

5 Aby przeprowadzić kompleksowe badania sygnałów z alternatora i regulatora napięcia, należy użyć cęgów prądowych o wartości 1000A i oscyloskopu. Podstawowym badaniem pracy alternatora jest pomiar jego napięcia wyjściowego, które może zmieniać się w dość dużych granicach, osiągając poziom V. Najczęściej napięcie na akumulatorze przy niewielkim obciążeniu i lekko podniesionych obrotach silnika do ok. 800 obr/min wynosi ok. 14,2 V. Za jego poziom na wyjściu alternatora odpowiedzialny jest regulator napięcia. Charakterystyka pracy regulatora napięcia zależna jest od jego temperatury - przy wysokich temperaturach napięcie wyjściowe z alternatora jest obniżane, a przy niskich ulega podwyższeniu. Nie jest to jedyny parametr wpływający na napięcie wyjściowe alternatora. Istnieją pojazdy, w których do regulacji napięcia wyjściowego alternatora wykorzystuje się napięcie odniesienia pobrane bezpośrednio z zacisków akumulatora. Sygnał ten doprowadzony jest do wejścia regulatora napięcia oznaczonego symbolem S/Sensing. Takie rozwiązanie pozwala skompensować ewentualne spadki napięcia na elektrycznej instalacji pojazdu pomiędzy alternatorem a akumulatorem. Na rysunku 6 przedstawiono schemat alternatora z badanym regulatorem napięcia alternatora. Napęd alternatora może być wykonany np. w układzie zestawu ze sterownikiem częstotliwości, silnikiem indukcyjnym i specjalną przekładnią mechaniczną [8, 10, 11, 13]. alternator + A Badany regulator napięcia V 15 ` R f + R W A2 Rys. 6. Schemat stanowiska laboratoryjnego do badania regulatora napięcia alternatora [12] Przy wyznaczaniu charakterystyki pracy układu w stanie jałowym, wyłącznik w obwodzie obciążenia jest otwarty. Po uruchomieniu stanowiska badawczego należy stopniowo zwiększać prędkość obrotową alternatora, do chwili uzyskania maksymalnej dopuszczalnej wartości prądu wzbudzenia. Jest to pierwszy punkt pomiarów. Jednocześnie odczytuje się napięcie na zaciskach alternatora, odpowiadające maksymalnej wartości prądu wzbudzenia. Dalsze pomiary wykonuje się, zwiększając stopniowo prędkość obrotową alternatora w całym zakresie jego dopuszczalnych prędkości obrotowych i notując jednocześnie wartości prądu wzbudzenia oraz napięcia regulowanego. Sposób wykonywania pomiarów przy pracy układu pod obciążeniem (wyłącznik W/zamknięty) jest podobny, z tym że pierwszy punkt pomiaru otrzymuje się przy takiej prędkości obrotowej, przy której dla założonej wartości prądu obciążenia (regulacja rezystorem R uzyskuje się maksymalną dopuszczalną wartość prądu wzbudzenia. W tym stanie pracy należy odnotować wartość napięcia regulowanego. Jest to pierwszy punkt pomiaru. Prędkość obrotowa, przy której określa się charakterystykę, powinna być co najmniej równa znamionowej prędkości obrotowej alternatora. Zamykając wyłącznik W wtacza się obciążenie alternatora, które należy regulować rezystorem R od wartości minimalnej do znamionowej, notując dla odpowiednich wartości prądu, napięcie utrzymane przez regulator. Warunki przeprowadzenia pomiarów regulatora napięcia i alternatora są następujące: 1128

6 zapiąć krokodylki - czerwony na klemę plusową a czarny na klemę minusową akumulatora, założyć sondę temperatury oleju w miejsce bagnetu do pomiaru poziomu oleju. podłączyć żółtą końcówkę pomiarową kanału CHI do styku +DF/DFM alternatora. podłączyć niebieską końcówkę pomiarową kanału CHI do masy. zapiąć cęgi prądowe 1000A na głównym przewodzie zasilającym łączącym zacisk (tzw. śruba plusowa) na alternatorze a klemą plusową akumulatora. uruchomić silnik. Sprawdzić alternator na biegu jałowym i pod obciążeniem. Powoli zwiększać prędkość obrotową silnika. Przed pomiarem należy wyzerować cęgi prądowe. Wartość liczbową mierzonego prądu odczytuje się z górnego okna zawierającego wyniki pomiaru, natomiast krzywą prądową można ocenić na ekranie oscyloskopu (Rys. 7). Pulsacyjny charakter przebiegu prądowego wynika z budowy i sposobu działania alternatora, najczęściej jako trójfazowej prądnicy prądu zmiennego z dwupołówkowy mostkiem prostowniczym. Uwaga: Aby uzyskać wiarygodny przebieg oscyloskopowy, na podstawie którego ocenia się mostek, prostowniczy, należy zwiększyć obroty silnika i obciążyć alternator odpowiednio dużym prądem, włączając różne odbiorniki elektryczne, takie jak: reflektory, szybę ogrzewaną, dmuchawę, czy podgrzewanie foteli. Napięcie tętnienia nie powinno przekroczyć 500[Mv] AC. Rys. 7. Ekran oscyloskopu w diagnoskopie FSA 720 Bosch podczas badania prądu alternatora [10] Uszkodzenia alternatora mogą być identyfikowane na podstawie obserwacji oscylogramów napięcia wyjściowego. Na rys. 8 pokazano przykładowy oscylogram napięć na wyjściu prądnicy dla kilku typowych uszkodzeń alternatora dziewięciodiodowego współpracującego z akumulatorem (dla prędkości obrotowej alternatora ok obr/min). 1129

7 napięcie punktu neutralnego [V] (1) (2) (3) (4) 7 (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) -6 (12) [obr/min] prędkość obrotowa silnika gdzie: 1 dwie diody (+) i jedna dioda (-) przerwane, 2 jedna dioda (+) przerwana, 3 dwie diody (+) zwarte, 4 jedna dioda (+) zwarta, 5 stan prawidłowy, 6 jedna dioda (+) przerwana i jedna dioda (-) zwarta, 7 jedna dioda (+) i jedna dioda (-) przerwane, 8 jedna dioda (-) zwarta, 9 jedna dioda przerwana, 10 dwie diody (-) zwarte, 11 dwie diody (-) przerwane i jedna dioda (+) zwarta, 12 dwie diody (-) przerwane. Rys. 8. Przykładowe oscylogramy napięć na wyjściu prądnicy kilku typowych uszkodzeń dla alternatora dziewięciodiodowego współpracującego z akumulatorem [8] Podczas oceny układu zasilania pojazdu (alternatora) należy zwracać uwagę nie tylko na wielkość napięcia stałego, lecz również na jego składową zmienną widoczną w postaci tętnień napięcia (Rys. 8). Napięcie tętnień w prosty sposób pozwala ocenić stan diod i połączeń elektrycznych uzwojenia stojana z mostkiem prostowniczym. Zbyt wysokie napięcie tętnień może być skutkiem uszkodzenia elementów wysokoprądowych alternatora, w tym diod prostowniczych. WNIOSKI Uważna analiza krzywej prądowej może być źródłem informacji o jakości obwodów wysokoprądowych alternatora. Prąd i napięcie alternatora są określone w jego danych technicznych oraz często uwidocznione na tabliczce znamionowej. Stanowią one podstawę do oceny parametrów badanego alternatora. Badaniu podlegają również sygnały wychodzące i przychodzące do alternatora. Ilość i rodzaj tych sygnałów zależy od konkretnego rozwiązania technicznego alternatora i potrzeb, jakie w tym zakresie stawia określony model pojazdu. Jeśli przeprowadzone badania nie są wystarczające do oceny pracy alternatora, należy dokonać pomiarów uzupełniających, wybierając z menu Badanie, a następnie Alternator. Pomiar ten wykonuje się przy różnych prędkościach obrotowych silnika, jednocześnie obciążając alternator odbiornikami prądu

8 Streszczenie W pracy zaprezentowano organizację badania technicznego alternatora - samochodowego źródła energii elektrycznej. Przedstawiono istotę budowy i zasad funkcjonowania alternatora. Opracowano schemat diagnostyczny układu sterowania silnikiem samochodowym. Zaprezentowano badanie diagnostyczne układu zasilania pojazdu z wykorzystaniem diagnoskopu FSA 720 Bosch. Słowa kluczowe: alternator, elektronika pojazdowa, diagnostyka techniczna. Diagnostic testing an electronic circuit in the alternator Abstract The paper presents the organization of the technical examination of the alternator - automobile power supply. The paper presents the essence of the construction and functioning of the alternator. Revised diagnostic scheme automotive engine control system. The paper presents a diagnostic test vehicle power supply system using testing devices, FSA 720 from Bosch. Keywords: alternator, vehicle electronics, technical diagnostics. BIBLIOGRAFIA 1. Duer S.: Laboratorium Elektrotechniki samochodowej Tom I. Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej. Koszalin 2009r, str Duer S., Duer R., Duer P.: Tor pomiarowy dla systemu diagnozującego układ sterowania silnikiem samochodowym typu Motronic, w monografii pod redakcją Leona kukiełki nt. Innowacje w motoryzacji dla ochrony środowiska Słupsk, 2009, str Duer S., Zajkowski K., Łyskojć D., Ziatyk P.: Badanie sprawności przepływomierza powietrza (HFM5), podstawą jakości spalin, w monografii pod redakcją Leona kukiełki nt. Innowacje w motoryzacji dla ochrony środowiska Słupsk, 2010, str Duer S., Zajkowski K., Duer R.: Diagnostyka w układzie zasilania elektrycznego pojazdu samochodowego. Proceedings of the XV Conference Computer Applications in Electrical Engineering institute Of Electrical Engineering And Electronics Poznan University Of Technology, Poznan, April 19-21, 2010, pp Łyskojć D., Duer S., Zajkowski K.: Analiza możliwości wykorzystania silników elektrycznych w napędach pojazdów samochodowych. Proceedings of the XV Conference Computer Applications in Electrical Engineering institute Of Electrical Engineering And Electronics Poznan University Of Technology, Electrical Engineering Committee Of Polish Academy Of Sciences, IEEE Poland Section. Poznan, April 19-21, 2010, pp Duer S., Zajkowski K., Duer R.: Wykorzystanie sztucznej sieci neuronowej w diagnostyce pojazdów samochodowych. XXIV Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna, EKOMILITARIS , Zakopane, Wojskowa Akademia Techniczna, str Duer S., Zajkowski K., Paś J.: Wyznaczanie bazy wiedzy ekspertowej wspomagającej obsługiwanie urządzeń silnika pojazdu samochodowego. 14 th International Conference Computer Systems Aided Science, Industry And Transport-TRANSCOMP Zakopane, 6-9 XII Technical University of Radom, pp. 73. Published in Logistyka nr 6/ Duer S.: Laboratorium mechatroniki samochodowej. Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej. Koszalin str Duer S., Zajkowski K., Duer R., Bernatowicz D., Wrzesień P.: Inteligentny system nadzoru i bezpieczeństwa dla farmy wiatrowej. LOGISTYKA 6/2014, s Informatory techniczne BOSCH: Czujniki w pojazdach samochodowych. WKŁ, Warszawa, Gajek A., Juda Z.: Czujniki. WKŁ, Warszawa, Gładysek J., Gładyszek M.: Poradnik diagnostyki samochodowej. Wyd., Kraków,