Badanie alternatora samochodowego Wprowadzenie Alternator jest trójfazową prądnicą prądu przemiennego. Jego zadaniem jest dostarczenie odpowiedniej ilości energii elektrycznej niezbędnej do zasilania instalacji pokładowej pojazdu do której podłączony jest akumulator oraz odbiorniki. Akumulator jest niezbędny do rozruchu silnika spalinowego oraz do zasilania odbiorników w czasie postoju z wyłączonym silnikiem. Podczas pracy silnika spalinowego akumulator jest doładowywany przez alternator. W celu poprawnej pracy odbiorników samochodowych, alternatory stosowane w instalacjach samochodowych powinny: pokryć zapotrzebowanie na moc wymaganą przez odbiorniki elektryczne pojazdu zapewnić odpowiednio dużą rezerwę mocy niezbędną do ładowania akumulatorów również przy włączonych odbiornikach pojazdu zapewnić stałe napięcie w pełnym zakresie prędkości obrotowej niezależnie od obciążenia zapewnić ładowanie akumulatora już przy prędkości biegu jałowego silnika spalinowego mieć budowę chroniąca przed czynnikami zewnętrznymi mieć możliwie małą masę i gabaryty poprawnie pracować w szerokim zakresie prędkości obrotowej być bezobsługowe charakteryzować się wysoką trwałością pracować przy możliwie niskim poziomie hałasów charakteryzować się możliwie wysoką sprawnością (min. 60%) Budowę alternatora standardowego pokazano na rysunku 1. 1 12 2 11 3 10 4 5 6 9 7 8 Rys. 1. Budowa standardowego alternatora samochodowego: 1. Obudowa tylna, 2. Mostek prostowniczy, 3. Dioda prostownicza, 4. Złącze zewnętrzne, 5. Dioda wzbudzenia, 6. Łożysko, 7. Regulator napięcia i szczotkotrzymacz, 8. Twornik, 9. Wirnik z uzwojeniem wzbudzenia, 10. Wentylator, 11. Koło pasowe, 12. Obudowa przednia [2] Obecnie w samochodach stosowane są alternatory kompaktowe, które nieznacznie różnią się konstrukcyjnie w stosunku do alternatorów standardowych. Cechą charakterystyczną alternatorów kompaktowych są lepsze osiągi przy mniejszych wymiarach w porównaniu do klasycznych alternatorów. Lepsze osiągi uzyskano dzięki zastosowaniu lepszych materiałów i optymalizacji
konstrukcji. Stojan alternatora wykonany jest z pakietu blach prądnicowych, na którym nawinięte jest trójfazowe uzwojenie rozłożone co 120 stopni na jego obwodzie i połączone w gwiazdę (rys.2b). Stojan alternatora nazywany jest twornikiem. Na wirniku nawinięte jest uzwojenie wzbudzenia w postaci szpuli osłoniętej tarczami kłowymi (rys.2a). Prąd płynący w uzwojeniu wirnika służy do regulacji strumienia wzbudzenia. a) b) Rys. 2. Budowa alternatora: 1 koło pasowe, 2 wentylator, 3 tarcza łożyskowa przednia, 4 bieguny pazurowe, 5 cewka, 6 pierścienie ślizgowe, 7 łożysko, 9 szczotkotrzymacz ze szczotkami, 11,15 diody prostownikowe, 13 uzwojenie stojana (twornika), 16 rdzeń stojana, 18 połączenie uzwojenia do punktu gwiazdowego, 19 gniazdo łożyskowe, 20 punkt gwiazdowy uzwojenia Rys. 3. Wirniki różnych konstrukcji alternatorów; alternatora standardowego (a) oraz alternatora kompaktowego (b): 1 wał, 2 bieguny pazurowe, 3 uzwojenie wzbudzenia, 4 pierścienie ślizgowe, 5 łożysko, 6 łopatki wentylatora. Na rys. 3 pokazano wirniki alternatorów o konstrukcji podstawowej (rys. 3a) oraz kompaktowej (rys. 3b). Na wale wirnika osadzone są dwie tarcze z biegunami pazurowymi, wewnątrz których umieszczone jest uzwojenie będące źródłem pola elektromagnetycznego. Pole magnetyczne wytworzone przez uzwojenie wzbudzenia magnesuje pazury tarcz na bieguny N i S. Końce uzwojenia dołączone są do pierścieni ślizgowych po których ślizgają się szczotki doprowadzające zasilanie do uzwojenia wzbudzenia. W przypadku wirników alternatorów
kompaktowych na wale dodatkowo w celu lepszego chłodzenia obwodów wirnika i stojana umieszczone są łopatki wentylatorów. Ze względu na fakt, iż alternator wytwarza prąd zmienny konieczne jest zastosowanie układu prostownikowego zamieniającego prąd przemienny na prąd stały. Układ prostownikowy alternatora może składać się z kilku lub kilkunastu diod prostowniczych. Diody stosowane w alternatorach charakteryzują się dużymi prądami przewodzenia. Z kolei diody wzbudzenia są diodami małej mocy. Wartości prądu znamionowego diod wzbudzenia wynoszą kilka amperów (nie przekraczają na ogół wartości 5A). Na rys. 4 przedstawiono przykładowe układy połączenia diod prostowniczych alternatora. Układ przedstawiony na rys. 4a jest układem samowzbudnym. Oprócz 6 podstawowych diod wchodzących w skład układu prostowniczego wchodzą dodatkowe diody umożliwiające samowzbudzenie alternatora. Układ przedstawiony na rys. 4b jest układem obcowzbudnym. Układ 8-diodowy stosowany jest w alternatorach kompaktowych. Dodatkowa para diod do których dołączono punkt gwiazdowy uzwojeń pozwala na zwiększenie mocy oddawanej przez alternator. a) RN b) Zapłon LK c) Rys. 4. Schematy układów alternatorów samochodowych a) układ 9-diodowy (samowzbudny), b) układ 6-diodowy (obcowzbudny), c) układ 8-diodowy Kolejnym elementem, który jest niezbędny do poprawnej pracy alternatora jest regulator napięcia. Głównym zadaniem regulatora napięcia jest utrzymanie stałej wartości napięcia na zaciskach alternatora wyjściowych niezależnie od zmian prędkości wirowania wirnika i prądu obciążenia. W starszych pojazdach stosowane były regulatory elektromechaniczne (wibracyjne) - rys. 5a. Obecnie stosuje się wyłącznie regulatory elektroniczne jako osobny podzespół montowany na alternatorze (rys. 5b) lub regulatory zintegrowane ze szczotkotrzymaczem (rys. 5c). a) b) c) Rys. 5. Regulatory napięcia: a) regulator wibracyjny, b) regulator elektroniczny, c) regulator elektroniczny zintegrowany
Elektroniczne regulatory napięcia można sklasyfikować jako regulatory monofunkcyjne (jednofunkcyjne) oraz multifunkcyjne. Regulatory jednofunkcyjne umożliwiają utrzymanie stałej wartości napięcia wyjściowego alternatora (w określonym zakresie prędkości), niezależnie od zmian prędkości obrotowej wirnika oraz zmian obciążenia. Rozbudowane wersje tych alternatorów pozwalają ponadto na regulację wartości napięcia alternatora z uwzględnieniem temperatury w komorze silnika. [3, 4, 5]. Z kolei regulatory wielofunkcyjne są regulatorami technicznie bardziej rozbudowanymi. Zapewniają one optymalne dopasowanie parametrów pracy alternatora do warunków pracy silnika oraz umożliwiają realizację funkcji kontrolnych (diagnostycznych). Pozwalają one między innymi na [3, 5]: odłączenie prądu wzbudzenia alternatora na czas rozruchu silnika (zmniejszenie oporów rozruchowych); zwiększenie prędkości obrotowej silnika przy zbyt niskim napięciu akumulatora lub przy jego dużym obciążeniu; opóźnienie odpowiedzi alternatora na zmianę jego obciążenia, np. w wypadku gwałtownego wciśnięcia pedału przyspieszenia (pozwala to na zmniejszenie oporów podczas przyspieszania pojazdu); zabezpieczenie alternatora przed uszkodzeniem (przepaleniem) lampki kontrolnej ładowania lub przerwaniem jej obwodu elektrycznego (zapewnienie możliwości samoczynnego wzbudzenia alternatora), zwarciem wirnika, uszkodzeniem termicznym wskutek nadmiernego wzrostu temperatury pracy i innymi sytuacjami awaryjnymi; regulację napięcia ładowania akumulatora z uwzględnieniem jego rzeczywistej wartości mierzonej bezpośrednio na zaciskach akumulatora; czasowe odłączenie wybranych, zbędnych odbiorników energii w celu poprawy bilansu energii w pojeździe; samodiagnostykę alternatora. W zależności od wyposażenia pojazdu alternatory są zdolne wytworzyć prąd o natężeniu od 25A do 180A. Aby alternator prawidłowo współpracował z instalacją samochodową i nie ulegał częstym uszkodzeniom należy przestrzegać następujących zasad [1]: akumulator powinien być sprawny, poprawnie podłączony i zamocowany do podstawy akumulatora pasek alternatora musi być prawidłowo naciągnięty i nie uszkodzony koło pasowe nie może być nadmiernie zużyte wszystkie podłączenia (kontakty) i przewody zasilające muszą być sprawne wszystkie elementy kontaktowe (obudowa alternatora - blok silnika, kabel zasilający - zacisk kabla na alternatorze etc. powinny być oczyszczone. nie wolno luzować ani podłączać żadnego przewodu między alternatorem a akumulatorem w trakcie jego pracy naprawa i konserwacja oraz montaż i demontaż w pojeździe musi być wykonywana przez fachowców. Zasada działania alternatora 9-cio diodowego Poszczególne fazy pracy alternatora 9-cio diodowego przedstawiono na rysunku 5. W fazie pierwszej po przekręceniu kluczyka stacyjki zapala się lampka kontrolna LK i prąd płynie jak pokazano na rysunku 5a. Prąd z akumulatora Iak w tym przypadku płynie przez lampkę kontrolną ładowania LK alternatora (która się wtedy świeci), układ regulatora napięcia oraz przez uzwojenie wzbudzenia Rf, powodując powstanie niewielkiego strumienia w obwodzie wzbudzenia. Wzrost prędkości alternatora i niewielki strumień szczątkowy powodują, że w uzwojeniu twornika indukuje się napięcie, które po przekroczeniu napięcia progowego zespołów diod D2 i D3 zasila
uzwojenie wzbudzenia (rys.5b). Wskutek dodatniego sprzężenia zwrotnego wzrost napięcia w uzwojeniu twornika powoduje wzrost prądu wzbudzenia. Po przekroczeniu tzw. prędkości krytycznej następuje samowzbudzenie alternatora i osiągnięcie znamionowego napięcia pracy (dla instalacji 12V napięcie to powinno wynosić 14 14,4V). Przepływ prądów w tym stanie pracy przedstawiono na rysunku 5c. Wskutek wyrównania się potencjałów w punktach D+ i B+ lampka LK gaśnie. Regulator napięcia reguluje prąd wzbudzenia tak, aby utrzymać stałą wartość napięcia na wyjściu alternatora niezależnie od zmian obciążenia i prędkości obrotowej silnika. a) b) c) Rys. 5. Działanie obwodów alternatora w poszczególnych fazach pracy: a) załączenie zapłonu, b) proces wzbudzenia alternatora, c) ładowanie akumulatora.
Program ćwiczenia Dane znamionowe badanego alternatora samochodowego A124N zastosowanego do realizacji ćwiczenia: Napięcie znamionowe 12 V Liczba par biegunów wirnika 6 Prędkość znamionowa przy której alternator uzyskuje 1000 ±50 obr / min napięcie znamionowe Maksymalne natężenie prądu przy 6000 obr/min 44 A Maksymalne natężenie prądu przy 13000 obr/min 53 A Maksymalna prędkość obrotowa - ciągła 13000 obr / min Maksymalna prędkość obrotowa - chwilowa 15000 obr / min Rezystancja uzwojenia wzbudzenia 4,3 ± 2,2 Ω Masa 4,2 kg Współpraca z regulatorem napięcia typ RC2/12D - wibracyjny lub RN2 - elektroniczny 1. Praca alternatora w układzie obcowzbudnym Schemat układu do wyznaczania charakterystyk alternatora przy wzbudzeniu obcym przedstawiono na rys. 6. P. A 3xRobc Rys. 6. Schemat do wyznaczania charakterystyk przy realizacji procesu wzbudzenia z obcego źródła 1.1. Wyznaczanie charakterystyk biegu jałowego E=f(I F) alternatora (n=const, I obc=0) Charakterystyki te określają wpływ prądu wzbudzenia na napięcie wytworzone przez alternator przy pracy w stanie jałowym. Charakterystykę tę wyznacza się przy stałej prędkości wirnika alternatora. W celu wyznaczenia charakterystyk biegu jałowego należy: sprawdzić, czy włącznik P jest rozwarty, ustawić zadaną przez nauczyciela prowadzącego zajęcia wartość prędkości obrotowej silnika napędzającego dokonać pomiaru tej prędkości na wale alternatora wykorzystując miernik stroboskopowy, utrzymując wartość prędkości na stałym poziomie zmieniać wartość prądu wzbudzenia If alternatora oraz odczytywać wartości napięcia wyjściowego alternatora E. UWAGA! podczas pomiaru nie przekroczyć wartości If = 2,5A, pomiary wykonać dla dwóch lub trzech wartości prędkości obrotowej n.
1.2. Wyznaczanie charakterystyk elektromechanicznych U = f(n) alternatora (If = const i I obc = const) Charakterystyki elektromechaniczne pozwalają okreslić wpływ prędkości obrotowej na napięcie wytworzone przez alternator przy stałym prądzie wzbudzenia. Można je wyznaczyć z wykorzystaniem układu pomiarowego, którego schemat przedstawiono na rys. 6. W celu wyznaczenia charakterystyk elektromechanicznych należy: ustawić wartości rezystancji obciążających badany alternator ma maximum, ustalić zadaną przez nauczyciela prowadzącego zajęcia wartość prądu wzbudzenia If (z zakresu 0,6 1A), załączyć włącznik P, ustalić zadaną przez nauczyciela prowadzącego wartość prądu obciążenia Iobc (np. Iobc = 8 A), zmniejszać wartość prędkości obrotowej alternatora od wartości maksymalnej, odczytywać wartości napięcia na wyjściu alternatora, utrzymując wartości prądu obciążenia Iobc na stałym poziomie, pomiary wykonać dla różnych wartości prądu wzbudzenia If bądź prądu obciążenia Iobc. 1.3.Wyznaczanie charakterystyk zewnętrznych U = f(iobc ) alternatora Charakterystyki zewnętrzne określają wpływ prądu obciążenia alternatora na jego napięcie wyjściowe. Charakterystyki te należy wyznaczyć z wykorzystaniem układu pomiarowego, którego schemat przedstawiono na rys. 6 W celu wyznaczenia charakterystyk zewnętrznych należy: ustawić wartości rezystancji obciążających badany alternator ma maximum załączyć włącznik P, ustalić zadaną przez nauczyciela prowadzącego wartość prądu wzbudzenia If (z zakresu 0,6 1A), zwiększać wartość prądu obciążenia Iobc (zmniejszać wartości rezystancji obciążających) badanego alternatora oraz odczytywać wartości napięcia wyjściowego U alternatora, przy utrzymywaniu stałej wartości prądu wzbudzenia If i maksymalnej wartości prędkości silnika napędzającego, pomiary wykonać dla różnych wartości prądu wzbudzenia If (np. If = 0,6 oraz If = 0,8A) 1.4.Wyznaczanie charakterystyk regulacyjnych If = f(n) alternatora (Iobc = const, U = const) Charakterystyki regulacyjne określają zależność pomiędzy prądem wzbudzenia a prędkością pracy alternatora. Charakterystyki wyznaczyć z wykorzystaniem układu pomiarowego, którego schemat przedstawiono na rys. 6 W celu wyznaczenia charakterystyk regulacyjnych należy: ustawić wartości rezystancji obciążających badany alternator ma maximum, ustawić zadaną wartość prądu obciążenia Iobc dla Iobc = 0 włącznik P rozłączony, dla I 0 włącznik P załączony regulując prąd wzbudzenia If ustawić zadaną wartość napięcia U, doregulować prąd obciążenia Iobc do wartości zadanej, zmniejszać wartość prędkości obrotowej silnika napędzającego od wartości maksymalnej, zmieniając prąd wzbudzenia If doregulowywać wartość napięcia wyjściowego alternatora U do wartości zadanej, przy każdej zmianie prędkości obrotowej zespołu silnik-alternator odczytywać wartości prądu wzbudzenia If oraz mierzyć wartości prędkości alternatora. pomiary wykonać dla dwóch różnych wartości prądu obciążenia Iobc.
2. Współpraca alternatora z regulatorem napięcia Wyznaczanie charakterystyk regulacyjnych If = f(n) alternatora (Iobc = const, U = const utrzymywane przez dołączony regulator napięcia) Rys. 7. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyk regulacyjnych alternatora współpracującego z regulatorem napięcia Charakterystyki wyznaczyć z wykorzystaniem układu pomiarowego, którego schemat przedstawiono na rys. 7. W celu wyznaczenia charakterystyk regulacyjnych należy: ustawić wartości rezystancji obciążających badany alternator ma maximum, ustawić zadaną wartość prądu obciążenia Iobc dla Iobc = 0 włącznik P rozłączony, dla I 0 włącznik P załączony, zmniejszać wartość prędkości obrotowej silnika napędzającego od wartości maksymalnej, przy każdej zmianie prędkości obrotowej zespołu silnik-alternator odczytywać wartości prądu wzbudzenia If oraz mierzyć wartości prędkości alternatora, Pomiary wykonać dla dwóch różnych wartości prądu obciążenia Iobc, porównać charakterystyki regulacyjne otrzymane przy wzbudzeniu obcym z charakterystykami otrzymanymi przy współpracy alternatora z regulatorem. 3. Współpraca alternatora z regulatorem napięcia oraz akumulatorem Rys. 8. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania w alternatorze współpracującym z regulatorem napięcia i akumulatorem
W celu obserwacji przebiegów prądów w określonych punktach alternatora współpracującego z regulatorem oraz akumulatorem należy: połączyć układ tak jak na rysunku 8, włączyć silnik napędzający badany alternator, określić prędkość przy jakiej alternator ulegnie samowzbudzeniu określić przy jakiej prędkości alternator będzie zasilał wszystkie włączone odbiorniki oraz ładował akumulator, zarejestrować na oscyloskopie przebiegi prądu wzbudzenia, prądu fazowego alternatora, prądu wyjściowego alternatora zaobserwować zachowanie się kontrolki oraz przebiegów prądów: wzbudzenia, fazowych i ładowania przy maksymalnej prędkości silnika napędzającego jeśli: zostanie rozwarta jedna gałąź mostka prostowniczego, zostaną rozwarte dwie gałęzie mostka prostowniczego wystąpi przerwa w połączeniu jednego uzwojenia alternatora z mostkiem prostowniczym Literatura: [1] Materiały firmy Bendiks Rzeszów: http://www.bendiks.rzeszow.pl/alternatory.html?print=1 (z dnia 05.02.2016) [2] Platforma motoryzacyjna AUTOKult: http://autokult.pl/623,alternator-budowa-usterki-sposobdzialania (z dnia 05.02.2016) [3] Dziubański M. Walusiak S., Charakterystyki alternatora kompaktowego współpracującego z regulatorem multifunkcyjnym, KONES 2000, s. 49-55, 2000, [5] Dziubański M. Walusiak S., Ocioszyński J, Elektrotechnika i elektronika samochodowa, Wyd. Politechniki Lubelskiej, Lublin 1998, [4] Materiały firmy BOSCH,