Badanie alternatora

5

5

Ć

WICZENIE 1 – BADANIE ALTERNATORA

Wprowadzenie

W ciągu ostatnich kilkunastu lat wymagania stawiane prądnicom samochodowym

znacznie się zaostrzyły. Wpływ na to miały:

−

zwiększone zapotrzebowanie na energię elektryczną, wynikające ze

wzrastającej liczby i mocy odbiorników elektrycznych samochodu ⇒

zmusza do zwiększenia mocy prądnicy,

−

wzrost maksymalnej prędkości obrotowej silników spalinowych ⇒

zwiększenie maksymalnej prędkości obrotowej prądnicy,

−

zmniejszenie średniej prędkości w ruchu miejskim ⇒ prądnica powinna

wytwarzać energię już przy biegu jałowym silnika spalinowego,

−

dążenie do zmniejszenia masy pojazdów ⇒ zmniejszenie masy

prądnicy.

Wszystkie te wymagania spełnia w zadowalającym stopniu samochodowa

prądnica prądu przemiennego – alternator. Działa ona na tej samej zasadzie co

trójfazowa prądnica synchroniczna.

Budowa i działanie alternatora

Pole magnetyczne wytwarzane jest przez prąd stały płynący w uzwojeniu magne-

sującym, nawiniętym na wirniku (wzbudzenie elektromagnetyczne). Wirnik złożony

jest z dwóch tarcz z biegunami w kształcie kłów, przy czym kły tarcz wchodzą między

siebie. Strumień magnetyczny pochodzący od uzwojenia wzbudzenia ma kierunek

równoległy do osi wału, czyli biegunowość kłów obu połówek wirnika jest przeciwna.

Uzwojenie wzbudzenia wykonane jest jako pojedyncza toroidalna cewka i

umieszczone jest między kłami. Zasilane jest ono prądem stałym poprzez dwa

pierścienie ślizgowe ze szczotkami. Prąd wzbudzenia alternatora nie przekracza 10%

Badanie alternatora

6

6

prądu znamionowego obciążenia. W żłobkach stojana umieszczone jest trójfazowe

uzwojenie twornika, zwykle połączone w gwiazdę. Silnik spalinowy, napędzając przez

przekładnię pasową wirnik prądnicy powoduje powstanie pola magnetycznego

wirującego względem stojana i indukowanie się w uzwojeniach twornika sił

elektromotorycznych rotacji o kształcie przebiegu zbliżonym do sinusoidy. Zarówno

wartość średnia sił elektromotorycznych E

av

, jak również ich pulsacja

ω

są proporcjo-

nalne do prędkości kątowej wirnika

ω

m

:

,

,

m

m

f

av

ω

ω

ω

p

Φ

c

E

E

=

=

(1.1)

gdzie:

c

E

– stały współczynnik proporcjonalności,

Φ

f

– strumień magnetyczny wzbudzenia,

p – liczba par biegunów.

Aby utrzymać na zaciskach prądnicy stałą wartość napięcia, musi ona

współpracować z regulatorem napięcia, który przy wzroście prędkości obrotowej

zmniejsza strumień magnetyczny wirnika (poprzez zmianę prądu wzbudzenia). Aby

zaś prądnica mogła współpracować z akumulatorem i odbiornikami samochodowymi,

jej prąd obciążenia musi być wyprostowany, co pociąga za sobą konieczność

wyposażenia prądnicy w prostownik.

Układ prostowniczy jest często integralną częścią alternatora. Jest to prostownik

diodowy sześciopulsowy mostkowy, złożony z diod krzemowych o spadku napięcia w

kierunku przewodzenia ok. 0,7 V.

W alternatorach samowzbudnych stosuje się dodatkowy prostownik złożony z

trzech diod. Wraz z trzema diodami o biegunowości ujemnej prostownika

sześciopulsowego tworzy on układ zasilający uzwojenie wzbudzenia przez regulator

napięcia

wyprostowanym

napięciem

twornika.

Warunkiem

koniecznym

samowzbudzenia alternatora jest, aby napięcie indukowane w tworniku miało wartość

większą od spadku napięcia dwóch diod połączonych szeregowo (diody D2 i D3 na

rys. 1.1). Ponieważ indukcja remanentu alternatora jest na ogół niewystarczająca do

wyindukowania napięcia o pożądanej wartości (przy małych prędkościach alternatora-

w czasie rozruchu), więc stosuje się wstępne wzbudzenie alternatora z akumulatora

poprzez wyłącznik zapłonu i lampkę kontrolną (rys.1.1). Prąd wstępnego wzbudzenia

wytwarza pole magnetyczne, które wystarcza do rozpoczęcia procesu samowzbudzania

się alternatora.

Badanie alternatora

7

7

D3

D2

D1

LK

WZ

B

f

R

Alternator

obc

R

30 (B+)

15

D+

Reg Nap

67

Rys. 1.1. Schemat ideowy alternatora samowzbudnego zasilającego samochodową instalację

elektryczną (WZ – wyłącznik zapłonu, LK – lampka kontrolna ładowania akumulatora,
B – akumulator, R

f

– uzwojenie wzbudzenia alternatora, RegNap – regulator napięcia

alternatora, R

obc

– rezystancja odbiorników)

Podstawowe charakterystyki alternatora

Charakterystyki alternatora wynikają ze związków pomiędzy podstawowymi wiel-

kościami opisującymi pracę maszyny: prądem wzbudzenia I

f

, prądem obciążenia I

obc

(po stronie napięcia wyprostowanego), napięciem wyjściowym U (wyprostowanym) i

prędkością obrotową n.

Do podstawowych charakterystyk alternatora należą:

−

charakterystyka elektromechaniczna U = f(n), przy I

obc

= const i

I

f

= =const (rys.1.2),

−

charakterystyka prądowo-prędkościowa I

obc

= f(n) dla U = const i

I

f

= const (rys.1.3),

−

prędkościowa charakterystyka regulacyjna I

f

= f(n) dla U = const i

I

obc

= const (rys.1.4).

Badanie alternatora

8

8

0

= const

f

R

N

I

=

I

obc

=0

I

obc

obc

=0

I

N

ap

ię

ci

e

Prędkość obrotowa

Rys. 1.2. Charakterystyka elektromechaniczna alternatora U = f(n)

0

= const

U

0

n

= const

f

I

P

rą

d

o

b

ci

ą

ż

en

ia

Prędkość obrotowa

Rys. 1.3. Charakterystyka prądowo-prędkościowa alternatora I

obc

= f(n

I

obc

=I

N

=0

I

obc

= const

U

P

rą

d

w

zb

u

d

ze

n

ia

Prędkość obrotowa

Rys. 1.4. Prędkościowa charakterystyka regulacyjna alternatora I

f

= f(n)

Badanie alternatora

9

9

Dodatkowo można określić:

−

charakterystykę biegu jałowego E = f(I

f

) dla n = const, I

obc

= 0

−

charakterystykę zewnętrzną U = f(I

obc

) przy n = const i I

f

= const

−

charakterystykę regulacji I

f

= f(I

obc

) dla U = const

−

charakterystykę obciążenia U = f(I

f

) dla I

obc

= const.

Opis stanowiska laboratoryjnego

Alternator zastosowany w stanowisku pochodzi z samochodu FIAT 126,

oznaczony jest przez producenta (Elmot Świdnica) symbolem A115-34b. Jest to

trójfazowa prądnica synchroniczna samowzbudna z sześciopulsowym prostownikiem

napięcia wyjściowego i osobnym prostownikiem do zasilania uzwojenia wzbudzenia.

Alternator przeznaczony jest do instalacji jednoprzewodowej.

Alternator współpracuje z elektronicznym regulatorem napięcia, zabudowanym na

tylnej tarczy łożyskowej.

Regulator jest wyprodukowany przez tego samego producenta co alternator i

oznaczony symbolem RNc-12. Napięcie znamionowe regulatora równe jest 14 V.

Fabrycznie regulator napięcia podłączony jest złączami konektorowymi do uzwojenia

wzbudzenia oraz połączony jest z masą alternatora. Dla potrzeb stanowiska przewody

te rozłączono i ich zaciski wyprowadzono na tablicę stanowiska. Na tablicy tej

umieszczono także zaciski wyjściowe twornika (za mostkiem diodowym) oraz zaciski

akumulatora. Umieszczono tam także żarówkę 12 V oraz wyłącznik połączone

szeregowo. Elementy te umożliwiają pełniejszą symulację pracy układu w pojeździe.

ś

arówka odpowiada lampce kontroli ładowania akumulatora, a wyłącznik –

wyłącznikowi zapłonu silnika (rys. 1.5).

Na stanowisku laboratoryjnym alternator napędzany jest przez silnik indukcyjny

klatkowy, typ Sf80-28 o danych znamionowych: U = 3x380/220 V, I

N

= 4,25/2,45 A,

n

N

= 2880 obr/min, cos

ϕ

N

= 0,88. Przełożenie przekładni pasowej między silnikiem a

alternatorem wynosi 1:1,43. Na wale alternatora po stronie przeciwnej do napędu

umieszczony jest wentylator wymuszający przepływ powietrza chłodzącego.

Dla umożliwienia zmiany prędkości obrotowej silnik indukcyjny zasilany jest z

falownika (rys.1.5a) z możliwością zmiany częstotliwości napięcia zasilającego od

3 Hz do 60 Hz (dane falownika I

wy

= 5 A, S

wy

= 2 kV

⋅

A, U

N

= 3x380 V).

Badanie alternatora

1

1

0

0

= var

= var

f

U

a)

f

=var

m

Alt

3~

M

10A

3x380V, 50Hz

∼∼∼

∼∼∼

b)

N

R

Rys. 1.5. Schemat stanowiska laboratoryjnego a) układ napędowy, b) schemat elektryczny połączeń

(linią przerywaną oznaczono tablicę stanowiska z dostępnymi zaciskami)

Dla pomiaru prędkości obrotowej wykorzystano fakt, że częstotliwość napięcia

twornika jest liniowo zależna od prędkości obrotowej:

60

pn

f

=

,

(1.2)

gdzie:

p - liczba par biegunów alternatora, tutaj p = 6,

n - prędkość obrotowa alternatora.

Badanie alternatora

1

1

1

1

Tabela 1

Dane znamionowe alternatora

Napięcie znamionowe U

N

14 V

Prąd maksymalny I

N

34 A

Prędkość maksymalna trwała n

max

14 000 obr/min

Prędkość maksymalna chwilowa (przez 15 min)

15 000 obr/min

Prędkość, przy której alternator osiąga napięcie 12 V

1250 obr/min

Prędkość, przy której alternator osiąga napięcie 13,5 V
(w stanie nagrzanym)

1350 obr/min

Rezystancja uzwojenia wzbudzenia, mierzona między
pierścieniami ślizgowymi (w temperaturze 20

°

C)

(3,27

±

0,16)

Ω

Tabela 2

Wartości kontroli badanego alternatora

Wydatek prądu

≥

33 A

przy parametrach:

prędkość obrotowa

4250 obr/min

napięcie

(13,4

÷

13,5) V

napięciu między (B+) i (D+)

≤

0,3 V

Napięcie regulowane

(14.3

÷

14.7) V

przy parametrach:

prędkość obrotowa

4250 obr/min

prąd obciążenia

(6

÷

6,5) A

Warunki, w których gaśnie lampka kontrolna

prędkość obrotowa (wzbudzenie)

1850 obr/min

prąd z (B+) do (D+)

(0,21

÷

0,22) A

prędkość obrotowa (odwzbudzenie)

1300 obr/min

Masa

4,2 kg

Badanie alternatora

1

1

2

2

Napięcie międzyfazowe alternatora wyprowadzono przewodami giętkimi. Pomiaru

częstotliwości można dokonać np. za pomocą oscyloskopu.

Dla zabezpieczenia układu napędowego przed skutkami zwarć i przeciążeń użyto

wyłączniko – bezpiecznika S-193B, I

N

= 10 A.

Jako obciążenie alternatora wykorzystano spirale oporowe. Kolejne sekcje

posiadają rezystancje równe 13,4

Ω

, 6,7

Ω

, 3,4

Ω

, 1,7

Ω

oraz 0,84

Ω

. Można również

włączyć opornice suwakowe.

Program ćwiczenia

a)

Oględziny zewnętrzne

Zidentyfikować poszczególne części alternatora (alternator przeznaczony do

demonstracji znajduje się na stanowisku, można go rozłożyć).

Należy zwrócić uwagę na:

−

stopień skorodowania, pęknięcia pokryw, zużycie wałka i nakrętek,

−

stan łożysk - czy wirnik daje się lekko obracać,

−

stan pierścieni ślizgowych, szczotek i ich docisku,

−

stan zacisków.

Uwaga: Na stanowisku laboratoryjnym alternator nie rozwija dostatecznej prędkości,

aby przeprowadzić pomiary charakterystyk alternatora pracującego w układzie

samowzbudnym. Dlatego większość pomiarów przeprowadza się przy wzbudzeniu

obcym.

b)

Praca alternatora w układzie obcowzbudnym (odłączony regulator napięcia)

Uzwojenie wzbudzenia alternatora należy zasilać z akumulatora poprzez

odpowiednio dobraną opornicę suwakową tak, aby prąd wzbudzenia można było

regulować w jak najszerszym zakresie.

Schemat ideowy układ pomiarowego alternatora pracującego ze wzbudzeniem

obcym pokazano na rys. 1.6.

Badanie alternatora

1

1

3

3

A

V

f

A

f

R

obc

R

Rys. 1.6. Układ do pomiaru charakterystyk alternatora przy wzbudzeniu obcym

b1) Charakterystyka elektromechaniczna U = f(n) przy I

f

= const i I

obc

= const

Charakterystyka ta określa wpływ prędkości obrotowej na napięcie wytwarzane

przez alternator.

Kolejność czynności:

−

Zmontować układ pomiarowy wg rys. 1.6.

−

Ustalić prąd wzbudzenia (np. I

f

= 0,7 A).

−

Przy odłączonej rezystancji obciążenia załączyć silnik napędowy.

−

Przy prędkości minimalnej odczytać napięcie wyjściowe U.

−

Następnie zwiększając prędkość obrotową, np. co 200 obr/min aż do

prędkości maksymalnej odczytywać napięcie wyjściowe alternatora U.

−

Powtórzyć cykl pomiarów przy załączonej rezystancji obciążenia, przy

czym prąd obciążenia I

obc

powinien być stały, np. 5 A (należy przy

każdorazowej zmianie prędkości obrotowej regulować wartość prądu).

−

Powtórzyć cały cykl dla innej wartości prądu obciążenia.

b2) Charakterystyka biegu jałowego E = f (I

f

) i charakterystyki obciążenia U = f(I

f

)

przy I

obc

= const i n = const

Charakterystyki te określają wpływ prądu wzbudzenia na napięcie wytwarzane

przez alternator.

Badanie alternatora

1

1

4

4

Kolejność czynności:

−

Odłączyć rezystancję obciążenia (bieg jałowy alternatora).

−

Załączyć silnik napędowy i ustawić maksymalną prędkość obrotową.

−

Prąd wzbudzenia zwiększać od 0 do wartości maksymalnej (ok.1,5 A) w

sposób monotoniczny, a następnie zmniejszać go stopniowo do zera.

−

Wyłączyć silnik napędowy.

−

Dołączyć rezystancję obciążenia o maksymalnej wartości.

−

Załączyć silnik napędowy i ustawić maksymalną prędkość obrotową.

−

Wyregulować prąd wzbudzenia I

f

tak, by osiągnąć wymaganą wartość

I

obc

, np. 5 A

−

Zmniejszyć rezystancję i zmienić prąd wzbudzenia tak, by utrzymać

stały prąd obciążenia.

−

Pomiary powtórzyć dla innej wartości prądu obciążenia, np. I

obc

= 10 A.

b3) Charakterystyki zewnętrzne U = f(I

obc

)

Charakterystyki te określają wpływ prądu twornika na napięcie wytwarzane przez

alternator.

Kolejność czynności:

−

Załączyć silnik napędowy przy odłączonej rezystancji obciążenia,

ustawić maksymalną prędkość obrotową, ustawić prąd wzbudzenia np.

I

f

= 0,8 A, zmierzyć napięcie.

−

Wyłączyć silnik napędowy.

−

Włączyć rezystancję obciążenia o maksymalnej wartości i ponownie

załączyć napęd alternatora, ustawić maksymalną prędkość obrotową.

−

Utrzymując stałą wartość prądu wzbudzenia, mierzyć prąd obciążenia i

napięcie wyjściowe, zmieniając rezystancję obciążenia.

b4) Charakterystyki prądowo – prędkościowe I

obc

= f(n) przy U = const

Charakterystyki te określają, jaki prąd można pobrać z alternatora przy określonej

prędkości obrotowej.

Kolejność czynności:

−

Odłączyć obciążenie alternatora.

Badanie alternatora

1

1

5

5

−

Załączyć silnik napędowy, ustawić prąd wzbudzenia, np. I

f

= 1 A,

zwiększać prędkość obrotową aż do osiągnięcia założonego napięcia

wyjściowego U, np. U = 14 V.

−

Wyłączyć silnik, włączyć rezystancję obciążenia.

−

Załączyć silnik ponownie, dla ustawionej wartości rezystancji

obciążenia zmieniać prędkość obrotową tak by uzyskać stałe napięcie

wyjściowe.

−

Powtórzyć ten pomiar dla innych wartości rezystancji.

−

Cały cykl wykonać dla trzech różnych wartości prądów wzbudzenia, np.

I

f

= 1 A, I

f

= 1,5 A i I

f

= 2 A.

c)

Współpraca alternatora z regulatorem napięcia

c1) Prędkościowe charakterystyki regulacyjne

Charakterystyki te mierzy się, by określić wymagane parametry regulatora

napięcia alternatora.

Kolejność czynności:

−

Odłączyć rezystancję obciążenia.

−

Załączyć silnik napędowy, przy małej prędkości ustawić prąd

wzbudzenia I

f

tak by napięcie wyjściowe wynosiło np. U = 10 V.

−

Zwiększać prędkość obrotową i zmieniać prąd wzbudzenia tak, by

napięcie wyjściowe było stałe.

−

Wyłączyć silnik napędowy, włączyć rezystancję obciążenia.

−

Cykl pomiarów powtórzyć przy alternatorze obciążonym prądem, np.

dla I

obc

= 5 A i I

obc

= 10 A.

d)

Współpraca alternatora z akumulatorem (praca alternatora w układzie

samowzbudnym)

Kolejność czynności:

−

Połączyć alternator w układzie samowzbudnym wg schematu ideowego

podanego na rys.1.7.

−

Przy odłączonej rezystancji obciążenia załączyć silnik napędowy,

ustawić niewielką prędkość obrotową.

Badanie alternatora

1

1

6

6

−

Włączyć wyłącznik symulujący wyłącznik zapłonu.

Zwiększać powoli prędkość obrotową silnika napędowego i alternatora,

zanotować, przy jakiej prędkości lampka kontrolna ładowania akumulatora gaśnie

(alternator wzbudza się poprzez regulator napięcia). Następnie zmniejszać prędkość

obrotową, zanotować, przy jakiej prędkości lampka kontrolna zapala się ponownie.

obc

R

A

f

V

A

RN

f

R

Rys. 1.7. Schemat układu do pomiaru współpracy alternatora z akumulatorem.

−

Ustawić maksymalną prędkość obrotową.

−

Zmierzyć rozpływ prądów w obwodzie.

−

Wyłączyć silnik, podłączyć rezystancję obciążenia, ponownie załączyć

silnik napędowy.

−

Zmieniać obciążenie układu i mierzyć rozpływ prądów.

−

Przy stałym obciążeniu alternatora, np. I

obc

= 5 A sprawdzić, czy

napięcie alternatora utrzymuje się w granicach określonych przez

producenta.

Opracowanie wyników pomiarów

Wykreślić pomierzone charakterystyki i wyciągnąć wnioski.

Badanie alternatora

1

1

7

7

Literatura

1.

Koziej E.: Maszyny elektryczne pojazdów samochodowych. WNT, Warszawa

1996.

2.

Ocioszyński J.: Zespoły elektryczne i elektroniczne w samochodach. WNT,

Warszawa 1999. ISBN 83-204-2298-1.

3.

PN-S-73025:1994. Wyposażenie elektryczne pojazdów silnikowych. Alternatory:

Wymagania i badania.