Генератор обеспечивает питанием различные электрические устройства во время движения автомобиля, а также заряд аккумуляторной батареи током, обеспечивающим её полностью заряженное состояние.
Когда электрическая нагрузка так велика, что электрическая мощность генератора оказывается меньше, чем потребление энергии, необходимая дополнительная энергия поступает от аккумуляторной батареи.
Ротор генератора приводится во вращение от коленчатого вала двигателя через поликлиновую ремённую передачу. Постоянный ток, протекающий по расположенной на роторе обмотке возбуждения, создаёт магнитное поле. Вращающееся вместе с ротором поле, генерирует переменную ЭДС в обмотках статора. Эта переменная ЭДС выпрямленная диодным выпрямителем используется в качестве источника электрической энергии автомобиля.
Передаточное отношение привода от шкива коленчатого вала двигателя к шкиву генератора обычно составляет от 1:1,8 до 1:2,2. Таким образом, частота вращения ротора генератора примерно в два раза больше, чем коленчатого вала двигателя.
Для примера приведен генератор автомобиля Mitsubishi, но общий принцип устройства и работы генераторов одинаков. Отличия могут быть в наличии дополнительных функций. Например, duty control.
Принцип работы автомобильного генератора
В основе работы генератора лежит эффект электромагнитной индукции. Изменение магнитного поля, вызванное перемещением проводника и магнита относительно друг друга, порождает ток в проводнике называющийся индукционным. Величина этого тока тем больше, чем больше длина проводника, быстрее его перемещение и больше величина магнитного поля. Он исчезнет, как только прекратится движение.
Простейший генератор переменного тока мы можем получить, если мы начнем вращать магнит относительно проводника (неподвижная катушка). Силовые линии магнитного поля при вращении магнита будут изменяться как по величине, так и по направлению. Ток, производимый таким генератором, будет переменный.
Рассмотренный простейший генератор обладает двумя существенными недостатками:
• при изменении скорости вращения магнита напряжение, вырабатываемое генератором, будет изменяться в широких пределах.
• ток, вырабатываемый таким генератором переменный, а для питания автомобильных потребителей необходим постоянный ток.
Регулирование напряжения в генераторе
Если вместо магнита применить электромагнит, то появится возможность изменять величину магнитного поля и, следовательно, напряжения на выходе генератора. Величина магнитного поля электромагнита будет зависеть от величины тока протекающего через его обмотку (обмотка возбуждения). Поэтому регулирование напряжения обычно производится путем управления током через обмотку возбуждения генератора.
Выпрямление переменного тока генератора
Вырабатываемое генератором переменное напряжение непригодно для питания автомобильного электрооборудования и должно быть преобразовано, или выпрямлено в постоянное напряжение.
Для выпрямления обычно используется полупроводниковые диоды. При применении одного диода мы выпрямляем только одну полуволну переменного напряжения. Более эффективным является двухполупериодный выпрямитель, который использует обе полуволны. Чтобы его получить, необходимо соединить 4 диода в мостовую схему.
Устройство генератора автомобиля
Генератор состоит из подвижной (ротор) и неподвижной (статор) части.
Ротор автомобильного генератора
Ротор, создающий вращающееся магнитное поле, включает магнитную систему (в виде клювообразных полюсных наконечников) и обмотку возбуждения. При прохождении тока по обмотке ротора одна половина его полюсов приобретает “северную”, а другая – “южную” намагниченность.
Ротор вращается внутри статора. Одним из классификационных признаков генераторов является число полюсов ротора. Следовательно, генератор с двенадцатью полюсами можно классифицировать как двенадцатиполюсной генератор.
Если при работе генератор нагревается до температуры выше 150ºС, то это может привести к нарушению его работоспособности. Поэтому на валу ротора устанавливается крыльчатка вентилятора охлаждения.
Статор генератора
Если вокруг ротора расположить не одну, а несколько катушек, то генератор будет производить больше электричества при тех же габаритах. Поэтому статор имеет три независимые обмотки, в каждой из которых индуцируется переменная электродвижущая сила (ЭДС). Обмотки смещены относительно друг друга на 120°, в результате чего фазы ЭДС тока также смещены на 120° относительно друг друга.
Выпрямительный блок генератора
Переменное напряжение, индуцируемое в обмотке статора, преобразуется в постоянное при помощи выпрямительного блока.
В выпрямительном блоке применяются диоды. Они представляют собой полупроводниковые устройства, которые свободно пропускают ток в одном направлении, однако препятствуют протеканию тока в обратном направлении.
Автомобильный выпрямительный блок также препятствует протеканию тока от аккумуляторной батареи по обмоткам генератора, когда его напряжение ниже, чем напряжение аккумуляторной батареи, например, при неработающем двигателе. Этим предотвращается ненужный разряд аккумуляторной батареи.
Как работает генератор автомобиля
Вращение катушки возбуждения, по которой протекает ток, генерирует переменное напряжение в обмотках статора.
После его выпрямления диодами в постоянное напряжение, оно имеет пульсирующую форму, показанную на рисунке.
Для аккумулятора такая пульсация не имеет значения. Средняя величина напряжения немного изменяется в зависимости от нагрузки на генератор.
Работа генератора при включении зажигания (двигатель не запущен)
Напряжение от аккумуляторной батареи подводится к измерительной цепи генератора (вывод S), минуя все дополнительные контакты и выключатель зажигания, поэтому генератор потребляет небольшой ток постоянно (зависит от величины Rv и R).
При включении зажигания (IG-SW переводится в положение ON),напряжение подводится к регулятору напряжения (вывод L) и к стабилитрону Dz через делитель напряжения на резисторах Rv и R. Диод D1 необходим для температурной компенсации. Напряжение недостаточно для «пробоя» стабилитрона и базовый ток отсутствует, а следовательно транзистор Tr1 закрыт. Ток через резистор поступает в базовую цепь силового транзистора, и следовательно он открыт. Начинает течь ток от аккумуляторной батареи по цепи: лампочка зарядки, обмотка возбуждения (происходит её предварительное возбуждение) и регулятор напряжения как показано на рисунке. При этом лампочка зарядки будет гореть
Работа генератора после запуска двигателя
После запуска двигателя дальнейшее возбуждение обмотки ротора уже происходит за счёт тока, вырабатываемого генератором. В обмотках статора начинает генерироваться переменное электрическое напряжение, которое затем выпрямляется и подаётся на обмотку возбуждения и лампочку зарядки. Разность потенциалов на выводах лампочки зарядки становится малой и она гаснет. Когда напряжение на выводе В генератора превысит напряжение на аккумуляторной батарее, то появляется ток зарядки (течёт в обратном направлении!)
Работа генератора при превышении напряжения
Необходимо отметить, что при постоянном токе возбуждения ротора напряжение на генераторе увеличивается по мере роста частоты вращения.
Для регулирования напряжения необходимо изменять ток обмотки возбуждения. С увеличением тока возбуждения увеличивается и выходное напряжение генератора, а при уменьшении тока возбуждения соответственно оно снижается. При достижении напряжения на аккумуляторной батарее величины близкой 14,4В (напряжение на выводе S генератора), напряжение подаваемое на обмотку возбуждения ротора прерывается.
Когда напряжение на аккумуляторной батарее упадёт ниже уровня, поддерживаемого регулятором напряжения (поскольку ток возбуждения снижается), ток возбуждения возобновляется. Таким образом, за счёт управления током возбуждения, происходит поддержание выходного напряжения генератора на заданном уровне.
Если напряжение на выводе S превысит заданное значение (например, из-за увеличения частоты вращения ротора), то стабилитрон Dz «пробивается» и через него начинает протекать базовый ток транзистора Tr1 (следовательно, он открывается). В открытом состоянии сопротивление участка коллектор-эмиттер мало и он замыкает на «массу» базу силового транзистора, прерывая базовый ток. Силовой транзистор закрывается и разрывает цепь обмотки возбуждения. Ток возбуждения уменьшается и напряжение, вырабатываемое генератором, тоже уменьшается. Стабилитрон «закрывается», транзистор Tr1и силовой транзистор открываются, и ток через обмотку возбуждения увеличивается вновь. Процесс повторяется.
Запомните! Регулирование напряжения генератора осуществляется изменением тока обмотки возбуждения. Регулирование тока обмотки возбуждения производится путем изменения времени ее включения в цепь питания (Duty control)
Работа генератора при обрыве измерительной цепи
Если оборвана измерительная цепь (вывод S), то напряжение на стабилитрон Dz подается через вывод генератора L и диод D2. Регулятор продолжает работать, но теперь не учитывается падение напряжения на контактах замка зажигания и лампочке зарядки.
Выводы FR и G генератора
Некоторые генераторы имеют дополнительные выводы FR и G, которые позволяют дополнительно управлять током обмотки возбуждения для снижения нагрузки на генератор.
С вывода FR генератора снимается сигнал состояния обмотки возбуждения генератора (duty ratio – коэффициент заполнения) и поступает в электронный блок управления двигателем.
По этому сигналу электронный блок управления двигателем “определяет” выходной ток генератора и, в зависимости от нагрузки на генератор изменяет проводимость между выводом генератора G и «массой» и приводит в действие сервопривод регулятора холостого хода для стабилизации оборотов холостого хода при изменении электрической нагрузки.
Например, включение фар головного света вызывает резкое увеличение тока потребления, но блок управления engine-ECU оценив режим работы двигателя и коэффициент загрузки генератора, препятствует чрезмерному увеличению тока возбуждения (уменьшается напряжение на выводе G) и предотвращает снижение оборотов двигателя (формируется необходимая топливная добавка). В переходный период, когда генератор еще не производит достаточно энергии, аккумуляторная батарея отдает часть энергии.
Примерно полсекунды после того, как срабатывает датчик давления рабочей жидкости в системе рулевого управления, и полсекунды после включения режима «D» на автоматической коробке передач, электронный блок управления двигателем контролирует напряжение на контакте «G». В это время он удерживает режим выключения (OFF duty) на уровне 30%, чтобы предотвратить резкое увеличение мощности, вырабатываемой генератором.
Управление выходным током генератора не выполняется в следующих случаях:
* при высоких оборотах двигателя;
* при температуре охлаждающей жидкости ниже 50 °С;
* при включенном кондиционере;
* более 0,5 секунды после срабатывания датчика давления рабочей жидкости в системе рулевого управления;
* более 0,5 секунды после включения режима «D» на автоматической коробке передач;
* в течение первых 3 секунд после запуска двигателя.
Если высокий выходной сигнал на контакте «FR» длится более 20 секунд во время работы двигателя, электронный блок управления считает, что цепь вывода «FR» генератора разорвана. Он запоминает код неисправности (No. 64 или P1500) и оставляет вывод «G» генератора всегда в выключенном состоянии. Генератор продолжает работать как обычный, без дополнительных выводов.
Вывод генератора FR
При включенном силовом транзисторе регулятора напряжения в обмотке возбуждения протекает ток, и генератор активно вырабатывает электрическую энергию. Когда силовой транзистор выключается, электрическая энергия, вырабатываемая генератором, быстро уменьшается. Таким образом, величина тока на выходе генератора зависит от соотношения времени включенного и выключенного состояния силового транзистора, чем больше он включен, тем больше ток (ON duty).
Напряжение на выводе FR низко, при включенном транзисторе (ON), и высокое при выключенном (OFF) транзисторе, поэтому, чем больше он включен, тем ниже напряжение. Поэтому, рабочий режим силового транзистора регулятора напряжения или выходной ток генератора может быть определен по величине напряжения на выводе FR генератора.
Вывод генератора G
Блок управления engine-ECU ограничивает ток генератора, изменяя проводимость между выводом генератора G и «массой» (duty control).
В случае, когда нужно снизить нагрузку на генератор изменяется проводимость между выводом генератора G и «массой» в диапазоне от 0% до 100% (duty control)
При отсутствии проводимости между выводами G и «массой» (100% duty), транзистор Tr1 остается всегда во включенном состоянии и никак не влияет на работу реле-регулятора и генератора. Работа реле-регулятора ничем не отличается от обычного генератора без выводов FR и G.
Когда вывод G соединяется с «массой» (0% duty) и транзистор Tr1 закрывается. В этом случае на диод Зенера через (верхний по схеме) диод подается напряжение с вывода S (напряжение аккумулятора примерно 12,3 В). Управляющий транзистор Tr2 открывается, а силовой транзистор Tr3 закрывается. Вследствие этого ток в обмотке возбуждения пропадает.
Что такое duty control (ШИМ)?
Если к некоторому исполнительному механизму (например, электромагнитному клапану, электродвигателю и др.) подается энергия, путём достаточно быстрого переключения между состояниями “ON” и “OFF” то, изменяя длительность импульса в течение, которого подаётся напряжение питания можно управлять усилием, создаваемым этим механизмом. В электротехнике для этого метода управления употребляют термин Duty Control (Широтно-импульсная модуляция – ШИМ).
На рисунке показано напряжение на выводе G генератора. Когда транзистор закрыт, то напряжение на выводе G будет высокого уровня, а когда открыт, то низкого. Возможны три различных случая (A), (B) и (C), когда длительность ON и OFF периодов одинаковая, длительность ON периода больше периода OFF и когда длительность ON периода меньше периода OFF.
Соотношение между периодами характеризуется коэффициентом заполнения (duty ratio):
Коэффициент заполнения, рассчитанный на основе времени выключенного состояния называется OFF duty
Как проверить генератор
Проверка падения напряжения в силовой цепи генератора
Этот тест проводится для определения состояния соединительного провода между выводом генератора В и плюсовой клеммой аккумуляторной батареи (включая плавкую вставку).
1. Перед выполнением теста проверьте следующее:
• крепление генератора
• натяжение приводного ремня
• плавкую вставку
• отсутствие посторонних шумов генератора при работе двигателя.
2. Поверните ключ замка зажигания в положение “LOCK” (выключено).
3. Отсоедините провод от отрицательной клеммы аккумуляторной батареи.
4. Отсоедините провод от вывода В генератора и подсоедините амперметр постоянного тока с диапазоном измерений 0-150 А последовательно между выводом В и отсоединенным от генератора проводом (подсоедините + амперметра к выводу В, а затем – к отсоединенному проводу).
ПРИМЕЧАНИЕ. Желательно использование амперметра с индуктивным датчиком («токовыми клещами»), который позволяет производить измерение силы тока без отсоединения провода от клеммы В.
5. Подсоедините цифровой вольтметр между выводом В генератора и + аккумуляторной батареи.
6. Подсоедините провод отрицательной клеммы аккумуляторной батареи обратно.
7. Подсоедините тахометр или MUT-II/III.
8. Оставьте капот открытым.
9. Запустите двигатель.
10. Поддерживая частоту вращения двигателя 2,500 об/мин, включайте и выключайте фары головного света и фонари наружного освещения таким образом, чтобы добиться значения силы тока чуть более 30 А. Постепенно снижайте частоту вращения двигателя пока ток не станет равным 30 А и одновременно снимите показания вольтметра.
Предельное допустимое значение : не более 0.3 В
ПРИМЕЧАНИЕ
Если не удается снизить значение тока отдачи генератора до 30 А, то установите значение 40 А. Снимите показания вольтметра. При токе 40 А предельное значение падения напряжения составляет 0,4 В.
11. Если показания вольтметра превышают предельно допустимое значение, то, вероятно возникла неисправность в цепи, идущей от клеммы В генератора. В этом случае следует проверить цепи между выводом В генератора и клеммой + аккумуляторной батареи (включая плавкую вставку). Если крепление провода к выводу генератора ослабло, или изоляция проводов в жгуте поменяла свой цвет вследствие перегрева, то устраните неисправность, и проведите повторную проверку.
12. После проверки дайте поработать двигателю на холостом ходу.
13. Выключите все наружное освещение и зажигание.
14. Отсоедините тахометр или MUT-II/III.
15. Отсоедините отрицательный провод от аккумуляторной батареи.
16. Отсоедините амперметр и вольтметр.
17. Подсоедините штатный провод к выводу В генератора.
18. Подсоедините отрицательный провод к аккумуляторной батарее.
Проверка тока отдачи генератора
Данный тест определяет, соответствует ли ток отдачи номинальному значению.
1. Перед выполнением теста проверьте следующее:
• крепление генератора
• аккумуляторную батарею
ПРИМЕЧАНИЕ Аккумуляторная батарея должна быть немного разряжена. С полностью заряженной батареей трудно обеспечить необходимую электрическую нагрузку.
• натяжение приводного ремня
• плавкую вставку
• отсутствие посторонних шумов генератора при работе двигателя.
2. Поверните ключ замка зажигания в положение “LOCK” (выключено).
3. Отсоедините провод от отрицательной клеммы аккумуляторной батареи.
4. Отсоедините провод от вывода В генератора и подсоедините амперметр постоянного тока с диапазоном измерений 0-150 А последовательно между выводом В и отсоединенным от генератора проводом (подсоедините + амперметра к выводу В, а затем – к отсоединенному проводу).
Внимание Для подключения к электрической цепи не используйте зажимы-прищепки типа «крокодил». Используйте для этого имеющиеся резьбовые соединители. В противном случае возможна серьезная неисправность из-за большого значения протекающего по цепи тока.
ПРИМЕЧАНИЕ Желательно использование амперметра с индуктивным датчиком («токовыми клещами»), который позволяет производить измерение силы тока без отсоединения провода от клеммы В.
Подсоедините вольтметр с пределом измерений 0-20 В между выводом В генератора и «массой» автомобиля.
6. Подсоедините провод отрицательной клеммы аккумуляторной батареи обратно.
7. Подсоедините тахометр или MUT-II/III.
8. Оставьте капот открытым.
9. Вольтметр должен показывать напряжение аккумуляторной батареи.
ПРИМЕЧАНИЕ. Если вольтметр показывает 0 В, то вероятной причиной является обрыв токового провода или плавкой вставки между выводом В генератора и + аккумуляторной батареи.
10. Включите фары, а затем запустите двигатель.
11. Сразу после включения дальнего света фар и максимальной скорости вентилятора отопительной установки увеличьте частоту вращения двигателя до 2500 об/мин и снимите максимальные показания амперметра.
Предельное допустимое значение : не менее 70% от номинального.
ПРИМЕЧАНИЕ
• номинальное значение тока отдачи генератора приведено в параграфе Характеристики генераторной установки или на шильдике генератора.
• Так как ток зарядки аккумуляторной батареи быстро снижается после запуска двигателя, то для определения максимальной силы ток отдачи генератора тест следует проводить как можно быстрее.
• Значение тока отдачи генератора зависит от включенной электрической нагрузки и температуры генератора.
• Если во время теста не удалось создать необходимую электрическую нагрузку, то значение силы тока отдачи генератора может оказаться ниже приведенного значения даже при полностью исправном генераторе. В этом случае попытайтесь разрядить аккумуляторную батарею, включив на некоторое время фары (при остановленном двигателе), или подключите электросистему наружного освещения другого автомобиля, после чего выполните проверку повторно.
• Если температура генератора или окружающего воздуха слишком высокая, то ток отдачи генератора может оказаться меньше установленного значения. В таком случае дайте генератору остыть и повторите тест.
12. Значение силы тока отдачи генератора должно быть выше предельно допустимого значения. Если ток отдачи генератора меньше предельно допустимого значения, и цепь вывода В исправна, то снимите генератор с автомобиля и определите причины его неисправности.
13. После проверки дайте поработать двигателю на холостом ходу.
14. Поверните ключ замка зажигания в положение “LOCK” (Выключено). Отсоедините тахометр или MUT-II/III.
15. Отсоедините отрицательный провод от аккумуляторной батареи.
17. Отсоедините амперметр и вольтметр.
18. Подсоедините отрицательный провод к аккумуляторной батарее
Как проверить реле-регулятор напряжения генератора автомобиля
Данная проверка определяет, правильно ли регулятор напряжения управляет выходным напряжением генератора.
1. Перед выполнением теста проверьте следующее:
• крепление генератора
• убедитесь, что аккумуляторная батарея полностью заряжена
• натяжение приводного ремня
• плавкую вставку
• отсутствие посторонних шумов генератора при работе двигателя.
2. Поверните ключ замка зажигания в положение “LOCK” (выключено).
3. Отсоедините провод от отрицательной клеммы аккумуляторной батареи.
4. С помощью жгута проводов для испытания генератора (MB991519) подсоедините цифровой вольтметр между выводом S и «массой» автомобиля. (Подсоедините + вольтметра к выводу S, а – вольтметра к точке, имеющей надежное соединение с «массой»).
5. Отсоедините провод от вывода В генератора и подсоедините амперметр постоянного тока с диапазоном измерений 0-150 А последовательно между выводом В и отсоединенным от генератора проводом (подсоедините + амперметра к выводу В, а затем – к отсоединенному проводу).
ПРИМЕЧАНИЕ
Желательно использование амперметра с индуктивным датчиком («токовыми клещами»), который позволяет производить измерение силы тока без отсоединения провода от клеммы В.
6. Подсоедините провод отрицательной клеммы аккумуляторной батареи обратно.
7. Подсоедините тахометр или MUT-II/III.
8. Поверните ключ замка зажигания в положение ON (ВКЛ). При этом вольтметр должен показывать напряжение аккумуляторной батареи.
ПРИМЕЧАНИЕ
Если вольтметр показывает 0 В, то вероятной причиной является обрыв токового провода или плавкой вставки между выводом В генератора и + аккумуляторной батареи.
9. Выключите все приборы освещения и прочие потребители электрического тока.
10. Запустите двигатель.
11. Установите частоту вращения двигателя 2500 об/мин.
12. Запишите показания вольтметра, когда ток генератора станет равным или меньше 10 А.
13. Если измеренное значение соответствует номинальным значениям, то регулятор исправен, а если нет, то неисправен сам генератор или регулятор напряжения.
14. После проверки дайте поработать двигателю на холостом ходу.
15. Поверните ключ замка зажигания в положение “LOCK” (Выключено).
16. Отсоедините тахометр или MUT-II/III.
17. Отсоедините отрицательный провод от аккумуляторной батареи.
18. Отсоедините амперметр и вольтметр.
19. Подсоедините штатный провод к выводу В генератора.
20. Отсоедините жгут проводов для испытания генератора (MB991519) и соедините разъем генератора.
21. Подсоедините отрицательный провод к аккумуляторной батарее.
Регулируемое напряжение генератора. Номинальное значение:
Проверка генератора осциллографом
Подсоедините щуп осциллографа к выводу В генератора.
Стандартная форма сигнала генератора
ПРИМЕЧАНИЕ
Кривая напряжения на выводе В генератора может изменяться волнообразно, как показано на рисунке ниже.
Это не является неисправностью генератора. Такая форма связана с работой реле-регулятора при изменении тока нагрузки генератора. Если амплитуда колебаний напряжения достигает значительной величины (2 В или более на холостом ходу), то это указывает на обрыв цепи генератора из-за перегорания предохранителя между выводом В генератора и аккумуляторной батареей, а не неисправность самого генератора.
Примеры сигнала неисправного генератора автомобиля
Предыдущая тема: Аккумулятор автомобиля
Следующая тема: Скоро появится
