Многие хозяева рано или поздно начинают задумываться об альтернативных источниках энергии. Предлагаем рассмотреть, что такое автономный бестопливный генератор Тесла, Хендершота, Романова, Тариеля Канападзе, Смита, Бедини, принцип работы агрегата, его схема и как сделать устройство своими руками.

ОБЗОР ГЕНЕРАТОРОВ

При использовании безтопливного генератора, двигатель внутреннего сгорания не требуется, поскольку устройство не должно преобразовывать химическую энергию топлива в механическую, для выработки электроэнергии. Данный электромагнитный прибор работает таким образом, что электричество, вырабатываемое генератором рециркулируют обратно в систему по катушке.

Фото — Генератор Капанадзе

Обычные электрогенераторы работают на основе:
1. Двигателя внутреннего сгорания, с поршнем и кольцами, шатуном, свечами, топливным баком, карбюратором, ... и
2. С использованием любительских двигателей, катушек, диодов, AVR, конденсаторами и т.д.

Двигатель внутреннего сгорания в бестопливных генераторах заменен электромеханическим устройством, которое принимает мощность от генератора и используя такую ​​же, преобразует её в механическую энергию с эффективностью более 98%. Цикл повторяется снова и снова. Таким образом, концепция здесь заключается в том, чтобы заменить двигатель внутреннего сгорания, который зависит от топлива с электромеханическим устройством.

Фото — Схема генератора

Механическая энергия будет использоваться для приведения в действие генератора и получения тока, создаваемого генератором для питания электромеханического прибора. Генератор без топлива, который используется для замены двигателя внутреннего сгорания, сконструирован таким образом, что использует меньше энергии на выходе мощности генератора.

Видео: самодельный бестопливный генератор

ГЕНЕРАТОР ТЕСЛА

Линейный электрогенератор Тесла является основным прототипом рабочего прибора. Патент на него был зарегистрирован еще в 19 веке. Главным достоинством прибора является то, что его можно построить даже в домашних условиях с использованием солнечной энергии. Железная или стальная пластина изолируется внешними проводниками, после чего она размещается максимально высоко в воздухе. Вторую пластину размещаем в песке, земле или прочей заземленной поверхности. Провод запускается из металлической пластины, крепление производится с конденсатором на одной стороне пластины и второй кабель идет от основания пластины к другой стороне конденсатора.

Фото — Бестопливный генератор тесла

Такой самодельный бестопливный механический генератор свободной энергии электричества в теории полностью работающий, но для реального осуществление плана лучше использовать более распространенные модели, к примеру изобретателей Адамса, Соболева, Алексеенко, Громова, Дональда, Кондрашова, Мотовилова, Мельниченко и прочих. Собрать рабочий прибор можно даже при перепланировке какого-либо из перечисленных устройств, это выйдет дешевле, нежели самому все подсоединять.

Кроме энергии Солнца, можно использовать турбинные генераторы, которые работают без топлива на энергии воды. Магниты полностью покрывают вращающиеся металлические диски, также к прибору добавляется фланец и самозапитанный провод, что значительно снижает потери, благодаря этому данный теплогенератор работает более эффективно, чем солнечный. Из-за высоких асинхронных колебаний этот ватный бестопливный генератор страдает от вихревой электроэнергии, так что его нельзя использовать в автомобиле или для питания дома, т.к. на импульсе могут сгореть двигатели.

Фото — Бестопливный генератор Адамса

Но гидродинамический закон Фарадея также предлагает использовать простой вечный генератор. Его магнитный диск разделен на спиральные кривые, которые излучают энергию из центра к внешнему краю, уменьшая резонанс.

В данной высоковольтной электрической системе, если есть два витка рядом расположенных, электроток передвигается по проводу, ток, проходящий через петлю, будет создавать магнитное поле, которое будет излучаться против тока, проходящего через вторую петлю, создавая сопротивление.

КАК СДЕЛАТЬ ГЕНЕРАТОР

Существует два варианты выполнения работы.

Ответственность за подачу электроэнергии к источникам потребления в транспортном средстве с двигателем внутреннего сгорания лежит на генераторе. Без него практически невозможно представить современный мотоцикл или автомобиль. В статье мы раскроем принцип работы генератора, основные его узлы и элементы.

Когда водитель проворачивает ключ зажигания, электрическая энергия подается на стартер. Этот прибор в первые секунды работы автомобиля является единственным, кто питается от аккумулятора (АКБ) и помогает вращать коленвал. После запуска силовой установки вращение двигателя через ременную передачу передается на генератор.

Практически сразу же аккумулятор из источника превращается в потребителя энергии и начинает возвращать себе заряд. Теперь генератор при работающем моторе становится источником электричества.

Принцип работы автомобильного генератора заключается в том, что он получает механическую энергию вращения от двигателя и превращает в электрическую энергию.

При отсутствии этого прибора в автомобилях не хватало бы на длительную работу. Но с генератором получается не только отсутствие разрядки, но и процесс подзарядки. Мощности его хватает на работу всех установленных электроприборов, влияющих на работоспособность машины, а также повышающих комфорт водителя и пассажиров.

Когда в автомобиле одновременно запускается несколько энергоемких потребителей, то мощности генератора может не хватать, в таком случае на помощь ему приходит аккумулятор. Благодаря такой связанной системе потребитель не замечает неудобств, а оба прибора создают оптимальный вариант работы электроузлов в машине.

Требования по автогенератору

Устройство и принцип работы генератора накладывают не наго определенные обязательства по выполнению своих функций. Основные требования состоят из таких пунктов:

1. одновременное и бесперебойное снабжение электричеством необходимые узлы, а также зарядка АКБ;
2. во время работы мотора на низких оборотах не должно происходить существенного отбора заряда у АКБ;
3. уровень напряжения в сети должен быть стабилен;
4. генератор должен быть прочным, надежным, с низким уровнем шума и не создавать радиопомехи.

Крепление и привод устройства

Привод во всех автомобилях имеет стандартный вид: шкив, установленный на коленчатом валу, через ременную передачу соединен со шкивом на валу ротора устройства. Размеры шкивов в передаче устанавливаются из необходимости получения заданного числа оборотов на генераторе.

Крепление на блоке

В современных автомобилях использую поликлиновые ремни. С их помощью можно передавать большее количество оборотов на ротор генератора.

Аппарат крепится к корпусу блока в подкапотном пространстве. Там же устанавливается натяжитель для ремня. Он необходим для установления качественной передачи вращения, чтобы исключать проскальзывание ремня по шкиву. В противном случае электричество переключится на использование АКБ, что приведет к его полной и незаметной разрядке.

Принято выделять две группы конструктивно отличающихся генераторов:

1. устройства с вентилятором рядом с приводным шкивом принято считать традиционной конструкцией;
2. конструкция, в которой установлены два вентилятора в корпусе аппарата, считается более новой и относится к компактным устройствам.

Устройство генератора

Основными частями любого генератора являются неподвижный блок – статор и вращающийся элемент конструкции – ротор. В статоре находится обмотка из медных проводов. Он с двух сторон зафиксирован крышками, как правило, из легких алюминиевых сплавов. Со стороны крепления шкива – передняя крышка, а со стороны щеток – задняя.

С задней части к щеточному механизму устанавливается регулятор напряжения. Там же расположен выпрямительный блок. Крышки фиксируют статор и крепятся между собой с помощью нескольких винтов. Лапы, с помощью которых генератор закреплен на корпусе автомобиля, отливаются вместе с крышками. Таким же образом получается натяжное ухо.

В отверстии одной из лап может быть установлена втулка, которая помогает отрегулировать установку генератора на кронштейн, выбирая необходимый зазор. Также ухо натяжного механизма снабжается несколькими отверстиями для установки аппарата на автомобили различных марок.

Статор

То, как работает генератор, зависит от качественного выполнения своих функций каждого их блоков. Основа статора набирается из одинаковых листовых стальных элементов толщиной до 1 мм. Если основа статора (пакет из пластин) сделана с помощью навивки, то ярмо блока содержит выступы, располагающиеся под пазами. За такие выпуклости проводится фиксация слоев обмотки. Также выступы помогают лучшему охлаждению всей конструкции.

Статор генератора

Почти во всех генераторах число пазов одинаковое. Их, как правило, в серийных авто 36. Изоляция проводится между ними с помощью эпоксидного изолятора.

Ротор

Для автомобильных генераторов основной отличительной чертой является полюсное устройство роторов. Обмотка этого узла закрыта двумя штампованными металлическими чашеобразными половинами, с выступающими клювообразными лепестками. Они фиксируются на валу, как бы обхватывая обмотку этими лепестками.

На валу устанавливаются подшипники, один из концов вала имеет резьбу со шпоночным пазом и посадочную поверхность под шкив.

Ротор генератора

Щеточный узел

В этом блоке установлены скользящие контакты. В автогенераторах принять использовать два вида щеток:

• электрографитные;
• меднографитные.

В первом случае наблюдается периодическое снижение напряжения при контактах с кольцом. Это приводит к некачественной работе генератора, подающего в такой ситуации нестабильное напряжение. Однако, у них есть и положительный эффект, ведь происходит меньший износ, в отличие от медных.

Выпрямительные блоки

Есть два основных типа выпрямительных узлов:

1. в первом случае – в пластины-теплоотводы проводится запрессовка диодов;
2. во втором случае – используются конструкционные ребра, в которых диоды паяются к теплоотводам.

Пластины теплоотводов

Замыкание таких пластин очень опасно для всего автомобиля. Виной такому происшествию – загрязнение, попавшее между пластинками. Оно может оказаться токопроводящим и замкнуть положительную сторону электропроводки с отрицательной.

Замыкание между пластинами может привести к пожару в автомобиле.

Чтобы избежать такого развития событий, на производстве проводится индивидуальное покрытие каждой пластины изоляционным слоем.

Подшипники

В конструкции используются шариковые подшипники. При производстве генераторов они получают смазочный материал на весь эксплуатационный срок. Американскими автопроизводителями иногда используются роликовые подшипники. Посадка со стороны контактной группы обычно «с натягом», а со стороны шкива применяется скользящая посадка. Обратная логика используется при установке в посадочные места крышки.

Демонтаж подшипников генератора

Проворот со стороны контактной группы наружной обоймы подшипника приводит к выходу из строя этой сопрягающейся пары (подшипник/крышка).

Так, ротор может задевать статор. Чтобы избежать этого, часто ставят дополнительные уплотнения в крышку: пластиковая втулка, резиновое кольцо.

Охлаждение генератора

Понижение рабочей температуры осуществляется с помощью, установленных на валу ротора вентиляторов. Традиционная конструкция предполагает подачу воздуха на крышку устройства со стороны контактной группы. При внешнем расположении щеточного узла подача охлаждения проводится через защитный кожух, закрывающий контакты со щетками.

Автомобили с компактной расстановкой узлов под капотом часто оснащаются генератором со специальным дополнительным кожухом. Поступление холодного заборного воздуха обеспечивается через его прорези. В генераторах с компактной конструкцией охлаждение проводится с обеих сторон крышек за счет наличия двух вентиляторов.

Регулятор напряжения

Также во всех современных генераторах установлены полупроводниковые электронные регуляторы напряжения. Регулятор обеспечивает теплокомпенсацию. Напряжение, подводимое к АКБ, зависит от подкапотной температуры. Чем воздух холоднее, тем большее напряжение подается на аккумулятор.

Генератор - это устройство, которое производит продукт, вырабатывает электроэнергию либо создает электромагнитные, электрические, звуковые, световые колебания и импульсы. В зависимости от функций их можно разделить на виды, которые мы рассмотрим далее.

Генератор постоянного тока

Для того чтобы понять принцип работы генератора постоянного тока, нужно выяснить его основные характеристики, а именно зависимости главных величин, которые и определяют работу устройства в применяемой схеме возбуждения.

Основной величиной является напряжение, на которое влияет скорость вращения генератора, токовозбуждения и нагрузки.

Основной принцип работы генератора постоянного тока зависит от воздействия раздела энергии на магнитный поток основного полюса и, соответственно, от получаемого с коллектора напряжения при неизменном положении щеток на нем. У аппаратов, которые оснащены добавочными полюсами, элементы располагаются таким образом, чтобы токораздел полностью совпадал с геометрической нейтральностью. Благодаря этому, он будет смещаться по линии вращения якоря в положение оптимальной коммутации с последующим закреплением щеткодержателей в таком положении.

Генератор переменного тока

Принцип работы генератора переменного тока основан на превращении механической в электроэнергию благодаря вращению проволочной катушки в созданном магнитном поле. Это приспособление состоит из неподвижного магнита и проволочной рамки. Каждый из ее концов соединяется между собой при помощи контактного кольца, которое скользит по электропроводной угольной щетке. За счет такой схемы электрический индуцированный ток начинает переходить к внутреннему контактному кольцу в тот момент, когда половина рамки, соединяющаяся с ним, проходит мимо северного полюса магнита и, наоборот, к внешнему кольцу в тот момент, когда другая часть проходит мимо северного полюса.

Самый экономичный способ, на котором основывается принцип работы генератора переменного тока, является сильная выработка. Это явление получается за счет использования одного магнита, который вращается относительно нескольких обмоток. Если его вставить в проволочную катушку, он начнет индуцировать электрический ток, таким образом будет заставлять стрелку гальванометра отклонятся в сторону от положения «0». После того как магнит будет вынут из кольца, ток поменяет свое направление, а стрелка прибора начнет отклоняться в другую сторону.

Автомобильный генератор

Чаще всего его можно отыскать на передней части двигателя, основная часть работы заключается во вращении коленчатого вала. Новые машины могут похвастаться гибридным типом, который также выполняет и роль стартера.

Принцип работы автомобильного генератора заключается во включении зажигания, при котором ток движется по контактным кольцам и направляется к щелочному узлу, а после переходит на перемотку возбуждения. В результате такого действия будет образовано магнитное поле.

Совместно с коленчатым валом начинает свою работу ротор, который и создает волны, пронизывающие обмотку статора. Переменный ток начинает появляться на выходе перемотки. При работе генератора в режиме самовозбуждения частота вращения увеличивается до определенного значения, затем в выпрямительном блоке начинает меняться переменное напряжение на постоянное. В конечном итоге устройство будет обеспечивать потребителей необходимым электричеством, а аккумулятор - током.

Принцип работы автомобильного генератора состоит в изменении скорости коленчатого вала либо смены нагрузки, при которой включается регулятор напряжения, он управляет временем при включении перемотки возбуждения. В момент уменьшения внешних нагрузок либо увеличения вращения ротора период включения обмотки возбуждения значительно сокращается. В тот момент, когда ток увеличивается настолько, что генератор прекращает справляться, приступает к работе АКБ.

У современных автомобилей на панели приборов находится контрольная лампочка, которая и оповещает водителя про возможные отклонения в генераторе.

Электрический генератор

Принцип работы электрического генератора заключается в переработке энергии механической на электрическое поле. Основными источниками такой силы могут быть вода, пар, ветер, двигатель внутреннего сгорания. Принцип работы генератора основывается на совместном взаимодействии магнитного поля и проводника, а именно в момент вращения рамки ее начинают пересекать линии магнитной индукции, и в это время появляется электродвижущая сила. Она заставляет ток протекать по рамке при помощи контактных колец и вливаться во внешнюю цепь.

Инвентарные генераторы

На сегодняшний день становится очень популярным инверторный генератор, принцип работы которого заключается в создании автономного источника питания, производящего высококачественную электроэнергию. Такие приборы применяют как временные, а также постоянные источники питания. Чаще всего они используются в больницах, школах и иных учреждениях, где не должны присутствовать даже малейшие скачки напряжения. Всего этого можно добиться, используя инверторный генератор, принцип работы которого основан на постоянстве и проходит по такой схеме:

1. Выработка высокочастотного переменного тока.
2. Благодаря выпрямителю преобразуется полученный ток в постоянный.
3. Затем образуется накопление тока в аккумуляторах и стабилизируется колебания электроволн.
4. При помощи инвертора постоянная энергия меняется на переменный ток нужного напряжения и частоты, а затем поступает к пользователю.

Дизельный генератор

Принцип работы дизель-генератора заключается в преобразовании энергии топлива в электроэнергию, основные действия которого заключаются в следующем:

• при попадании в дизель топлива оно начинает сгорать, после чего трансформируется из химической в тепловую энергию;
• благодаря наличию кривошипно-шатунного механизма тепловая сила преобразуется в механическую, это все происходит в коленчатом вале;
• полученная энергия при помощи ротора превращается в электрическую, которая и необходима на выходе.

Синхронный генератор

Принцип работы синхронного генератора основан на одинаковой чистоте вращения магнитного поля статора и ротора, который и создает вместе с полюсами магнитное поле, и оно пересекает обмотку статора. В этом агрегате ротор - постоянный электромагнит, число полюсов которого может начинаться от 2-х и выше, но кратным они должны быть 2-м.

При запуске генератора ротор создает слабое поле, но после увеличения оборотов начинает появляться большая сила в обмотке возбуждения. Получаемое напряжение через автоматический блок регулировки поступает на устройство и контролирует выходное напряжение за счет изменений в магнитном поле. Основной принцип работы генератора заключается в высокой стабильности исходящего напряжения, а недостатком является существенная возможность перегрузок по току. Еще к негативным качествам можно добавить присутствие щеточного узла, который все равно в определенное время придется обслуживать, а это само собой влечет дополнительные финансовые затраты.

Асинхронный генератор

Принцип работы генератора заключается в постоянном нахождении в режиме торможения с ротором, который вращается с опережением, но все-таки в той же ориентации, что и магнитное поле у статора.

В зависимости от используемого типа обмотки ротор может быть фазным или короткозамкнутым. Созданное при помощи вспомогательной обмотки вращающееся магнитное поле начинает индуцировать его на роторе, которое и вращается вместе с ним. Частота и напряжение на выходе напрямую зависит от количества оборотов, так как магнитное поле не регулируется и остается неизменным.

Электрохимический генератор

Также существует электрохимический генератор, устройство и принцип работы которого заключаются в выработке из водорода электрической энергии в автомобиле для его движения и питания всех электроприборов. Этот аппарат является химическим так как он производит энергию за счет прохождения реакции кислорода и водорода, который для выработки топлива используется в газообразном состоянии.

Генератор акустических помех

Принцип работы генератора акустических помех заключается в защите организаций и физических лиц от прослушивания переговоров и различного рода мероприятий. За ними можно проследить через оконные стекла, стены, системы вентиляции, отопительные трубы, радиомикрофоны, проводные микрофоны и устройства лазерного съема полученной акустической информации с окон.

Поэтому фирмы очень часто для защиты своей конфиденциальной информации используют генератор, устройство и принцип работы которого заключается в настройке аппарата на заданную частоту, если она известна, либо на определенный диапазон. Затем создается универсальная помеха в виде шумового сигнала. Для этого в самом аппарате находится генератор шума нужной мощности.

Также существуют и генераторы, которые находятся в шумовом диапазоне, благодаря которым можно замаскировать полезный звуковой сигнал. В этот комплект входит блок, который и формирует шум, а также его усиления и акустические излучатели. Основным недостатком использования таких устройств являются помехи, которые появляются при проведении переговоров. Для того чтобы аппарат справлялся полностью со своей работой, переговоры стоит проводить всего лишь в течение 15 минут.

Регулятор напряжения

Основной принцип работы регулятора напряжения основывается на поддерживании энергии бортовой сети во всех режимах работы при разнообразном изменении частоты поворотов ротора генератора, температуры внешней среды и электрической нагрузки. Этот прибор также может выполнять и второстепенные функции, а именно защищать части генераторной установки от возможного аварийного режима установки и перегрузки, автоматически подключать в бортовую систему цепь обмотки возбуждения либо сигнализацию аварийной работы устройства.

Все такие приборы работают по одному принципу. Напряжение в генераторе определяется несколькими факторами - силой тока, частотой вращения ротора и величиной магнитного потока. Чем меньше нагрузка на генератор и выше частота вращения, тем будет больше напряжение устройства. Благодаря большему току в обмотке возбуждения начинает увеличиваться магнитный поток, а с ним и напряжение в генераторе, а после того, как уменьшается ток, становится меньшим и напряжение.

Независимо от производителя таких генераторов, все они нормализуют напряжение изменением тока возбуждения одинаково. При возрастании либо уменьшении напряжения начинает увеличиваться либо уменьшаться ток возбуждения и проводить напряжение в необходимые пределы.

В повседневной жизни использование генераторов очень помогает человеку в решении множества возникающих вопросов.

Электрическим генератором называется машина или установка, предназначенная для преобразования энергии неэлектрической — в электрическую: механической — в электрическую, химической — в электрическую, тепловой — в электрическую и т. д. Сегодня в основном, произнося слово «генератор», мы имеем ввиду преобразователь механической энергии - в электрическую.

Это может быть дизельный или бензиновый переносной генератор, генератор атомной электростанции, автомобильный генератор, самодельный генератор из асинхронного электродвигателя, или тихоходный генератор для маломощного ветряка. В конце статьи мы рассмотрим в качестве примера два наиболее распространенных генератора, но сначала поговорим о принципах их работы.

Так или иначе, с физической точки зрения принцип работы каждого из механических генераторов — один и тот же: , когда при пересечении линиями магнитного поля проводника - в этом проводнике возникает ЭДС индукции. Источниками силы, приводящей к взаимному перемещению проводника и магнитного поля, могут быть различные процессы, однако в результате от генератора всегда нужно получить ЭДС и ток для питания нагрузки.

Принцип работы электрического генератора — Закон Фарадея

Принцип работы электрического генератора был открыт в далеком 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем. Позже этот принцип назвали законом Фарадея. Он заключается в том, что при пересечении проводником перпендикулярно магнитного поля, на концах этого проводника возникает разность потенциалов.

Первый генератор был построен самим Фарадеем согласно открытому им принципу, это был «диск Фарадея» - униполярный генератор, в котором медный диск вращался между полюсами подковообразного магнита. Устройство давало значительный ток при незначительном напряжении.

Позже было установлено, что отдельные изолированные проводники в генераторах проявляют себя гораздо эффективнее с практической точки зрения, чем сплошной проводящий диск. И в современных генераторах применяются теперь именно проволочные обмотки статора (в простейшем демонстрационном случае — виток из проволоки).

Генератор переменного тока

В подавляющем своем большинстве современные генераторы — это синхронные генераторы переменного тока. У них на статоре располагается якорная обмотка, от которой и отводится генерируемая электрическая энергия. На роторе располагается обмотка возбуждения, на которую через пару контактных колец подается постоянный ток, чтобы получить вращающееся магнитное поле от вращающегося ротора.

За счет явления электромагнитной индукции, при вращении ротора от внешнего привода (например от ДВС), его магнитный поток пересекает поочередно каждую из фаз обмотки статора, и таким образом наводит в них ЭДС.

Чаще всего фаз три, они смещены физически на якоре друг относительно друга на 120 градусов, так получается трехфазный синусоидальный ток. Фазы можно соединить по схеме «звезда» либо «треугольник», чтобы получить .

Частота синусоидальной ЭДС f пропорциональна частоте вращения ротора: f = np/60, где — p - число пар магнитных плюсов ротора, n - количество оборотов ротора в минуту. Обычно максимальная скорость вращения ротора — 3000 оборотов в минуту. Если подключить к обмоткам статора такого синхронного генератора трехфазный выпрямитель, то получится генератор постоянного тока (так работают, кстати, все автомобильные генераторы).

Трехмашинный синхронный генератор

Конечно, у классического синхронного генератора есть один серьезный минус — на роторе располагаются контактные кольца и щетки, прилегающие к ним. Щетки искрят и изнашиваются из-за трения и электрической эрозии. Во взрывоопасной среде это не допустимо. Поэтому в авиации и в дизель-генераторах более распространены бесконтактные синхронные генераторы, в частности — трехмашинные.

У трехмашинных устройств в одном корпусе установлены три машины: предвозбудитель, возбудитель и генератор — на общем валу. Предвозбудитель — это синхронный генератор, он возбуждается от постоянных магнитов на валу, генерируемое им напряжение подается на обмотку статора возбудителя.

Статор возбудителя действует на обмотку на роторе, соединенную с закрепленным на ней трехфазным выпрямителем, от которого и питается основная обмотка возбуждения генератора. Генератор генерирует в своем статоре ток.

Газовые, дизельные и бензиновые переносные генераторы

Сегодня очень распространены в домашних хозяйствах , которые в качестве приводных двигателей используют ДВС — двигатель внутреннего сгорания, передающий механическое вращение на ротор генератора.

У генераторов на жидком топливе имеются топливные баки, газовым генераторам — необходимо подавать топливо через трубопровод, чтобы затем газ был подан в карбюратор, где превратится в составную часть топливной смеси.

Во всех случаях топливная смесь сжигается в поршневой системе, приводя во вращение коленвал. Это похоже на работу автомобильного двигателя. Коленвал вращает ротор бесконтактного синхронного генератора (альтернатора).

Андрей Повный

Варианты систем «двигатель внутреннего сгорания - генератор»

Такие системы применяются на транспортных средствах с тяговым электроприводом. В последнее время на транспорте, кроме тягового электропривода постоянного тока, широко применяются тяговые асинхронные, синхронные и вентильные электроприводы. Использование вращающегося преобразователя энергии - генератора, в частности, в составе автотранспортных средств обусловлено тем, что статические преобразователи непригодны для отбора механической мощности с вала двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

В качестве примера на рис. 1.23 представлена принципиальная схема системы «генератор постоянного тока независимого возбуждения - двигатель постоянного тока последовательного возбуждения».

На валу ДВС расположен генератор Г и возбудитель В, вырабатывающий ток возбуждения генератора. Валы электродвигателя М и исполнительного механизма ИМ соединены механически. Якорные цепи генератора и электродвигателя - электрически. Переключатель К меняет соединение ОВД на обратное, тем самым обеспечивая изменение направление вращения (реверс) электродвигателя М.

Величины токов возбуждения и, соответственно, магнитных потоков электрических машин регулируются сопротивлениями Я рвг и Л швд. Выходное напряжение генератора Г зависит как от угловой скорости его вращения со г, так и от величины тока возбуждения 1 вг. Семейство механических характеристик системы «генератор - двигатель» имеет две зоны (рис. 1.24).

В первой зоне сопротивление Я швд равно бесконечности. Электродвигатель работает при максимальном магнитном потоке Ф дв. Регулирование происходит за счет изменения выходного напряжения генератора и, от нуля до номинального значения. Во второй зоне система работает при номинальном значении выходного напряжения

Рис. 1.23.

тока последовательного возбуждения:

ИМ - исполнительный механизм; ДВС - двигатель внутреннего сгорания; Г - генератор; ОВГ - обмотка возбуждения генератора; Н. рвг - добавочное сопротивление в цепи возбуждения генератора, Ом; М - двигатель постоянного тока; ОВД - обмотка возбуждения двигателя; Я швд - шунтирующее сопротивление обмотки возбуждения двигателя, Ом; В - возбудитель; К - переключатель обмотки возбуждения двигателя; 1 Я - ток якоря, А; 1 вд - ток возбуждения двигателя, А;

1 Ш - ток шунта, А; 1 вг - ток возбуждения генератора, А

Д-я зона Фд = У а2

> и г =у а2

Рис. 1.24. Семейство механических характеристик «генератор - двигатель»

и г = и гн. Регулирование скорости происходит за счет изменения магнитного потока электродвигателя Ф дв.

Уравнение механической характеристики для этой системы имеет следующий вид:

/ к овд -К-швд р, р 4

К яд + К яг

У^-ОВД +К-ШВД

• (кФдв) 2
• (1.60)

где Е - электродвижущая сила генератора, В;

М - момент двигателя, Нм;

Я 0 вд - сопротивление обмотки возбуждения двигателя, Ом;

К яд - сопротивление якоря двигателя, Ом;

Я яг - сопротивление якоря генератора, Ом.

Общий диапазон регулирования скорости в разомкнутой системе «генератор - двигатель» не превышает значения О = 16:1.

Принципиальная электрическая схема, представленная на рис. 1.25, дает общее представление о работе системы «генератор - двигатель». Во всех учебниках по электроприводу генератор приводится в движение асинхронным двигателем, включенным в трехфазную сеть переменного тока. При современном уровне полупроводниковой техники достаточно включить между сетью питания и асинхронным двигателем преобразователь частоты - напряжения, чтобы получить требуемые механические характеристики электропривода. Систему «генератор - двигатель» можно исключить. Однако существует перспективная область применения системы «генератор - двигатель» в автотранспортных средствах с тяговым электроприводом, где генератор приводится от двигателя внутреннего сгорания, который входит в состав общей схемы регулирования. В них применяется объединенное регулирование двигателя внутреннего сгорания и тягового электропривода. Рассмотрим некоторые из подобных систем.

Установки «двигатель внутреннего сгорания - генератор» являются основным источником питания автотранспортного средства с тяговым электроприводом. Основной вид двигателя внутреннего сгорания - дизели.

Основные требования к регулированию системы «двигатель внутреннего сгорания - генератор»: полное использование максимальной мощности двигателя внутреннего сгорания независимо от включения - выключения вспомогательных нагрузок, изменения температуры и давления окружающего воздуха и других факторов; отсутствие перегрузки двигателя внутреннего сгорания в статических и динамических режимах; возможность получения частичных режимов по мощности; экономичность работы двигателя внутреннего сгорания во всех режимах; минимум дымления и вредных выбросов; работа в благоприятных для двигателя внутреннего сгорания зонах; снижение уровня шума на частичных режимах.

Регулирование при работе генератора с постоянной скоростью

Как правило двигатель внутреннего сгорания работает с постоянной скоростью на автотранспортном средстве с резко переменной нагрузкой (тракторы с тяговым электроприводом, танки, грейдеры, скреперы). Возможны варианты использования двигателя внутреннего сгорания - генератора в качестве электростанции в системе дополнительной энергетики на сверхтяжелых автотранспортных средствах.

Функциональная схема регулирования «двигатель внутреннего сгорания - генератор» с постоянной скоростью представлена на рис. 1.25.

Блок управления возбуждением представляет собой многоканальное устройство сравнения. Сравниваются мощность, ток, напряжение, скорость вращения. На основании соотношений вырабатывается сигнал управления дельта (А).

Увеличение мощности сопровождается небольшим снижением скорости, и наоборот. Резкое увеличение нагрузки приводит к добавлению инерционной составляющей и увеличению суммарного крутящего момента двигателя внутреннего сгорания.

Величина тока ограничивается значением 1 зад, мощность - Р зад и напряжение - и зад.

На рис. 1.26 представлены выходные характеристики синхронного генератора при различных токах возбуждения.

Регулирование осуществляется по принципу:

пусть Р зад Т; Р зад - Рос >0; Л>0; 1 ВСГ Т, Р 0С Т-

Если увеличилась Р ос, то картина противоположна. Канал регулирования мощности является основным, другие каналы работают как ограничительные по заданным току, напряжению, скорости. Пусть Рзад = const, оказалось, что 1 ос больше, чем 1 зад. Дельта становится меньше нуля, 1 всг уменьшается, Р ос уменьшается. Отсечка по напряжению реализуется аналогично. Пусть Р зад = const, оказалось что п ос

Рис. 1.25.

ОВВГ - обмотка возбуждения вспомогательного генератора; ТД - тепловой двигатель; ДЧВ - датчик частоты вращения; ВГ - вспомогательный генератор; СГ - синхронный генератор; УВ - управляемый выпрямитель; ВИ - датчик напряжения; ВА - датчик тока; УМ - умножитель; БУВ - блок управления возбуждением; ПХ - педаль хода; ТЭД - тяговый электродвигатель; Р зад - мощность задания, Вт; 1 зад - ток задания А; и зад - напряжение задания. В; Р ос - мощность обратной связи, Вт; 1 ос - ток обратной связи, A; U oc - напряжение обратной связи, В; 1 всг - ток возбуждения синхронного генератора, А; п ос - скорость обратной связи, об/мин

Рис. 1.26.

Достоинства системы: схема всегда готова к приему максимальной мощности; просто реализована защита от перегрузки дизеля при изменении внешних условий:

]^шах = +Р /т

где ДМ ном - потери на привод вспомогательных механизмов;

ДТ^ен - мощность собственных нужд двигателя внутреннего сгорания;

Р г - мощность генератора.

Высокая приемистость автотранспортного средства; малое дымление при приеме также являются достоинствами.

Недостатки: высокий расход топлива на частичных режимах, снижение долговечности двигателя; высокий уровень шума на частичных режимах.

Регулирование при работе генератора

с переменной скоростью

Регулирование угловой скорости может вестись плавно и ступенчато. Задача регулирования в том, чтобы на частичных режимах мощность и скорость вращения теплового двигателя соответствовали возможно меньшему удельному расходу топлива.

На основании данных об удельном расходе топлива строят линию наибольшей экономичности (ЛНЭ). Эта линия проходит через точку максимальной мощности и через зоны наименьшего расхода топлива.

Функциональная схема системы регулирования при работе двигателя внутреннего сгорания с переменной угловой скоростью представлена на рис. 1.27.

Обозначения в схеме такие же, как для рис. 1.25.

ФП - функциональный преобразователь, формирует сигнал управления в соответствии с ЛНЭ.

Семейство выходных характеристик генератора при различных уровнях мощности, напряжения и тока представлены на рис. 1.28.

Работа каналов происходит аналогично ранее рассмотренной.

Достоинства системы: реализовано регулирование по линии наибольшей экономичности; обеспечена защита от перегрузки двигателя внутреннего сгорания; снижен уровень шума на частичных режимах; повышенная долговечность двигателя внутреннего сгорания.

Рис. 1.27.

Рис. 1.28.

Недостатки системы: величина Р зад не учитывает изменение собственных нужд двигателя внутреннего сгорания, и мощность не всегда отбирается полностью; повышенный расход топлива и дымление при увеличении нагрузки.

Объединенное регулирование двигателя внутреннего сгорания и генератора

На рис. 1.29 представлена функциональная схема объединенного регулирования двигателя внутреннего сгорания и генератора.

При перемещении рейки топливного насоса высокого давления меняется индуктивность обмотки и появляется сигнал Я ос.

Для наиболее точного определения состояния двигателя, то есть возможности отдачи максимальной мощности и получения экономичной работы, устанавливается соответствие между скоростью вращения и подачей топлива. Данное соответствие реализуется ФП1. ФП2 реализует связь между п ос и заданной мощностью.

Рис. 1.29. Функциональная схема объединенного регулирования ДВС и тягового

генератора:

ТНВД - топливный насос высокого давления; ИД - индуктивный датчик в составе топливного насоса высокого давления (индуктивный датчик связан механически с рейкой топливного насоса высокого давления); ФП - функциональные преобразователи; q 3 - заданная подача топлива; ч ос - текущая подача топлива; Дq - разностный сигнал по подаче топлива; Ви - датчик напряжения

В системе используются два задающих сигнала. Задание топливного расхода и задание мощности. Основным задающим сигналом является Р 3 . Он определяет быстродействие системы и динамическую ошибку. Регулирование по Р 3 ведется по ранее рассмотренному принципу. Сигнал Дц является корректирующим. Если при данной Р 3 ц ос оказывается избыточной, то Р 3 уменьшается. Если ц ос оказалась недостаточным, то Р 3 , увеличивается. Таким образом, электрическая мощность генератора увязывается с подачей топлива в дизель. Этот способ регулирования называется объединенным.

Достоинства системы: возможность точной реализации полной мощности дизеля независимо от изменения в окружающей среде и изменения нагрузки; точная отработка линий наибольшей экономичности.

Недостатки системы проявляются в переходных режимах.

Если в установившемся режиме обеспечивается требуемое соответствие подачи топлива и воздуха, то в переходных режимах оно резко уменьшается, для автотранспортного средства количество переходных режимов занимает значительную долю времени и составляет 20-30 %. Переходные режимы вызываются изменением управляющего воздействия водителем (перемещение педали топлива) и нагрузки (ухудшение дорожных условий и уклонов).

Наибольшие неприятности связаны с переходным режимом при увеличении скорости И МОЩНОСТИ.

Автоматическое регулирование

вспомогательного генератора

Вспомогательный генератор предназначен для обеспечения питания вспомогательных потребителей и обмотки возбуждения генератора. Если нагрузкой вспомогательного генератора является только обмотка возбуждения, то его называют возбудителем. Вспомогательный генератор применяют на тяжелых автопоездах и тяжелых шасси. Возбудители используются на карьерных самосвалах. На выходе вспомогательного генератора поддерживается постоянное напряжение в рабочем диапазоне скоростей двигателя внутреннего сгорания. Функциональная схема регулирования вспомогательного генератора представлена на рис. 1.30.

Работа схемы в статических режимах. Для заданного а поддерживается равновесие между п ос и п езад.

Рис. 1.30. Функциональная схема системы объединенного регулирования вспомогательного генератора:

ДЧВ - датчик частоты вращения; ВГ - вспомогательный генератор; СГ - силовой генератор; УМ - умножитель; ФП - функциональный преобразователь, определяет зависимость п сзад = Да), соответствующую линии наибольшей экономичности; а - угол поворота дроссельной заслонки; БДК - блок динамической коррекции; РМ - регулятор мощности

Пусть п ос > п езад, тогда дельта больше нуля, что приводит к увеличению 1 в силового генератора. Соответственно увеличивается Р ос, п ос і. При обратном сочетании все наоборот - Р ос і, п 0С Т. Блок динамической коррекции включается в работу при п езад Т. Пусть а возрастает резко (открытие заслонки), п езад Т, п езад » п ос. В этом случае блок динамической коррекции вырабатывает сигнал ДР, т. е. сигнал коррекции большой величины, тем самым уменьшая п езад І в і, двигатель - генератор разгоняется без нагрузки. По завершении разгона подается заданная нагрузка.

При аі блок динамической коррекции в работе не участвует.

Подобная схема используется на четырехосном ЗИЛе и на ЛАЗе.

Электрическая схема вспомогательного генератора представлена на рис. 1.31.

Рис. 1.31. Электрическая схема регулирования вспомогательного генератора:

ВГ - трехфазная обмотка генератора; ОВВГ - обмотка возбуждения вспомогательного генератора; АБ - аккумуляторная батарея; УБ1 -УБЗ - управляемый выпрямитель; НВ - неуправляемый выпрямитель нагрузки; Ю1 - обратный диод; Б - кнопка запуска генератора; Я - токоограничивающее сопротивление;

ТК - транзисторный ключ; Т)2 - защитный диод

Работа схемы. Генератор предварительно приводится во вращение. Включается Б (без фиксации), появляется 1 в по цепи: АБ, ОВВГ, масса. Появляется и г.

Размыкаем 5. Открывается транзисторный ключ, появляется 1 в, по цепи: ВГ, ОВВГ, У8. Получаем режим самовозбуждения генератора. Поддерживание нужного уровня напряжения осуществляется включением, выключением транзисторного ключа.

Один из вариантов электронной схемы системы автоматического регулирования вспомогательного генератора представлен на рис. 1.32.

Диодный оптрон разделяет схему на две части. Первая включает устройство сравнения - формирования на операционном усилителе ДА и усилитель на транзисторе УТЗ. Вторая часть является исполнительной и представляет собой транзисторный ключ ТК.

УЭ позволяет получить потенциальную развязку между высоковольтными и низковольтными частями схемы. Блок уравнивает два сигнала по разности (и ос - и он).

Величина опорного напряжения устанавливается при настройке с помощью Я 2 .

Рис. 1.32. Электронная схема системы регулирования вспомогательного генератора: Т) - диодный оптрон; ДА - операционный усилитель; ДН - датчик напряжения (трансформатор с выпрямителем); ТП - тиристорный трехфазный преобразователь (выпрямитель); и ос - напряжение обратной связи; и оп - опорное напряжение 15 В