ZESPÓA SZKÓA SAMOCHODOWYCH im. in\. Tadeusza Tańskiego w Poznaniu PRACOWNIA TECHNICZNA Instrukcja do ćwiczenia nr .... TEMAT: Badanie alternatora. Zatwierdził: .......................................... ................................................... data pieczątka i podpis dyrektora 1 1. Cel ćwiczenia Celem wykonywanego ćwiczenia jest sprawdzanie prawidłowości działania alternatora metodą bezdemonta\ową (na pojezdzie) oraz po jego demonta\u z pojazdu - na stole probierczym. 2. Wykaz pomocy: badany pojazd (alternator), miernik cyfrowy, cęgi indukcyjne do pomiaru natę\enia prądu, stół probierczy EFAW 272A BOSCH 3. Schemat stanowiska pomiarowego. Rys.1 Schemat ideowy połączeń alternatora na stanowisku badawczym (stole probierczym) 4. Wiadomości wprowadzające Zasada działania alternatora. Prąd generowany jest w uzwojeniu, gdy uzwojenie to wiruje w polu magnetycznym. Jest to prąd przemienny, a więc jego kierunek jest okresowo zmienny. Aby go zamienić na prąd stały, konieczne jest zastosowanie komutatora i szczotek. Tak więc aby otrzymać prąd stały z ka\dej cewki stojana, musiałby wewnątrz uzwojeń wirować twornik wypo- sa\ony w komutator. W tym wypadku jednak konstrukcja twornika byłaby skomplikowana, a sam twornik nie mógłby obracać się z większymi prędkościami. Inną niedogodnością takiego rozwiązania jest fakt, \e prąd musiałby przechodzić przez komutator i szczotki. To powodowałoby, \e współpracujące ze sobą elementy szybko by się zu\ywały na skutek iskrzenia. Jednak\e gdy prąd przemienny wytworzony w uzwojeniach prostowany jest dopiero na końcu procesu generacji, tu\ przed dostarczeniem do obwodu, a tak\e gdy zamiast wirującego twornika wiruje magneśnica, wówczas sam proces generacji prądu nie ulega zmianie. Wytwarza się w takich warunkach większa ilość prądu, a to powoduje równie\ 2 wydzielanie się większej ilości ciepła w uzwojeniach. Z tego powodu wygodniejszym rozwiązaniem jest umieszczenie uzwojeń twornika na zewnątrz wirującej magneśnicy. Tak właśnie skonstruowane są alternatory samochodowe - uzwojenie stojana jest twornikiem (wygodniejsze chłodzenie), a uzwojenie wirnika spełnia rolę magneśnicy (wirujące pole magnetyczne). W instalacjach elektrycznych pojazdów stosowane jest zwykle napięcie 12V lub 24V (pojazdy cię\arowe) i alternator układu ładowania musi takie napięcie dostarczyć. Rys.2 Ogólna budowa alternatora. Prąd generowany jest wówczas, gdy magnes wiruje wewnątrz uzwojeń, a wielkość tego prądu zale\na jest od prędkości obrotowej magnesu. Tak więc zgodnie z zaobserwowanym zjawiskiem indukcji elektromagnetycznej - im szybciej przecinane są li- nie sił pola, tym większa silą elektromotoryczna generowana jest w uzwojeniach. Mo\na więc stwierdzić, \e napięcie zmienia się zgodnie ze zmiana prędkości obrotowej magnesu. A zatem aby otrzymać stałe napięcie, magnes musiałby wirować ze stałą prędkością obrotowa. Jednak\e silnik samochodu pracuje przy zmiennych prędkościach obrotowych, zale\nych od warunków jazdy, więc prędkość obrotowa alternatora nie mo\e być utrzymywana na stałym poziomie. Aby rozwiązać opisany problem, w miejsce stałego magnesu montuje się elektromagnes. Wówczas mo\na otrzymać stałe napięcie. Elektromagnes mo\e zmieniać wielkość strumienia magnetycznego (ilość linii sił pola) w zale\ności od prędkości alternatora. Elektromagnes zawiera rdzeń (ze stali miękkiej), wokół którego nawinięte są cewki uzwojenia. Gdy przez cewki przepływa prąd, rdzeń magnetyzuje się. Wielkość wytworzonego w ten sposób pola magnetycznego zale\na jest od wielkości prądu przepływającego przez cewki. Przy malej prędkości alternatora prąd przepływający przez uzwojenia rdzenia powinien być du\y i odwrotnie, przy du\ej prędkości nale\y do uzwojeń dostarczyć małego prądu. Prąd przepływający przez elektromagnes dostarczany jest z akumulatora, a jego ilość regulowana jest przez regulator napięcia alternatora. Dzięki takiemu rozwiązaniu alternator mo\e dostarczyć stale napięcie niezale\nie od prędkości obrotowej silnika. 3 Prostowanie prądu. Podzespoły elektryczne samochodu zasilane są prądem stałym i taki prąd wymagany jest równie\ do ładowania akumulatora. Alternator wytwarza prąd przemienny trójfazowy, ale dopóki prąd o takiej charakterystyce nie zostanie wyprostowany, nie mo\na go u\yć w układzie ładowania. Zamiana prądu przemiennego na prąd stały nazywana jest prostowaniem. Proces ten mo\na przeprowadzić kilkoma sposobami, a w układach samochodowych stosuje się do tego celu proste, lecz skuteczne diody. Przez diodę prąd przepływa tylko w jednym kierunku. Na rys.3 pokazano układ sześciodiodowy, który zamienia prąd przemienny trójfazowy na prąd stały w systemie pełnozakresowym. Jako \e w alternatorze na stale wmontowane są diody, energia odbierana jest pod postacią prądu stałego. Rys.3 Sześciodiodowy układ prostowniczy alternatora Tak więc mo\emy zaobserwować, \e prąd generowany w ka\dej z cewek uzwojenia na swej drodze do układu diod ciągle zmienia kierunek, lecz prąd odbierany na wyjściu z układu diod posiada ju\ stalą polaryzację (kierunek przepływu). Wyjście z układu diod tworzy fragment obwodu prądu stałego. Rys.4 Przebieg przemiennych napięć sinusoidalnych w uzwojeniach alternatora (bez prostowania). Poszczególne fazy przesunięte są względem siebie o 1200 i wyprostowanego przebiegu napięcia w alternatorze. 4 Regulacja napięcia. Napięcie generowanego w alternatorze prądu zmienia się w zale\ności od prędkości obrotowej wirnika i natę\enia prądu wyjściowego (czyli obcią\enia). Poniewa\ prędkość obrotowa silnika pojazdu ciągle się zmienia, alternator równie\ nie pracuje ze stalą prędkością. Co więcej, obcią\enie alternatora (lampy, wycieraczki, nagrzewnica, itp) równie\ jest zmienne, powodując zmienne warunki ładowania akumulatora. Dlatego te\, aby utrzymać stałe napięcie wyjściowe alternatora, stosuje się regulator napięcia. W układach samochodowych nazywany jest równie\ regulatorem alternatora. Współczesne alternatory wyposa\one są w regulatory napięcia typu półprzewodnikowego (IC), które wbudowane do wnętrza alternatora i często występują w zespole ze szczotkotrzymaczem (np. rozwiązanie stosowane przez BOSCH-a). Układ IC (obwód scalony) jest zminiaturyzowanym układem elektronicznym zawierającym elementy półprzewodnikowe (tranzystory, diody, rezystory, kondensatory) zamontowane na płytce drukowanej lub zatopione w masie silikonowej. Regulator tego typu charakteryzuje się: o dokładniejszą regulacją napięcia (przy krótkim czasie reakcji na zmianę obcią\enia czy te\ prędkości obrotowej alternatora), o du\ą odpornością na wstrząsy i niezawodnością pracy, o małym wpływem temperatury na dokładność regulacji napięcia. Jest jednak wra\liwy na nadmierne temperatury i napięcia. Regulator IC przytwierdzony jest do alternatora śrubami, które nie tylko słu\ą do jego mocowania, ale równie\ stanowią połączenia elektryczne pomiędzy alternatorem a zaciskami E, P, F oraz B regulatora (wg rys.2a). Dlatego poluzowanie się śrub mo\e spowodować niewłaściwe połączenie elektryczne i przyczynić się do spadku napięcia ładowania. a) b) Rys.4 Przykładowy wygląd zewnętrzny regulatora napięcia IC : (a) typ japoński , (b) typu BOSCH (w zespole ze szczotkotrzymaczem). Zadaniem regulatora jest zwiększanie i zmniejszanie ilości prądu przepływającego przez obwód wzbudzenia wirnika. W ten sposób regulowane jest napięcie wyjściowe prądu wytworzonego w stojanie. Prawidłowa wartość napięcia regulowanego wynosi najczęściej około 14 V - podczas pomiaru wykonanego w warunkach ustalonej temperatury (silnik w pełni nagrzany), przy zadanym obcią\eniu kontrolnym i określonej prędkości obrotowej silnika. Szczegółowe dane dotyczące warunków przeprowadzenia pomiarów, znalezć mo\na w danych diagnostycznych (np. AUTO DATA, BOSCH ESI-tronic itp.). 5 OGÓLNA BUDOWA STOAU PROBIERCZEGO BOSCH EFAW 275 A Rys.5 Ogólna budowa stołu probierczego EFAW 275 A A konstrukcja nośna stołu B amperomierz (zakres pomiarowy 0-10A) C uniwersalne strzemię monta\owe D silnik napędowy (repulsacyjny) E 8 sekcyjny iskiernik (do badania aparatów i cewek zapłonowych) F pokrętło regulacji prędkości obrotowej silnika napędowego G pokrywa z łatwym dostępem do podzespołów elektrycznych stołu probierczego H pulpit stołu probierczego I obrotomierz (zakres pomiarowy 0-3000 obr/min lub 0-6000 obr/min) J - obrotomierz (zakres pomiarowy 0-1200 obr/min) do pomiaru prędkości obrotowej prądnicy podczas próby pracy silnikowej K gumowa powierzchnia na drobne prace monta\owo-demonta\owe L lampa jarzeniowa oświetlenia stanowiska M obrotomierz wraz z prądniczką tachometryczną do badania prędkości obrotowej rozrusznika pracującego na biegu jałowym N omomierz do sprawdzania np. diod prostowniczych, rezystancji uzwojeń cewek itp. O wakuometr do badania np. charakterystyk regulatorów podciśnieniowych aparatów zapłonowych (sterowanie elektryczną pompką pró\niową odbywa się z pulpitu) P zespół przyłączy zasilających do badania rozruszników Q zaciski woltomierza R pedał hydraulicznego hamulca blokady koła wieńcowego (do badania rozruszników próba pełnego zahamowania) S uchylna pokrywa (wewnątrz miejsce do przechowywania wyposa\enia dodatkowego stołu) T - zespół przyłączy, lampek kontrolnych pulpitu badawczego U - woltomierz (zakres pomiarowy 0-40 V, 0-20 V, 0-10 V wybór zakresu pomiarowego z poziomu pulpitu) 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Rys.6 Elementów pulpitu stołu probierczego (wskazano istotne do badań alternatorów): 1- główny wyłącznik zasilania stołu, 2- wybór zakresu regulacji prędkości obrotowej silnika napędowego stołu, 3- zaciski napięciowe akumulatora, 4-zespół lampek kontrolnych i przycisków wyboru napięcia zasilającego (instalacje 6, 12, 24 V), 5-przyłącze rezystorów obcią\eniowych, 6- zaciski woltomierza U wg rys.5, 7-wybór zakresu pomiarowego obrotomierza I - wg rys.5, 8- pokrętło zerowania omomierza N wg rys.5, 9- zaciski omomierza N wg rys.5, 10-lampka kontrolna i wyłącznik napięcia zasilania prądem stałym stołu, 11 - pokrętło płynnej regulacji obcią\enia, 12 zespół włączników obcią\enia kontrolnego (sporządzanie charakterystyk obcią\eniowych prądnic i alternatorów), 13- zacisk masy stołu, 14 wybór pomiaru napięcia wewnętrznego stołu (woltomierzem wg poz. H rys.5), 15 wybór pomiaru napięcia ze zródła zewnętrznego (woltomierzem wg poz. H rys.5), 16 wybór zakresu pomiarowego omomierza (wg poz. N rys.5), 17 włącznik oświetlenia stołu. 7 5. Przebieg ćwiczenia 5.1 Badania stanowiskowe (na stole probierczym) W czasie badań stanowiskowych przeprowadza się: - sporządzenie charakterystyki napięciowej U=f(n), ze szczególnym uwzględnieniem ustalenia prędkości obrotowej, przy której alternator uzyskuje napięcie znamionowe 14 V, - sporządzenie charakterystyki obcią\eniowej alternatora w funkcji jego prędkości obrotowej przy I=f(n), przy stałym napięciu U=const=14 V - obserwację przebiegów napięciowych na oscyloskopie 5.1.1 Monta\ alternatora na stole probierczym Alternator winien zostać zamontowany na stole probierczym poprzez uło\enie go na podstawce i umocowanie za pomocą strzemienia (rys.7) oraz połączenie za pomocą sprzęgła gumowego z silnikiem stołu probierczego (rys.8). Rys.7 Monta\ alternatora na stole probierczym Rys.8 Przeniesienie napędu podczas badań 8 5.1.2 Sporządzanie charakterystyki napięciowej alternatora U=f(n) Rys.9 Schemat ideowy połączeń elektrycznych do sporządzenia charakterystyki napięciowej alternatora. W celu sporządzenia charakterystyki napięciowej alternatora, nale\y wykonać połączenia elektryczne wg rys 9 (badanie alternatora bez regulatora napięcia). Podnosząc prędkość obrotową silnika napędowego stołu (za pomocą pokrętła F wg rysunku 5) odczytujemy prędkość obrotową alternatora z obrotomierza ( I wg rys.5) i napięcie. Odczytane wyniki pomiarów zapisujemy w tabeli, na podstawie której nale\y sporządzić charakterystykę napięciową U=f(n) Uwaga! Podczas pomiarów nale\y zwrócić szczególną uwagę na odczytanie prędkości obrotowej alternatora, przy której uzyskuje on napięcie znamionowe 14 V (wg danych producenta alternator sam. Fiat 125 p, winien je uzyskać przy prędkości 1050 obr/min). 5.1.3 Sporządzanie charakterystyki obcią\eniowej napięciowej alternatora I=f(n) przy U=const=14 V Rys.10 Schemat ideowy połączeń elektrycznych do sporządzenia charakterystyki obcią\eniowej alternatora. 9 W celu sporządzenia charakterystyki obcią\eniowej alternatora, nale\y wykonać połączenia elektryczne wg rys 10 (badanie alternatora bez regulatora napięcia). Podnosimy prędkość obrotową silnika napędowego stołu (za pomocą pokrętła F wg rysunku 5) do uzyskania napięcia 14 [V]; odczytujemy prędkość obrotową alternatora z obrotomierza ( I wg rys.5). Dla pierwszego punktu charakterystyki nie zadajemy obcią\enia kontrolnego. Alternator winien uzyskać napięcie znamionowe zgodnie z charakterystyką napięciową. W celu sporządzenia dalszych punktów charakterystyki, zadajemy włącznikami 12 wg rys. 6 obcią\enia kontrolne. Załączenie kolejnego obcią\enia będzie ka\dorazowo powodowało spadek napięcia i prędkości obrotowej alternatora nale\y więc po włączeniu danego obcią\enia podnieść prędkość obrotową alternatora do odzyskania napięcia 14 V, następnie odczytać prędkość obrotową i prąd obcią\enia z mierników; uzyskane wyniki zanotować w tabeli. Uwaga! Zdejmowanie punktów charakterystyki winno być przeprowadzone mo\liwie szybko ze względu na silne nagrzewanie się alternatora i niebezpieczeństwo jego uszkodzenia. 5.1.4 Obserwacja oscyloskopowa alternatora. Podłączona sonda oscyloskopu, pozwala podczas sporządzania charakterystyk alternatora obserwować pulsację napięcia. Nale\y naszkicować zaobserwowany przebieg w sprawozdaniu a następnie porównać z przebiegami wzorcowymi w celu oceny pracy alternatora. 10 Przykładowe przebiegi oscyloskopowe pracy alternatora. 11 5.2 Badanie alternatora w pojezdzie W opracowaniu & .. 6. Wyniki pomiarów. Tabela wyników do sporządzania charakterystyki napięciowej U=f(n). n[obr/min] & & & & & & & & & & & & & ?& & & U[V] 14 & & & & & & & & & & & & & & Tabela wyników do sporządzania charakterystyki obcią\eniowej I=f(n) U=const=14 V. I[A] 0 & & & & & & & & & & & & & & n[obr/min] & & & & & & & & & & & & & & & & 7. Opracowanie wyników i wnioski. - Na podstawie uzyskanych wyników nale\y sporządzić charakterystyki napięciową i obcią\eniową alternatora oraz porównać je z danymi producenta. - Zaobserwowany obraz oscyloskopowy pulsacji napięcia alternatora nale\y porównać z przebiegami wzorcowymi i dokonać odpowiedniej oceny. Wnioski końcowe powinny zawierać uwagi dotyczące badania o charakterze ogólnym oraz informacje o stanie technicznym badanego alternatora. 12