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 juŜ przy biegu jałowym silnika spalinowego,

−

 

dąŜenie  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  złoŜony

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  obciąŜenia.  W  Ŝłobkach  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  zbliŜonym  do  sinusoidy.  Zarówno

wartość średnia sił elektromotorycznych E

av

 , jak równieŜ 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  obciąŜenia  musi  być  wyprostowany,  co  pociąga  za  sobą  konieczność

wyposaŜenia prądnicy w prostownik.

Układ  prostowniczy  jest  często  integralną  częścią  alternatora.  Jest  to  prostownik

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

kierunku przewodzenia ok. 0,7 V.

W  alternatorach  samowzbudnych  stosuje  się  dodatkowy  prostownik  złoŜony  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).  PoniewaŜ  indukcja  remanentu  alternatora  jest  na  ogół  niewystarczająca  do

wyindukowania napięcia o poŜądanej 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  obciąŜenia  I

obc

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

prędkością obrotową n.

Do podstawowych charakterystyk alternatora naleŜą:

−

 

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

Ŝ

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 moŜna 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 obciąŜenia 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 łoŜyskowej.

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 takŜe zaciski wyjściowe twornika (za mostkiem diodowym) oraz zaciski

akumulatora.  Umieszczono  tam  takŜe  Ŝarówkę  12 V  oraz  wyłącznik  połączone

szeregowo.  Elementy  te  umoŜliwiają  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.  PrzełoŜenie  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  umoŜliwienia  zmiany  prędkości  obrotowej  silnik  indukcyjny  zasilany  jest  z

falownika  (rys.1.5a)  z  moŜliwością  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,  Ŝe  częstotliwość  napięcia

twornika jest liniowo zaleŜna 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 obciąŜenia

(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 moŜna dokonać np. za pomocą oscyloskopu.

Dla zabezpieczenia układu napędowego przed skutkami zwarć i przeciąŜeń uŜyto

wyłączniko – bezpiecznika S-193B, I

N

 = 10 A.

Jako  obciąŜenie  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

. MoŜna równieŜ

włączyć opornice suwakowe.

Program ćwiczenia

a)

 

Oględziny zewnętrzne

Zidentyfikować  poszczególne  części  alternatora  (alternator  przeznaczony  do

demonstracji znajduje się na stanowisku, moŜna go rozłoŜyć).

NaleŜy zwrócić uwagę na:

−

 

stopień skorodowania, pęknięcia pokryw, zuŜycie wałka i nakrętek,

−

 

stan łoŜysk - 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  naleŜy  zasilać  z  akumulatora  poprzez

odpowiednio  dobraną  opornicę  suwakową  tak,  aby  prąd  wzbudzenia  moŜna  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 obciąŜenia załączyć silnik napędowy.

−

 

Przy prędkości minimalnej odczytać napięcie wyjściowe U.

−

 

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

prędkości maksymalnej odczytywać napięcie wyjściowe alternatora U.

−

 

Powtórzyć  cykl  pomiarów  przy  załączonej  rezystancji  obciąŜenia,  przy

czym  prąd  obciąŜenia  I

obc

  powinien  być  stały,  np.  5 A  (naleŜy  przy

kaŜdorazowej zmianie prędkości obrotowej regulować wartość prądu).

−

 

Powtórzyć cały cykl dla innej wartości prądu obciąŜenia.

b2) Charakterystyka biegu jałowego E = f (I

f 

) i charakterystyki obciąŜenia 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 obciąŜenia (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 obciąŜenia 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 obciąŜenia.

−

 

Pomiary powtórzyć dla innej wartości prądu obciąŜenia, 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  obciąŜenia,

ustawić  maksymalną  prędkość  obrotową,  ustawić  prąd  wzbudzenia  np.

I

f

 = 0,8 A, zmierzyć napięcie.

−

 

Wyłączyć silnik napędowy.

−

 

Włączyć  rezystancję  obciąŜenia  o  maksymalnej  wartości  i  ponownie

załączyć napęd alternatora,  ustawić maksymalną prędkość obrotową.

−

 

Utrzymując stałą wartość prądu wzbudzenia, mierzyć prąd obciąŜenia i

napięcie wyjściowe, zmieniając rezystancję obciąŜenia.

b4) Charakterystyki prądowo – prędkościowe I

obc

 = f(n) przy U = const

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

prędkości obrotowej.

Kolejność czynności:

−

 

Odłączyć obciąŜenie alternatora.

Badanie alternatora

1

1

5

5

−

 

Załączyć  silnik  napędowy,  ustawić  prąd  wzbudzenia,  np.  I

f

 = 1 A,

zwiększać  prędkość  obrotową  aŜ  do  osiągnięcia  załoŜonego  napięcia

wyjściowego U, np. U = 14 V.

−

 

Wyłączyć silnik, włączyć rezystancję obciąŜenia.

−

 

Załączyć  silnik  ponownie,  dla  ustawionej  wartości  rezystancji

obciąŜenia  zmieniać  prędkość  obrotową  tak  by  uzyskać  stałe  napięcie

wyjściowe.

−

 

Powtórzyć ten pomiar dla innych wartości rezystancji.

−

 

Cały cykl wykonać dla trzech róŜnych 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 obciąŜenia.

−

 

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 obciąŜenia.

−

 

Cykl  pomiarów  powtórzyć  przy  alternatorze  obciąŜonym  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  obciąŜenia  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  obciąŜenia,  ponownie  załączyć

silnik napędowy.

−

 

Zmieniać obciąŜenie układu i mierzyć rozpływ prądów.

−

 

Przy  stałym  obciąŜeniu  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. WyposaŜenie elektryczne pojazdów silnikowych. Alternatory:

Wymagania i badania.