Badanie alternatora A120

 

Cel ćwiczenia:

 

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk prądnicy synchronicznej małej mocy (alternatora).

 

 

Wstęp.

 

            Alternator jest prądnicą synchroniczną małej mocy. Znalazł on zastosowanie, jako urządzenie wytwarzające energię elektryczną w pojazdach samochodowych, zastępując w ten sposób prądnice obcowzbudne prądu stałego. Podstawową różnicą alternatora od prądnicy jest to, że prądnica wytwarza prąd stały, a alternator zmienny.

Alternatory są stosowane głównie w pojazdach samochodowych jako źródła energii elektrycznej, o mocach od 300 W do 6 kW. W porównaniu z prądnicami bocznikowymi prądu stałego charakteryzują się:

·        lepszym (prawie dwukrotnie) wykorzystaniem materiałów konstrukcyjnych;

·        znacznie większą trwałością (nie mają komutatora, a tylko pierścienie ślizgowe);

·        samoregulacją dopuszczalnego prądu obciążenia (nie wymagają regulatora prądu, a tylko regulatora napięcia);

·        mniejszym poziomem zakłóceń radiowych;

Alternatory są budowane na ogół jako maszyny trójfazowe. Żywotność ich przekracza 10000 godzin pracy, co odpowiada ok. 500000 km przebiegu pojazdu. Obecnie prawie całkowicie wyparły prądnice bocznikowe z pojazdów mechanicznych. Przy pracy silnika w stanie jałowym alternator może zasilać odbiorniki elektryczne, natomiast w przypadku zainstalowania prądnicy prądu stałego odbiorniki są zasilane z akumulatora.

Moc na jednostkę masy, otrzymana z prądnicy prądu stałego, jest niewielka i wynosi od 40 do 70 W/kg. W przypadku stosowania alternatorów przy takiej samej objętości i masie otrzymuje się maszynę o 2 do 3 razy większej mocy. Moc na jednostkę masy uzyskana z alternatora o klasycznej budowie wynosi 100 do 200 W/kg.

                Brak komutatora i zjawiska komutacji pozwala powiększyć maksymalną prędkość obrotową do 250obr/s (15 000 obr/min), a nawet 333 obr/s (20 000 obr/min). Umożliwia to, przy założeniu odpowiedniego przełożenia prędkości obrotowej między silnikiem a alternatorem, uzyskanie około 50% mocy znamionowej przy znamionowej pracy silnika w stanie jałowym.

Budowa i zasada działania

 

W budowie alternatorów istnieje wiele kryteriów kwalifikacyjnych, jak::

ze względu na wykonanie magneśnicy:

—    z cewką z prądem wzbudzenia,

—    z magnesami trwałymi;

ze względu na wykonanie wirnika:

—    z wirnikiem z biegunami wydatnymi,

—    z wirnikiem z biegunami kłowymi;

ze względu na istnienie zestyku pierścienie-szczotki:

—    zestykowe,

—    bezzestykowe.

 

           

Rys. 1. Budowa alternatorów : a) zestykowego z biegunami wydatnymi; b) zestykowego z biegunami kłowymi

1 — rdzeń stojana, 2 — uzwojenie stojana, 3 — wirnik, 4 — uzwojenie wzbudzające, 5 — wał, 6— pierścienie ślizgowe

Samochodowa prądnica elektryczna prądu przemiennego (alternator) jest trójfazową prądnicą synchroniczną, w której wirnik jest magneśnicą, a stojan twornikiem. W alternatorach stosuje się wzbudzenie elektromagnetyczne, przy czym uzwojenie magnesujące (wzbudzenia) jest nawinięte na wirniku o biegunach pazurowych. Wirnik ma od kilku do kilkunastu biegunow magnetycznych, wykonanych w układzie pazurowym (rys. 2.). Zachodzące na siebie pazury (bieguny kołowe) mają biegunowość przemienną. Uzwojenie wzbudzenia jest pojedynczą cewką o kształcie cylindrycznym (rys. 2a-2), zajmującą położenie koncentryczne względem walu (3) i umieszczoną pomiędzy systemami biegunowymi. Uzwojenie wirnika jest zasilane prądem stalym przez dwa pierścienie, po których ślizgają się szczotki. Twornik alternatora w odrożnieniu od twornika prądnicy prądu stalego nie wiruje, lecz jest częścią korpusu maszyny. Składa się on z pakietu blach prądnicowych wzajemnie izolowanych, osadzonych w aluminiowym korpusie, do którego przymocowane są obie tarcze łożyskowe. Prąd fazowy stojana jest prostowany przez diody krzemowe, umieszczone w tarczy łożyskowej prądnicy. Wirnik ma ponadto łopatki spełniające rolę wentylatora, który jest niezbędny do chłodzenia alternatora oraz diod krzemowych, w których wydziela się znaczna ilość ciepła. Obwód twornika jest zawsze umieszczony na stojanie; ma uzwojenie trójfazowe połączone w gwiazdę (w polskich konstrukcjach liczba par biegunów p = 3). Wprowadzenie prądnicy prądu przemiennego do pojazdów samochodowych nie zmieniło jej podstawowej funkcji, tj. dostarczania prądu oraz napięcia stałego. Zasada działania ikonstrukcja alternatorów eliminują konieczność stosowania układu komutator-szczotki (czyli prostownika mechanicznego), zastępując go elementem elektronicznym-półprzewodnikową diodą prostownikową. Stosowane w alternatorach samochodowych diody półprzewodnikowe są elementami krzemowymi.

            Zespół półprzewodnikowych diod prostownikowych w postaci układu trójfazowego mostkowego prostuje trójfazowy prąd przemienny wytwarzany w uzwojeniu stojana. Diodowy układ mostkowy najczęściej wbudowany jest do wnętrza alternatora. Schemat połączeń alternatora wraz z układem prostownikowym przedstawiony jest na rysunku poniżej.

            W alternatorach produkowanych w Polsce stosuje się diody prostownikowe ładowania na trzy różne wartości prądów znamionowych: 25 A, 20 A i 15 A. Natomiast diody wzbudzenia mają jedną wartość prądu znamionowego równą 1 A lub 5 A.

            Między połączone anody jednej grupy (diody ujemne) i połączone katody drugiej grupy (diody dodatnie) włączone jest obciążenie. Diody stosowane w alternatorach charakteryzują się niewielkim spadkiem napięcia w kierunku przewodzenia (0.5-1.2 V).

Rys.2. Magneśnice alternatorów : a) zestykowego o biegunach kłowych; b) bezzestykowego o magnesach trwałych

1— bieguny kłowe, 2— uzwojenie wzbudzające, 3 — wał, 4 — rozkład strumienia, 5 — magnes trwały, 6 — stop aluminiowy

Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono rozwiązania konstrukcyjne alternatorów i ich magneśnic. Najczęściej jednak są budowane alternatory zestykowi z magneśnicą o biegunach kłowych.

Układy wzbudzenia

Praca alternatora jest podobna do pracy prądnicy synchronicznej na sieć własną. Ma on narzucony dość ostry reżim pracy:

generowanie energii elektrycznej w bardzo szerokim zakresie prędkości obrotowej

od 800 -1000 obr/min do 15000 -16000 obr/min;

utrzymywanie napięcia na stałym poziomie.

Utrzymywanie na zaciskach alternatora napięcia fazowego na stałym poziomie uzyskuje się przez zmianę prądu wzbudzenia; stosowana jest tu regulacja dwustanowa (rys. 3.)

 Rys. 3. Regulacja prądu wzbudzenia alternatora: a) schemat ideowy; b) charakterystyka

W zależności od sposobu zasilania uzwojenia wzbudzającego, rozróżnia się alternatory obcowzbudne i samowzbudne. W pierwszych — prąd wzbudzenia jest z akumulatora, a w drugich — z obwodu twornika.

Instalacje samochodowe wymagają źródła napięcia stałego, stąd też alternatory są wyposażone w układy prostownikowe sześciopulsowe, w których jest przetwarzane napięcie trójfazowe o częstotliwości od ok. 100 Hz do ok. 1500 Hz. Uzyskuje się napięcie stałe prawie bez tętnień.

 

 

 Budowa alternatora .

 

 

            1 - koło pasowe z nakrętką,

2 - żeliwna obudowa przednia z osłoną łożyska napędowego,

3 - twornik z dwoma łożyskami i wentylatorami,

4 - stojan z uzwojeniem

5 - obudowa tylna z gniazdem łożyska tylnego,

6 - zminiaturyzowana elektronika alternatora, obejmująca diody i regulator napięcia, 7 - zakryte plastikowym deklem z przyłączami kabli.

 

 

Schemat układu połączeń

 

 

Dane znamionowe:

Un = 30 V

Imax = 40 A

n = 2600 obr/min

 

Przebieg ćwiczenia

 

 

1.     Wyznaczenie charakterystyki magnesowania (biegu jałowego)

 

            Bieg jałowy maszyny synchronicznej jest to taki stan, w którym uzwojenie stojana jest rozwarte (alternator jest nie obciążony), a uzwojenie wirnika jest zasilane prądem wzbudzenia Iw. Jedynym prądem płynącym w maszynie jest prąd wzbudzenia dający przepływ Θw, a pole magnetyczne jest wytworzone wyłącznie przez ten prąd. Napięcie na zaciskach prądnicy jest równe napięciu indukowanemu w uzwojeniu twornika (stojana), i przy stałej prędkości obrotowej zależy od prądu wzbudzenia, ponieważ strumień zależy także od tego prądu. Ze względu na proporcjonalność napięcia do strumienia głównego charakterystyka biegu jałowego U0 = f(Iw) ma taki sam przebieg, jak charakterystyka magnesowania maszyny Φw = f(Iw). Próbę biegu jałowego wykonuje się przy stałej prędkości obrotowej. W celu wyznaczenia charakterystyki magnesowania maszyny synchronicznej należy przy pomocy silnika napędowego doprowadzić maszynę do znamionowej prędkości obrotowej i odczytać napięcie na zaciskach nieobciążonego twornika przy w = const i prądzie wzbudzenia nastawianym w zakresie If = 0 do takiej wartości, przy której Uo=1,3Un .

 

Charakterystyka ustalonego zwarcia tj. zależność prądu twornika It od prądu wzbudzenia If,.

 

2.     Wyznaczenie charakterystyki ustalonego zwarcia symetrycznego

 

            Stan zwarcia występuje wtedy, gdy zaciski maszyny są zwarte (obciążenie = 0) a obwód wzbudzenia jest zasilany. Wartość napięcia podczas zwarcia przy prądzie znamionowym (Iz = In) wynosi od 10 do 15% napięcia znamionowego. Przy prądach zwarciowych nie przekraczających znacznie prądu znamionowego, stan nasycenia obwodu magnetycznego nie wykracza poza prostoliniową część charakterystyki magnesowania, przez co maszynę możemy traktować jako nienasyconą. Zależność prądu twornika od prądu wzbudzenia przy zwartych zaciskach twornika i przy prędkości kątowej zbliżonej do znamionowej nazywamy charakterystyką zwarcia symetrycznego. Dodatkowo wyznaczyć zależności prądu zwarcia od prędkości obrotowej dla wybranej wartości prądu wzbudzenia.

 

3.     Wyznaczenie charakterystyki regulacyjnej.

 

            Charakterystyka regulacyjna jest to zależność prądu wzbudzenia od prądu obciążenia przy stałej prędkości obrotowej i cosφ oraz napięciu. Zależność ta pokazuje nam w jaki sposób możemy regulować prąd wzbudzenia, aby przy stałej prędkości utrzymać stałe napięcie na zaciskach maszyny. W zakresie regulacji bardzo dużą rolę odgrywa charakter obciążenia i tak np. dla obciążenia o charakterze indukcyjnym należy zwiększać prąd wzbudzenia, a przy malejącej wartości cosφ pojemnościowego prąd wzbudzenia należy zmniejszać.

 

4.     Wyznaczenie charakterystyki zewnętrznej.

 

Charakterystyka zewnętrzna maszyny tj. zależność napięcia na zaciskach twornika od prądu odciążenia przy znamionowym prądzie wzbudzenia, znamionowej prędkości kątowej.

Dodatkowo wyznaczenie wartości napięcia i prądu obciążenia przy stałej wartości prądu wzbudzenia i rezystancji obciążenia i zmiennej prędkości obrotowej.