ГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к оборудованию транспортных средств, а именно к генераторным установкам, обеспечивающих электроэнергией основные и вспомогательные электрические устройства транспортных средств при их эксплуатации. Привод генераторной установки, как правило, производится от основного двигателя транспортного средства. К транспортным средствам, в данном случае, относятся автомобили, мототехнические изделия, легкомоторные самолеты и другие машины, которые при их эксплуатации могут оказываться в местах отдаленных от ремонтных мастерских.
Известна генераторная установка транспортного средства, содержащая положительную и отрицательную шины питания, аккумулятор, генератор и вибрационный электромеханический регулятор напряжения, обеспечивающий стабилизацию напряжения генератора (Теория, конструкция и расчет автотракторного электрооборудования. Под редакцией М.Н.Фесенко и др. - М. Машиностроение, 1979.)
Основным недостатком вибрационного регулятора напряжения является наличие металлических вибрирующих контактов, которые при коммутации тока возбуждения генератора окисляются и подгорают, и поэтому имеют ограниченный ресурс работы, что в целом ограничивает надежность работы установки. Восстановление работоспособности вибрационного регулятора напряжения требует наличия определенных инструментов и навыка у обслуживающего персонала. Поэтому при выходе из строя вибрационного регулятора напряжения в случае отсутствия определенных инструментов и обслуживающего персонала транспортное средство становится неработоспособным и требует мероприятий по его доставке в ремонтную мастерскую.
Известна генераторная установка транспортного средства, содержащая положительную и отрицательную шины питания, аккумулятор, генератор и бесконтактный транзисторный регулятор напряжения (Тимофеев Ю.Л., Ильин Н.М., Тимофеев Г.Л. Электрооборудование автомобилей: устранение и предупреждение неисправностей. - М. Транспорт, 1994). Отсутствие металлических контактов, коммутирующих ток возбуждения генератора, и использование вместо них бесконтактных полупроводниковых элементов, существенно повышает надежность работы генераторной установки и транспортного средства в целом.
Недостатком данной генераторной установки является достаточно высокая вероятность теплового разрушения транзисторов и других полупроводниковых элементов регулятора напряжения при эксплуатации в условиях высокой положительной температуры. Высокая температура формируется либо внешними условиями, либо источниками тепла от других агрегатов транспортного средства, вблизи которых располагается регулятор напряжения.
Полезная модель решает задачу повышения надежности транспортного средства путем применения дополнительных элементов, обеспечивающих удовлетворительную краткосрочную работу генераторной установки при выходе из строя регулятора напряжения.
Сущность полезной модели поясняется структурной схемой установки.
Генераторная установка транспортного средства содержит положительную 1 и отрицательную 2 шины питания, к которым подключен аккумулятор 3 установки. Генератор 4 установки состоит из обмотки 5 статора, выпрямительного блока 6, обмотки 7 ротора и двух скользящих контактов 8 и 9. Обмотка 5 статора соединена с входом выпрямительного блока 6, два выхода выпрямительного блока 6 соединены соответственно с положительной 1 и отрицательной 2 шинами, один вывод обмотки 7 ротора через первый скользящий контакт 9 соединен с отрицательной шиной 2, другой вывод обмотки 7 ротора последовательно через второй скользящий контакт 8 и регулятор 10 напряжения генератора 4 соединен с положительной шиной 1. Для обеспечения работы генератора 4 при выходе из строя регулятора 10 напряжения установка содержит двухпозиционный переключатель 11, включенный между вторым скользящим контактом 8 и регулятором 10 напряжения, причем выход переключателя 11 соединен со вторым скользящим контактом 8, а два входа переключателя параллельно соединены с положительной шиной 1 соответственно через регулятор 10 напряжения и через резистивный элемент 12.
Включение переключателя 11 в первую позицию формирует основную схему работы генератора 4 с регулятором 10 напряжения, перевод переключателя 11 во второй позицию исключает из работы регулятор 10 напряжения и обеспечивает с помощью резистивного элемента 12 ток обмотки 7 ротора (ток возбуждения) генератора 4 близким к его среднему эксплутационному значению.
Положительная шина 1 выполняется преимущественно в виде электрически соединенной сети проводов, а в качестве отрицательной шины 2, как правило, используются металлические детали и части транспортного средства.
Аккумулятор 3 наиболее часто выполняется в виде батареи из нескольких соединенных последовательно свинцово-кислотных гальванических элементов.
Генератор 4 установки представляет собой электрическую машину переменного тока, которые широко используются в автомобильном электрооборудовании.
Обмотка статора 5 генератора 4 выполнена в виде проволочных катушек, которые расположены в пазах неподвижной части генератора 4.
Обмотка 7 ротора генератора выполнена в виде проволочной катушки расположенной на ферромагнитном сердечнике, один конец которого выведен наружу генератора 4 и кинематически соединен с валом двигателя транспортного средства.
Скользящие контакты 8 и 9 генератора 4 представляют собой соответственно металлические кольца, вращающиеся вместе с ротором и неподвижные токопроводящие меднографитовые щетки, касающиеся колец и имеющие выходы из корпуса генератора 4. Между щетками и кольцами имеются электрические контакты, которые позволяют протекать электрическому току от неподвижного источника тока установки по вращающейся обмотке 7 ротора.
Выпрямительный блок 6 генератора 4 представляет собой широко используемую электрическую схему выпрямления переменного тока, соединяющую полупроводниковые выпрямительные диоды и обеспечивающую разнополярное однонаправленное протекание тока от обмотки 5 статора на выходы выпрямительного блока 6.
Регулятор 10 напряжения в своей основе содержит мощный транзистор, проводимость которого изменяется в зависимости от величины приложенного к регулятору 10 напряжения. Для переключения транзистора используется электрическая схема, анализирующая величину приложенного напряжения и управляющая транзистором. Подобные схемы широко используются в автомобильном электрооборудовании.
Двухпозиционный переключатель 11 режимов работы генераторной установки представляет собой коммутирующее устройство, которое замыкает выход переключателя с одним из его входов в зависимости от положения управляющего ручного привода. Указанные переключатели широко применяются в автомобильном электрооборудовании.
Резистивный элемент 12 представляет собой электрическое сопротивление, которое может быть выполнено в виде проволочного электрического резистора с требуемой величиной сопротивления и габаритами необходимыми для рассеивания тепла, выделяемого в резистивном элементе 12.
Также резистивный элемент 12 может быть выполнен в виде автомобильной электрической лампы накаливания с соответствующим питающим напряжением и требуемой величины сопротивления. Габаритные размеры лампы позволяют использовать ее для рассеивания тепла при питании напряжением, не превышающим номинальное напряжение.
Генераторная установка работает следующим образом.
При подключении аккумулятора 3 соответственно к положительной 1 и отрицательной 2 шинам между ними устанавливается напряжение, равное напряжению аккумулятора 3.
При напряжении между положительной 1 и отрицательной 2 шинами, равном напряжению аккумулятора 3, регулятор 10 напряжения переходит в замкнутое состояние выводов, и в генераторной установке возникает электрическая цепь: положительная 1 шина - регулятор 10 напряжения - переключатель 11 - скользящий контакт 8 генератора 4 - обмотка 7 ротора (обмотка возбуждения генератора 4) - скользящий контакт 9 генератора 4 - отрицательная 2 шина. В замкнутой цепи возникает ток, который проходит по обмотке 7 ротора. От тока обмотки 7 ротора возникает магнитный поток между полюсами обмотки 7 ротора, то есть обмотка 7 ротора с током представляет собой электромагнит. При вращении ротора генератора 4 внешним двигателем транспортного средства магнитный поток электромагнита пересекает неподвижную обмотку 5 статора и в обмотке 5 статора возникает переменная электродвижущая сила (согласно закону электромагнитной индукции).
Возникающая в обмотке 5 статора ЭДС поступает на входы выпрямительного блока 6, формируя на его выводах постоянное по форме напряжение, при этом вывод блока 6 с положительным потенциалом напряжения подключен к положительной 1 шине, а с отрицательным - к отрицательной 2 шине.
При наличии наведенной ЭДС напряжение между положительной 1 и отрицательной 2 шинами, ранее равное напряжению аккумулятора 3, увеличивается, что приводит к росту напряжения на регуляторе 10. Регулятор 10 при превышении номинального напряжения размыкает контакт между своими выводами, цепь тока обмотки 7 ротора разрывается, ток возбуждения в электромагните прекращается. Это ведет к исчезновению магнитного потока обмотки 7 ротора и к уменьшению ЭДС в обмотке 5 статора. На выходах выпрямительного блока 6 напряжение ЭДС исчезает, а напряжение между положительной 1 и отрицательной 2 шинами уменьшается до величины напряжения аккумулятора 3.
При напряжении между положительной 1 и отрицательной 2 шинами, равном напряжению аккумулятора 3, регулятор 10 напряжения переходит в замкнутое состояние, цепь обмотки 7 ротора восстанавливается, начинает протекать ток возбуждения и формируется магнитный поток, наводящий ЭДС в обмотке 5 статора при вращении ротора. ЭДС через выпрямительный блок 6 повышает напряжение между положительной 1 и отрицательной 2 шинами выше величины напряжения аккумулятора 3, и регулятор 10 напряжения размыкает цепь обмотки 7 ротора. Далее процессы изменения тока в обмотке 7 ротора повторяются.
Таким образом, регулятор 10 напряжения обеспечивает между положительной 1 и отрицательной 2 шинами величину напряжения, несколько превышающую напряжение аккумулятора 3, что обеспечивает как заряд аккумулятора 3, так и работу электрических элементов при напряжении, близком к номинальному.
Регулятор 10 напряжения при работе генератора 4 находится либо в замкнутом состоянии, либо в разомкнутом. Оба указанные состояние обеспечивают незначительное выделение тепла на коммутирующем элементе - транзисторе, основная же часть тепловой мощности выделяется в периоды времени, когда происходит переключения транзистора из одного состояния в другое. Так как процесс переключения происходит быстро, то выделение тепла на коммутирующем элементе - транзисторе незначительно, что является положительной стороной применения бесконтактных транзисторных регуляторов 10 напряжения.
Однако при эксплуатации транспортного средства возможно внешнее поступление тепла к регулятору 10 напряжения либо от окружающей среды, либо от других агрегатов транспортного средства, вблизи которых располагается регулятор 10 напряжения. При повышенной температуре надежность работы полупроводниковых элементов снижается и увеличивается вероятность появления неисправностей в регуляторе 10 напряжения.
Неисправности регулятора 10 напряжения проявляются либо коротким замыканием между его входом и выходом, либо полной потерей контакта между входом и выходом. В первом случае генераторная установка формирует повышенное напряжение на выходе выпрямительного блока 6, во втором случае - отсутствие напряжения на выходе выпрямительного блока 6. Оба случая неисправностей приводят в итоге к выходу из строя электрических систем транспортного средства и к непригодности его к эксплуатации.
Для восстановления работоспособности регулятора 10 напряжения необходимо доставить транспортное средство в ремонтную мастерскую, что требует обеспечить хотя бы на время доставки удовлетворительную работу генераторной установки.
Для этого создается альтернативная электрическая цепь, которая, минуя регулятор 10 напряжения и при использовании минимального числа дополнительных элементов, обеспечивает обмотку 7 ротора током, который при средних частотах вращения ротора и при средней электрической нагрузке делает напряжение генератора 4 близким к номинальному.
Указанная электрическая цепь состоит из двухпозиционного переключателя 11 и резистивного элемента 12. Установка управляющего привода переключателя 11 в первую позицию формирует основную схему работы генератора 4 с регулятором 10 напряжения. Переключение переключателя 11 во вторую позицию исключает из работы регулятор 10 напряжения и обеспечивает с помощью резистивного элемента 12 ток обмотки 7 ротора генератора 4 близким к его среднему постоянному значению.
При использовании альтернативной схемы изменения оборотов вала двигателя транспортного средства, а, следовательно, и вала ротора, а также электрической нагрузки, изменяется напряжение между положительной 1 и отрицательной 2 шинами питания, но транспортное средство в целом еще некоторое время может эксплуатироваться. Однако длительное питание цепи обмотки 7 ротора постоянным током может привести к выходу из строя аккумулятора 3, что не позволит использовать некоторые элементы электрооборудования установки в номинальных режимах (например, электрические лампы освещения транспортного средства).
Формирование величины постоянного усредненного тока обмотки 7 ротора производится включением в цепь резистивного элемента 12 с величиной сопротивления, обеспечивающим ток в диапазоне 2…5% номинального тока нагрузки генератора 4.
Конструктивное исполнение резистивного элемента должно обеспечивать его охлаждение с помощью естественной конвекции даже в случае поступления внешнего теплового воздействия. Резистивный элемент может быть выполнен в виде проволочного резистора с соответствующими сопротивлением и размерами. В качестве резистивного элемента может также использоваться автомобильная лампа накаливания с соответствующими электрическим сопротивлением и максимальной рассеиваемой мощностью. Такой резистивный элемент малогабаритный и надежный.
Таким образом, наличие в генераторной установке транспортного средства дополнительного двухпозиционного переключателя и резистивного элемента позволяет обеспечить удовлетворительную краткосрочную работу генераторной установки при аварийных ситуациях с регулятором напряжения, что в целом повышает надежность транспортного средства.