Способ диагностирования автомобильных генераторов по спектру выходного напряжения
METHOD FOR DIAGNOSING AUTOMOTIVE GENERATORS BY THE OUTPUT VOLTAGE SPECTRUM

Изобретение относится к диагностической технике и может быть использовано для определения технического состояния автомобильных генераторов.
Известно устройство для определения неисправности автомобильного генератора (JP 3833600) путем анализа характеристик волны пульсации напряжения. При помощи вольтметра определяется выходное напряжения генератора, а также период волны и размах пульсации. Определение технического состояния производится в несколько этапов: на первом этапе определяется период волны пульсаций, это позволяет определить неисправность статора. На втором этапе определяется разница между периодом волны на данном цикле и предыдущем, это позволяет установить неисправность выпрямителя. На третьем этапе устанавливается разница между средним напряжением на выходе генератора и напряжением в данный момент. Превышение этой разницы выше нормы говорит об отказе регулятора напряжения. Недостаток данного метода состоит в необходимости использования вычислительной аппаратуры с соответствующим программным обеспечением.
Известен метод и устройство для диагностирования выпрямительного блока автомобильного генератора переменного тока (US 4178546), в котором определение неисправности одного или нескольких диодов основывается на измерении частоты гармоник посредством фильтрации выпрямленного напряжения. Недостатком подобного способа является конструктивная сложность устройства, а также возможность определения неисправностей только выпрямительного блока автомобильного вентильного генератора.
Известно устройство и метод идентификации технического состояния автомобильного генератора (US 6862504) путем сравнения выходного напряжения и размаха пульсаций, характеризующих работу генератора при различных внешних условия, в частности при разных значения частоты вращения коленчатого вала. При возникновении несоответствия рабочих параметров генератора с внешними факторами генератор определяется как неисправный. Недостаток данного метода состоит в том, что не устанавливается, какая конкретно неисправность возникла.
Известно устройство и метод определения неисправности фазы автомобильного генератора по его фазовым выходным сигналам (US 5252926). При определении технического состояния генератора устанавливается значение напряжения генератора, размаха его пульсаций. Путем сравнения полученных параметров с допустимыми устанавливается неисправность фаз статора. Недостаток данного метода состоит в том, что определяется техническое состояние всего лишь одного элемента и не осуществляется идентификации неисправности в случае ее присутствия. Устройство просто сообщает о том, что фаза статора вышла из строя.
Известен метод и устройство определения короткого замыкания диодного моста (US 9431941) которое определяет неисправности выпрямителя автомобильного генератора путем определения напряжения и силы тока на обмотке возбуждения и периода пульсаций. Для каждой неисправности характерен свой период пульсации напряжения. Соответственно если пульсация тока в обмотке совпадает с пульсацией, характерной для определенной неисправности, генератор считается как неисправный.
В работе «Health Monitoring and Fault Detection of Claw-pole Generators» Siwei Cheng установил, что различные неисправности генератора можно соотнести с возникновением соответствующей гармонической составляющей. Однако автором рассмотрена лишь часть неисправностей системы электроснабжения автомобиля (дефекты приводного ремня, эксцентриситет ротора, неисправности подшипников).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения неисправностей автомобильных вентильных генераторов с помощью осциллографа (RU 2692403) путем анализа формы осциллограмм выходного напряжения. Отличительной особенностью данного способа является возможность оперативного определения технического состояния автомобильных генераторов непосредственно на автомобиле на основе использования базы данных, в которой установлено соответствие между формой осциллограммы, конкретной неисправностью автомобильного генератора и стадией ее развития.
Недостатком прототипа можно считать недостаточную информативность осциллограмм в начальной стадии развития неисправностей (фиг. 1), что не позволяет достоверно конкретизировать неисправность автомобильного генератора.
Техническим результатом использования предлагаемого способа является возможность распознавания конкретных неисправностей автомобильных генераторов непосредственно на автомобиле на основе спектрального анализа выходного напряжения.
Указанный технический результат достигается тем, что для определения неисправностей предлагается снимать осциллограммы на силовом выходе автомобильного генератора (фиг. 2). Для определения конкретных неисправностей предлагается разложить полученную осциллограмму с помощью быстрого преобразования Фурье на гармонические составляющие и сопоставлять с набором гармоник, соответствующим характерным неисправностям автомобильных генераторов, приведенным на фиг. 4 - фиг. 9.
Фиг. 1 Недостаточная информативность осциллограмм выходного напряжения
Фиг. 2 Способ диагностирования автомобильных генераторов по спектру выходного напряжения
Фиг. 3 Спектр работоспособного генератора
Фиг. 4 Обрыв диода выпрямителя
Фиг. 5 Короткое замыкание диода выпрямителя
Фиг. 6 Межфазное замыкание обмотки статора
Фиг. 7 Обрыв фазы статора
Фиг. 8 Межвитковое замыкание фазы статора
Фиг. 9 Замыкание обмотки статора на корпус
Проведение проверки выполняется в следующей последовательности: осуществляют запуск двигателя автомобиля; присоединяют положительный щуп переносного осциллографа (PS) к силовому выводу генератора (B+), отрицательный щуп осциллографа - к отрицательной клемме аккумуляторной батареи; включают переносной осциллограф и фиксируют осциллограмму выходного напряжения генератора; используя встроенную в осциллограф функцию разложения сигнала в ряд Фурье (БПФ - быстрое преобразование Фурье) преобразуют осциллограмму выходного напряжения генератора в набор гармонических составляющих; записывают полученную амплитудо-частотную характеристику в память осциллографа, либо на подключенный к нему flash-накопитель.
Полученные амплитудо-частотные характеристики анализируются на предмет наличия дробных гармоник , располагающихся между нулевой  и первой , (фиг. 4 - фиг. 8). Частота дробных гармоник определяется по формуле (1).
(1)
где f - частота гармоники, Гц;
k - порядковый номер гармоники, k = 1, 2 … 5;
n - частота вращения коленчатого вала автомобильного двигателя, 1/мин;
i - передаточное отношение шкив генератора - шкив двигателя.
Поскольку в спектре работоспособного генератора (фиг. 3) дробные гармоники отсутствуют, то их наличие позволяет вынести заключение о техническом состоянии автомобильного генератора, и о том, какую конкретно неисправность он имеет.
Таким образом, по сравнению с прототипом, заявленный способ диагностирования автомобильных генераторов повышает точность определения технического состояния на основе анализа спектра выходного напряжения и обеспечивает возможность конкретизации характерных неисправностей генераторов.