Генераторы систем электроснабжения.

В предлагаемой статье рассказывается об устройстве и особенностях этих электрических машин.

	Генератор переменного тока с постоянными магнитами, однофазный. На рисунке показан в разрезе типичный представитель генераторов такого типа - 2МК208 ( мотоциклы ЗиД-200 "Сова", "Курьер"). Статор генератора 1 набран из тонких фигурных пластин электротехнической стали. Пакет пластин скреплен заклепками. На полюсах якоря 2 размещены восемь катушек 4 якорной обмотки. Ротор генератора - с когтеобразными полюсами. Высококоэрцитивный магнит (условно показан секторами 5 ) снабжен полюсными наконечниками 6 из магнитомягкой стали, и залит массой алюминиевого сплава, образующей так называемую "демпферную обмотку типа "беличья клетка"" 3 .
При вращении ротора магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами, проникает в магнитопровод статора и, циклично меняя при этом свою величину и направление, наводит ЭДС в якорной обмотке. Форма напряжения на обмотках при частоте вращения ротора 25 Гц показана на рисунке. Напряжение в режиме холостого хода (без нагрузки) растет пропорционально частоте вращения ротора. Так, для рассматриваемого генератора 2МК208 при частоте вращения 100 Гц (6000 об/мин) максимальное напряжение составит 120 вольт. Напряжение существенно несинусоидальное. Это является одной из особенностей генераторов данной конструкции.
	Работа генератора под нагрузкой. Реакция якоря. При наличии нагрузки в якорной обмотке начинает протекать ток. Соответственно, сама эта обмотка становится электромагнитом, поле которого стремится противодействовать ("вытеснять") изменению магнитного поля со стороны ротора. В современных генераторах применяются постоянные магниты из специальных сплавов, их проводимость для внешних (посторонних) магнитных полей очень низка. Из-за низкой магнитной проводимости ротора магнитное поле реакции якоря проходит не сквозь толщу ротора, а по изображенным на рисунке путям. В зоне алюминиевой заливки между полюсами происходит дополнительное "выталкивание" поля из ротора, объясняемое возникновением вытесняющих вихревых токов в алюминии при любой попытке проникновения внешнего магнитного поля в ротор. Итак, наблюдается противодействие изменению магнитного поля зубцов статора со стороны якорной обмотки. Это и есть "реакция якоря". Практически это означает, что такой генератор обладает, с точки зрения потребителей, некоторой внутренней индуктивностью, мешающей протеканию тока нагрузки. С другой стороны, ток не сразу "разгоняется" и не сразу "останавливается" в такой электромагнитной системе, что приводит к некоторому размагничиванию ротора. Само по себе нежелательное, это явление приводит вдобавок к снижению энергетических показателей (мощности) электрической машины. Положительным свойством такого "индуктивно-дроссельного" характера машины является возможность некоторой стабилизации напряжения и тока в бортовой сети.
Схема замещения Предельно упрощенная схема замещения приведена на рисунке. Она показывает, какими электрическими свойствами обладает генератор с точки зрения потребителей электроэнергии (внешняя характеристика). Uxx - ЭДС холостого хода, рассмотренная выше. Существенно несинусоидальная, переменная по частоте и амплитуде. R - сопротивление обмоток постоянному току. RB - эквивалентное сопротивление потерь на вихревые токи (главным образом, в стали полюсных наконечников и в демпферном слое). XL - внутреннее индуктивное сопротивление генератора, обусловленное реакцией якоря. Для генератора 2МК208 при частоте тока 50 Гц эти параметры составляют: R = 0,33 Ом, RB = 0,27 Ом, XL = 0,7 Ом (реактивное).
Внешние устройства. Стабилизаторы, компенсаторы, управляемые выпрямители. Как было отмечено ранее, генератор благодаря индуктивной компоненте обладает некоторой самостабилизацией. С ростом частоты вращения привода растут и частота тока, и напряжение. Однако индуктивное сопротивление тоже увеличивается прямо пропорционально частоте. Таким образом, растущее напряжение компенсируется растущим индуктивным сопротивлением. Разумеется, роль этого сопротивления проявляется лишь при достаточной нагрузке генератора. Если же включены только маломощные потребители, то сопротивление генератора несущественно и напряжение в бортовой сети приближается к напряжению холостого хода. Следовательно, одной лишь параметрической стабилизации недостаточно в условиях переменной нагрузки.
Электронный стабилизатор БКС. Обычно применяется параллельный ключевой стабилизатор (на электронном симметричном тиристоре). При этом используется то свойство дросселя, что при коротком замыкании в нагрузке он работает как балласт, ограничивая ток в сети и не допуская перегрузки генератора. Симистор в электронном блоке периодически, по мере необходимости, "закорачивает" цепь питания. Специальное устройство следит при этом за средним уровнем напряжения в сети, и управляет должным образом симистором. Широкое распространение такой схемы регулирования обусловлено и историческими причинами. Еще в 50-60-х годах электроннной промышленостью было освоено производство недорогих и мощных электронных приборов - тиристоров и симисторов. Это и позволило сконструировать доступные по цене блоки регулирования, стабилизации и зажигания.
Универсальный ключевой стабилизатор - компенсатор (проект) Как следует из названия, это устройство способно компенсировать индуктивное сопротивление генератора с целью получения дополнительной мощности. Регулирование производится управляемым мостовым выпрямителем. Рассмотрим два основных режима работы устройства. Мощность генератора избыточна. В этом режиме устройство работает аналогично классической схеме БКС. Роль симистора выполняют два нижних ключевых элемента. Они открываются одновременно, периодически обеспечивая короткое замыкание генератора. Мощность генератора недостаточна. Имеется в виду, что недостаточна мощность, передаваемая генератором в конкретную нагрузку. Иначе говоря, если бы нагрузка была согласована по параметрам с источником энергии - генератором, то передаваемая мощность была бы существенно больше. Для компенсации различия параметров нагрузки и источника энергии используется прием активной компенсации с применением управляемого выпрямителя. Суть такого приема заключается в следующем. В начале волны ЭДС генератора на его обмотку подается "помогающее" напряжение от внешнего источника. Ток в обмотке быстро нарастает, энергия пока передается в генератор извне. Когда собственная ЭДС генератора достигает максимума, происходит переключение нагрузки. Внешний источник присоединяется к генератору "встречно", стремясь противодействовать ЭДС генератора и прекратить ток в цепи. Происходит передача энергии от генератора в нагрузку. Заранее "приготовленный" ток обмоток оказывается совпадающим по направлению с ЭДС генератора, что и позволяет снять максимальную можность. На аналогичных принципах основаны известные способы повышения энергетической отдачи генераторов (явнополюсных синхронных машин). Например, используются компенсирующие конденсаторы, обеспечивающие обмен реактивной энергией с машиной. В литературе даются примеры использования и управляемых выпрямителей, при этом отмечается схожий эффект компенсации и повышение отдачи мощности. Сведущий в электротехнике читатель, наверное, может предложить и другой (простой) способ повысить отдачу генератора. Если генератор "имеет как бы встроенный дроссель" - а это так и есть - то можно компенсировать его индуктивное сопротивление с помощью внешнего конденсатора. В самом деле, емкость при правильном подборе полностью "уравновесит" внутреннюю индуктивность генератора. И это абсолютно верно. Но неприменимо для рассматриваемых нами машин по ряду причин. Частота тока - непостоянна и меняется в широких пределах. "Уравновешенный" на одной частоте генератор окажется полностью разбалансированным на другой. Ведь сопротивление конденсатора с ростом частоты уменьшается, а сопротивление дросселя - напротив, растет. ЭДС генератора несинусоидальна. Это означает, что немалая доля энергии содержится в высших (3, 5, 7,...) гармониках ЭДС. Если скомпенсировать индуктивность на частоте основной гармоники, то на частотах других гармоник никакой компенсации не выйдет, скорее, наоборот. Именно по этим причинам целесообразно использовать управляемый выпрямитель с внешним источником компенсирующего напряжения. Обеспечив оптимальное управление ключевыми элементами выпрямителя, можно с успехом решить задачу полной компенсации индуктивного сопротивления генератора. Одновременно с этим возможно получение и режимов ключевой стабилизации, ШИМ - управления и т.п. В качестве внешнего источника компенсирующего напряжения можно применить как штатный аккумулятор бортовой сети, так и конденсатор достаточной емкости. Так, для генератора типа 2МК208 (90 ватт) необходима емкость порядка 10000...30000 мкФ.
	Управляемый мост на MOSFET - транзисторах. Встроенные диоды - это не особое дополнение к транзистору, а неотъемлемый элемент структуры кристалла, характерный для всех подобных транзисторов и технологии вообще. Показанный на схеме мостовой комплект типичен для систем управляемого электропривода. Промышленностью выпускаются такие типовые мостовые схемы в однокорпусном исполнении, на самые разные токи и напряжения. Разумеется, для управления такими мостами предлагается множество разнообразных микросхем - драйверов. Стоит отметить, что внутренние диоды Шоттки обладают низким падением напряжения в сравнении с обычными диодами, что снижает потери напряжения в выпрямителе и нагрев элементов схемы. Сами же MOSFET - ключевые транзисторы могут обладать крайне низким (десятые и сотые доли ома) сопротивлением, что еще более снижает энергетические потери и позволяет "съэкономить" до 1,5-2,5 вольт напряжения источника.
Комбинированные генераторы. Цепи зажигания. Датчики. Нередко генератор представляют собой комбинированное устройство. Оно вырабатывает напряжение не только для бортовой сети освещения и сигнализации, но и для системы зажигания CDI, а также оснащено встроенными индукционными датчиками положения ротора. Налицо стремление конструкторов получить в одной электрической машине все источники энергии и сигналов, необходимые и достаточные для запуска и работы главной энергетической установки - двигателя внутреннего сгорания.
Подсистема зажигания. - Для чего экран? На рисунке показана типовая конструкция статорной обмотки зажигания и ее магнитной системы. Как видно, одна из группы обмоток отделена от остальных. Ее катушка намотана с большим количеством витков, тонким проводом. Эта обмотка вырабатывает напряжение для системы зажигания, составляющее для нормального искрообразования 150 вольт постоянного тока. Мощность, требуемая для системы CDI, невелика - единицы ватт. Важно лишь обеспечить быстрый перезаряд накопительного конденсатора в электронном блоке до указанных 150 вольт. Исходя из этих соображений, напряжение обмотки выбирается избыточным. В электронном блоке оно ограничивается стабилитроном, когда конденсатор полностью заряжен. Чтобы избежать перегрузки стабилитрона-ограничителя, обмотке зажигания придается дополнительная индуктивность. Устанавливается так называемый "экран" (более правильно - "магнитный шунт") поверх катушки, как показано на рисунке. Установка такого шунта эквивалентна увеличению XL, то есть, с точки зрения потребителей, источник напряжения зажигания снабжен внутренним высокоиндуктивным дросселем. Дроссель ограничивает максимальный ток в цепи в допустимых пределах. Если магнитный шунт отсутствует, это может привести к перегрузке стабилитрона внутри БКС и, соответственно, к выходу из строя системы зажигания. Если на высоких оборотах двигателя напряжение на разрядном конденсаторе не успевает нарастать до потребного уровня, и искрообразование нарушается - возможно, следует уменьшить магнитное шунтирование. Для этого надо сделать шунт из более тонкой стали, либо уменьшить его размеры.
	Индукционный датчик положения ротора. На роторе генератора одна из четырех пар магнитных полюсов сделана особо. Полюсные наконечники сделаны шире в основании, а их концы - сужены, как показано в правой части рисунка. Одна из катушек статора тоже особая. Она выполнена из двух отдельных катушек, надетых на выступ статора, в котором изъята средняя часть. Катушки соединены последовательно-встречно, так что при прохождении в их зоне обычных полюсов ротора наводимая ЭДС взаимно компенсируется (почти компенсируется). Картина меняется при прохождении пары "сдвинутых" полюсов. В показанном на рисунке положении магнитное поле втекает в магнитопровод одной катушки, и вытекает из магнитопровода другой. Наводимые в катушках ЭДС противоположны, но и катушки соединены "встречно", поэтому суммарное напряжение оказывается в этот момент велико (см. рис.).
Входные цепи БКС . Фильтр сигнала датчика. БКС-1МК211 и его отличие от БКС-261.373 На рисунке показана типовая схема входных цепей БКС, предназначенного для работы со встроенным индукционным датчиком генератора. Схема работает так, чтобы выделять наибольшие всплески напряжения, и в последующем вести отсчет входного напряжения от их уровня. Конденсатор заряжается до уровня входного напряжения, а затем медленно разряжается до прихода следующего пика входного напряжения. При каждом подзаряде конденсатора протекает импульс тока через управляющий электрод тиристора системы зажигания. На сигналы меньшего уровня схема не реагирует. Как показывают измерения и опыты, входные цепи БКС-1МК211 сделаны по аналогичной схеме. В этом заключается отличие от более старых БКС-261.373, предназначенных для работы с другими датчиками и генераторами. Применение старых БКС-261.373 совместно с генератором 2МК208 возможно. Для этого надо лишь изготовить переходное устройство по схеме, показанной на рисунке. Работа системы зажигания в этом случае, как показали опыты, абсолютно идентична работе со штатным БКС. Недостатки типовой схемы. В первую очередь - это возможность преждевременных, ложных срабатываний при запуске двигателя, когда конденсатор входной цепи еще не заряжен. Проявляется это как "отдача" при попытке запуска кикстартером. Другой недостаток - это "неуспевание" конденсатора разрядиться до прихода следующего импульса, если обороты двигателя очень высокие. Это может (теоретически) приводить к пропускам сигнала и невозможности работать на высоких оборотах. Итак, было бы желательно избавиться от перечисленных недостатков (реальных или мнимых), для чего нужны новые схемотехнические решения.
Пример фильтра входной цепи для микропроцессорной схемы управления зажиганием. На рисунке показана схема фильтра и осциллограммы сигналов до и после него (в разных масштабах). Важно отметить, что форма и уровень выходного сигнала неизменны в широком диапазоне частот вращения и входных напряжений. Возможно, подобный фильтр обеспечит более уверенное формирование сигнала зажигания в момент запуска двигателя, а также на повышенных частотах вращения.