Studiul si trasarea caracteristicilor alternatorului

STUDIUL SI TRASAREA CARACTERISTICILOR ALTERNATORULUI

1. SCOPUL LUCRARII

Lucrarea are ca scop principal cunoasterea alternatorului si urmareste reliefarea unor aspecte legate de :

- locul si rolul acestuia in sistemul de alimentare cu energie electrica (SAEE) al automobilului;

- partile componente si solutiile constructive adoptate;

- trasarea caracteristicilor;

- posibilitatile de modelare matematica.

Comportamentul si particularitatile alternatorului trebuie cunoscute deoarece intervin in momentul proiectarii celorlalte componente ale SAEE.

2. CONSIDERATII TEORETICE

2.1. Structura sistemului de alimentare

Analizand figura 1 in care se prezinta o schema bloc tipica pentru SAEE, se observa ca acesta dispune de doua surse de alimentare: un generator electric (de regula un alternator) si o baterie de acumulatoare. Aportul celor doua surse, in acoperirea necesarului de energie electrica al automobilului, depinde, in mare masura, de regimul de lucru al motorului termic.

Fig. 1.

Din acest punct de vedere exista urmatoarele situatii:

a) motor termic oprit - energia electrica este asigurata de catre bateria de acumulatoare;

b) motor termic putin turat - energia electrica poate fi acoperita, in functie de numarul de consumatori, de generator sau de generator si bateria de acumulatoare;

c) motor termic turat - energia electrica este asigurata numai de catre alternator.

Bateria de acumulatoare este denumita si baterie SLI, deoarece principala sa sarcina consta in alimentarea sistemelor de pornire (Starting), iluminat (Liting), si aprindere (Ignition). Comportamentul sau este reversibil putand functiona atat in regim de generator cat si in regim de consumator.

Generatorul electric, dinam sau alternator, converteste in energie electrica o parte din energia mecanica preluata de la motorul termic. Automobilele actuale sunt dotate cu alternatoare datorita avantajelor nete ale acestora in raport cu dinamurile.

Regulatorul de tensiune, denumit impropriu si "releu de tensiune", trebuie sa actioneze asupra parametrilor generatorului astfel incat tensiunea generata sa fie constanta si independenta de turatia de antrenare sau curentul de sarcina.

2.2. Alternatorul auto

Alternatorul este o masina electrica sincrona, de curent alternativ, ce lucreaza in regim de generator. In aplicatiile auto s-au impus constructii insotite si de un grup redresor, fapt ce confera ansamblului caracterul de generator de curent continuu.

Functionarea alternatorului se bazeaza pe fenomenul inductiei electromagnetice, fenomen ce are ca efect aparitia unei tensiuni electromotoare la bornele unei spire supuse unei variatii de flux magnetic. In functie de modalitatile tehnice de realizare ale variatiei de flux exista mai multe tipuri de alternatoare. O posibila clasificare a alternatoarelor, din punct de vedere constructiv, se prezinta mai jos:

Alternator __ excitatie __ electromagnetica __ cu poli sub forma de gheara si inele colectoare

__ cu poli aparenti

__ cu rotor pahar

__ cu excitatie pe stator

__ magnet permanent __ cu rotor pahar

__ cu comutator magnetic

__ numarul de faze ale indusului __monofazat

polifazate

__ regulator de tensiune __separat

ญญญ__ incorporat

Majoritatea automobilelor moderne sunt echipate cu alternatoare cu excitatie electro-magnetica, cu poli sub forma de gheara. Acest tip de alternator este produs de firme de prestigiu in productia de echipament electric cum sunt: Bosh - Germania, Motorola - SUA, Lucas - Anglia, Ducellier - Franta, Electrostroi - Rusia. etc. La noi in tara este produs de Electroprecizia Sacele.

Principalele parti componente ale unui alternator sunt prezentate schematic in fig.2, iar rolul acestora este sintetizat in tabelul 1.

Fig. 2

2.3. Principiul de functionare

Alternatorul produce energie electrica daca, simultan cu antrenarea rotorului, exista si curent de excitatie. Sa presupunem bobina de excitatie alimentata in cc astfel incat sensul curentului de excitatie sa fie cel indicat in fig.2. Pentru aceasta situatie liniile campului magnetic generat se vor inchide dupa traseul G, iar sensul de parcurgere este dat de regula burghiului drept. Deci traseul liniei de camp magnetic este urmatorul: polul N (piesa polara din stanga desenului), intrefier, stator, intrefier, polul S (piesa polara din dreapta desenului), bucsa, polul N. Fluxul magnetic creat de bobina de excitatie F_m este constant si prezinta doua componente: una utila F_u si una de dispersie F_s, relatia de legatura fiind: F_m F_u F_s. Datorita antrenarii rotorului, precum si modului ingenios de plasare a polilor magnetici, fluxul care strabate o bobina statorica are forma:

F_u F_um coswt ( 1 )

iar tensiunea electromotoare culeasa de o spira, e_spare expresia:

e_sp = d(F_u)/dt = F_um sinw t( 2 )

Tensiunea electromotoare a unei faze este o suma fazoriala a tensiunilor electromotoare induse in spirele ce alcatuiesc bobina. Se poate scrie:

e_f = k_w w e_sp ( 3 )

unde: k_w reprezinta factorul de infasurare, cu valori cuprinse intre zero si unu,

w - numarul de spire ale infasurarii de pe o faza.

Se poate arata ca tensiunea electromotoare efectiva pentru o faza este data de relatia:

E_f = (2)^1/2p p k_w w n F_um / 60 = K n F_{u m} ( 4 )

in care: p - reprezinta numarul de perechi de poli,

n - turatia de antrenare exprimata in rpm.

Analizand ultima relatie se observa ca t.e.m. de pe o faza depinde direct proportional cu turatia de antrenare si cu fluxul masinii.

La functionarea in gol, curentul de sarcina fiind nul, tensiunea Ugo, de la bornele alternatorului este aproximativ egala cu E_f, ansa nu acelasi lucru se intampla la functionarea in sarcina, caz in care tensiunea Ug scade datorita pierderilor cauzate de rezistentele si reactantele infasurarilor.

Schema echivalenta a alternatorului pentru lucrul in sarcina este prezentata in figura 3.

Fig. 3

La functionarea in sarcina, tensiunea la bornele alternatorului scade, deoarece, pe linga fluxul magnetic util, generat de bobina de excitatie, mai apare un flux magnetic de reactie generat de curentul de sarcina, ce parcurge infasurarile statorice. Din aceasta cauza tensiunea la bornele alternatorului se poate exprima sub forma:

U_g =U_go - DU(I_s)

3. MONTAJUL SI APARATURA NECESARA

Trasarea caracteristicilor alternatorului se face cu ajutorul standului specializat din dotarea laboratorului de electronica auto. Schema electrica utilizata in acest scop este prezentata in fig. 4.

Aparate necesare:

Ae - ampermetru 0 3A;

Re - reostat pentru limitarea curentului de excitatie;

As - ampermetru 0 40A pentru masurarea curentului de sarcina;

Fig. 4   

V - voltmetru 0 30V pentru masurarea tensiunii la borne;

BA - bateria de acumulatoare (12V);

k₁ k₁₅ - comutatoare pentru cresterea treptata a sarcinii electrice;

h₁ h₁₅- becuri 24V/60W ;

Grup antrenare cu posibilitatea de reglare a turatiei.

4. DESFASURAREA LUCRARII

4. 1. Pentru fiecare tip de alternator existent in laborator se identifica partile componente, se urmareste intelegerea principiilor de functionare si se precizeaza avantajele si dezavantajele acestora.

4. 2. Trasarea caracteristicilor de mers in gol

Pentru curentul de sarcina nul I_s = 0 si pentru turatie constanta de antrenare se determina experimental dependenta tensiunii de borne (U_go) in functie de valoarea curentului de excitatie (I_e ). Deci: U_go = f (I_e ) pentru I_s = 0, n = ct, excitatie separata.

Modul de lucru:

- se pozitioneaza R_e la valoarea maxima;

- se porneste standul de antrenare si se creste gradat turatia pana la valoarea dorita;

- cu ajutorul lui R _ese regleaza in sens crescator (de la 0 la 2A ) curentul de excitatie urmarindu-se tensiunea la borne;

- se repeta masuratorile pentru aceleasi valori de la punctul anterior, dar regland curentul de excitatie in sens descrescator;

- se regleaza o noua turatie de antrenare si se repeta punctele anterioare.

Rezultatele obtinute se trec in tabelul de mai jos:

Obs: Caracteristica de mers in gol pentru n = ct se obtine prin medierea valorilor obtinute pentru cele doua sensuri de variatie a curentului de excitatie.

O alta familie de caracteristici de mers in gol este data de dependenta tensiunii la borne, functie de turatia de antrenare pentru curenti de excitatie constanti.

Deci: U_go = f (n) pentruI_e = ct, I_s = 0, excitatie separata.

Modul de lucru :

- se fixeaza din reostatul R_e valoarea dorita a curentului de excitatie;

- pentru diferitele valori ale turatiei de antrenare se urmareste tensiunea la borne;

- se regleaza o alta valoare pentru curentul de excitatie si se reia punctul anterior;

Rezultatele se trec in tabelul urmator:

4. 3. Trasarea caracteristicii de mers in sarcina

Se determina experimental dependenta dintre tensiunea la bornele alternatorului (Ug) si valoarea curentului de sarcina in conditiile in care se mentin constante turatia de antrenare si curentul de excitatie.

Deci: Ug=f(Is) pentru Ie=ct., n=ct., excitatie separata.

Modul de lucru :

- se pozitioneaza reostatul R_e pe valoarea maxima;

- se antreneaza rotorul la o turatie de 2000 rpm;

- se regleaza nivelul excitatiei astfel incat tensiunea de mers in gol sa fie de 20V;

- se creste progresiv curentul de sarcina prin introducerea de lampi cu ajutorul comuta- toarelor Ki;

- pentru fiecare valoare a curentului de sarcina se citeste Ug .

Rezultatele obtinute se trec in tabelul urmator:

4. 4. Trasarea caracteristicii de debit

Aceasta caracteristica indica, pentru fiecare turatie de antrenare, valoarea maxima a curentului ce poate fi debitat de alternator astfel incat tensiunea la bornele acestuia sa nu scada sub 14V. De aceasta data se lucreaza cu autoexcitatie.

Deci: Is=f(n) astfel incat Ug=14V, excitatie derivatie.

Modul de lucru :

- se trece K pe pozitia "autoexcitatie";

- se scurtcircuiteaza reostatul Re;

- se creste treptat turatia de antrenare pana cand tensiunea de mers in gol este de 14V, acesta fiind primul punct al caracteristicii;

- se creste turatia de antrenare, efectul imediat va fi cresterea tensiunii la borne;

- se "incarca" progresiv alternatorul pana cand tensiunea la borne scade la 14V, moment in care se obtine un alt punct al caracteristicii;

- se repeta ultimele doua operatii de mai multe ori.

Rezultatele se trec in tabelul urmator:

4. 5. Trasarea caracteristicii de scurtcircuit

Caracteristica prezinta dependenta curentului de scurtcircuit functie de turatia de antrenare si este utilizata in dimensionarea corecta a diodelor din blocul redresor.

Deci: Isc = f(n) pentru Ie=ct., Ug= 0V, excitatie separata.

Modul de lucru :

- se trece K pe pozitia "excitatie separata";

- la turatia maxima de antrenare se regleaza curentul de excitatie astfel incat tensiunea de mers in gol sa fie 14V, dupa care curentul de excitatie se mentine nemodificat;

- se scurtcircuiteaza bornele sarcinii folosind un conductor mai gros;

- pentru diferite turatii de antrenare se citesc valorile curentului de scurtcircuit.

Rezultatele se trec in tabelul urmator:

4. 6. Trasarea caracteristicilor de reglaj

Prima familie de caracteristici de reglaj, consta in determinarea relatiei ce trebuie sa existe intre curentii de sarcina si excitatie, astfel incat tensiunea la bornele alternatorului sa se mentina constanta, la o valoare, de exemplu 14V, in ipoteza antrenarii la turatie constanta.

Deci: Ie=f(Is) pentru n=ct., Ug=14V, excitatie separata.

Modul de lucru :

- se trece K pe pozitia "excitatie separata";

- se regleaza turatia de antrenare dorita si se mentine constanta in timpul determinarilor;

- cu ajutorul comutatoarelor Ki se fixeaza un curent de sarcina intre 0 si 20A;

- se actioneaza asupra reostatului Re pana cand Ug=14V, perechea de valori (Ie,Is) se trece in tabelul de mai jos;

- se repeta ultimele doua actiuni pentru a obtine cat mai multe perechi (Ie,Is).

Masuratorile se fac pentru mai multe turatii, iar rezultatele se trec in tabelul urmator:

O alta familie de caracteristici de reglaj este exprimata de relatia:

Ie=f(n) pentru Is=ct., Ug=14V, excitatie separata.

Modul de lucru :

- se trece K pe pozitia "excitatie separata";

- se fixeaza o valoare a sarcinii care se va mentine constanta in timpul determinarilor;

- pentru diferite turatii de antrenare se regleaza curentul de excitatie, din reostatul Re, astfel incat tensiunea la borne sa se mentina constanta la o valoare de 14V. Valorile determinate pentru n si Ie se trec in tabel.

- se refac etapele anterioare, dar pentru alte valori ale curentului de sarcina.

Rezultatele se centralizeaza in tabelul de mai jos:

5. CONTINUTUL REFERATULUI

Prelucrarea datelor si trasarea caracteristicilor, pe baza rezultatelor experimentale, se vor realiza in MATLAB. Referatul trebuie sa contina in mod obligatoriu urmatoarele:

schema de montaj utilizata in trasarea caracteristicilor;

tabelele cu datele experimentale;

programele MATLAB pentru prelucrarea si trasarea caracteristicilor;

comentarii si observatii la rezultatele obtinute;

raspunsul la intrebari;

rezolvarea temei de casa.

INTREBARI:

Motivati necesitatea utilizarii tolelor de otel din alcatuirea statorului?

Cum explicati prezenta unei tensiuni la bornele alternatorului chiar si atunci cand curentul de excitatie este nul ?

Se poate inlocui bobina de excitatie cu un magnet permanent ? Daca da, ce avantaje si dezavantaje ar rezulta in acest caz ?

Care este motivul pentru care, la mersul in gol, caracteristica obtinuta pentru sensul crescator al curentului de excitatie nu coincide cu cea obtinuta pentru sensul descrescator ?

Cum mai poate fi interpretata, privita la o alta scara, caracteristica de mers in gol ?

Care sunt factorii de care depinde tensiunea generata de alternator ?

Care este efectul cresterii sarcinii asupra tensiunii la bornele alternatorului ? Motivati-             va raspunsul. Ce masuri se impun ?

Motorul termic poate functiona fara alternator ?

De ce este necesara prezenta bucsei feromagnetice de axul rotor ?

TEMA DE CASA:

Studiati posibilitatea simularii alternatorului intr-un program cunoscut de dumneavoastra.

Pornind de la datele experimentale obtinute, studiati posibilitatea determinarii unui model matematic al alternatorului cu excitatie electromagnetica.

Elaborati un algoritm de diagnosticare a alternatorului.

Comparati caracteristica de debit a alternatorului studiat cu datele de catalog.