Alternator – jak działa i jak go sprawdzić?
Alternator to urządzenie napędzane przez silnik pojazdu za pomocą paska napędowego. Przekształca on energię mechaniczną w energię elektryczną i dostarcza niezbędną energię elektryczną do różnych odbiorników elektrycznych w samochodzie. Kiedy energia z alternatora nie pokrywa potrzeb odbiorników elektrycznych (gdy włączone są wszystkie urządzenia elektryczne lub gdy silnik pracuje na niskich obrotach na biegu jałowym itp.), dodatkową energię elektryczną dla tych urządzeń tymczasowo dostarcza akumulator.
- Podczas jazdy alternator doładowuje akumulator.
- Zaleznie od warunków jazdy prędkość obrotowa alternatora się zmienia, przez co zmienia się generowane przez niego napięcie.
- Rolą regulatora napięcia jest utrzymywanie napięcia generowanego przez alternator na stałym poziomie.
- W alternatorze wirnik pełni rolę magnesu, natomiast stojan pełni rolę cewki.
- Alternator wytwarza trójfazowy prąd przemienny, dlatego do prostowania pełnej fali trójfazowej służy 6 diod.
- Regulatory IC z funkcją komunikacji w magistrali LIN są obecnie wykorzystywane w systemach regulacji ładowania nowych modeli pojazdów.
- Obecnie na rynku dominują systemy start-stop, które wykorzystują udoskonalone i bardziej wytrzymałe silniki rozruszników i wysokowydajne alternatory.
Podczas jazdy alternator doładowuje akumulator do pełna. Prędkość obrotowa silnika stale się zmienia, w zależności od warunków jazdy. Oznacza to, że zmienia się również prędkość alternatora i generowane przez niego napięcie. Rolą regulatora napięcia jest utrzymywanie napięcia generowanego przez alternator na stałym poziomie i dostarczanie impulsów elektrycznych z odpowiednim napięciem. Regulator odpowiada również za prawidłowe ładowanie akumulatora.
Podstawowe zasady wytwarzania energii elektrycznej
Kiedy magnes przemieszcza się w pobliżu cewki, wytwarzane jest napięcie. Im magnes jest mocniejszy i im szybciej się porusza, tym wyższe jest generowane napięcie. Na wartość napięcia wpływa także liczba zwojów na cewce.
W alternatorze wirnik pełni rolę magnesu, natomiast stojan pełni rolę cewki. Wirnik nie przemieszcza się do wewnątrz i na zewnątrz stojana, lecz obraca się w obrębie stojana. W czasie obrotów wirnika biegun N i S wirnika zbliżają się na zmianę do cewki stojana, w której wytwarzany jest prąd elektryczny. Alternator wytwarza trójfazowy prąd przemienny, który ma znaczące zalety w porównaniu z jednofazowym prądem przemiennym.
Przykładowo, w prostym dwubiegunowym alternatorze prąd jest wytwarzany w generatorze o jednej cewce. Prąd jednofazowy powstaje w generatorze o dwóch cewkach ustawionych pod kątem 90°, natomiast prąd trójfazowy – w generatorze o 3 cewkach ustawionych pod kątem 120°. W alternatorach instalowane są stojany i wirniki pokazane na ilustracji 1.
Prostowanie
Jednym z celów zastosowania alternatora jest ładowanie akumulatora. Nie ma więc możliwości wykorzystania prądu przemiennego i konieczne jest wyprostowanie go do prądu stałego. Do prostowania prądu służy dioda (prostownik tranzystorowy), która przekształca prąd przemienny w prąd stały.
Alternator wytwarza trójfazowy prąd przemienny, dlatego do prostowania pełnej fali trójfazowej służy 6 diod. Na ilustracji 2a wyższe napięcie jest wytwarzane między fazami I a II, a prąd przepływa do odbiornika przez diodę 1 i powraca przez diodę 5.
W następnym procesie pokazanym na ilustracji 2b napięcie rośnie między fazami I a III, a prąd przepływa przez diodę 1 i powraca przez diodę 6.
Na dalszych etapach procesu pokazanych na ilustracji 2c–f wartość natężenia prądu oraz kierunek przepływu do każdej fazy i przewodu zmieniają się, jednak prąd elektryczny jest zawsze dostarczany do odbiornika w stałym kierunku. To działanie prostujące jest wykonywane przez prostownik.
W ostatnich latach zużycie energii przez pojazdy wzrosło z uwagi na pojawienie się w nich urządzeń informacyjnych i komunikacyjnych, takich jak systemy nawigacji i elektroniczne urządzenia sterujące. Służą one do poprawy komfortu i bezpieczeństwa jazdy oraz sprawiają, że pojazdy są bardziej przyjazne dla środowiska. W celu zaspokojenia rosnącego zapotrzebowania na energię alternatory muszą wytwarzać energię elektryczną bardziej wydajnie, a jednocześnie być mniejsze i lżejsze.
Regulacja wytwarzanego napięcia
Napięcie wytwarzane w alternatorze rośnie wraz z prędkością obrotową wirnika. Jeśli wytworzone napięcie zostaje wykorzystanie do zasilania odbiornika elektrycznego (takiego jak akumulator lub oświetlenie), wzrost prędkości alternatora może spowodować uszkodzenie urządzenia elektrycznego (przeładowanie akumulatora, przepalenie żarówki itp.). Z tego względu konieczne jest utrzymanie stałego napięcia wyjściowego. Procesem tym steruje alternator poprzez zmianę natężenia prądu dopływającego do cewki magneśnicy.
Przy dużej prędkości obrotowej lub niskim obciążeniu, kiedy wydaje się, że napięcie wyjściowe przekroczy określoną wartość, redukowane jest natężenie prądu płynącego do cewki magneśnicy. Dzięki temu napięcie wyjściowe przez cały mieści się w określonym zakresie wartości. Komponent odpowiedzialny za tę regulację to regulator napięcia (IC). Regulator napięcia to obecnie najczęściej stosowany typ regulatora.
Rodzaje alternatorów
Alternator standardowy
Połączone z wirnikiem koło pasowe napędza koło pasowe wału korbowego silnika za pomocą paska napędowego. W standardowym alternatorze stosowany jest także zewnętrzny wentylator chłodzący. W związku z tym silnik napędza wirnik, który wytwarza prąd przemienny w cewce stojana, podczas gdy prostownik przetwarza prąd przemienny na prąd stały.
Cechy i zalety
- Wytwarza większą moc, dzięki zastosowaniu rdzenia wirnika kutego na zimno w celu poprawy obwodu magnetycznego.
- Mniejsze rozmiary i masa, dzięki zastosowaniu wewnętrznego wbudowanego regulatora napięcia.
Alternator DENSO Typ III
To alternator z niewielkim wentylatorem wewnętrznym. Zamiast dużego wentylatora zewnętrznego, stosowanego w standardowym alternatorze, stosuje się 2 kompaktowe łopatki wentylatora zintegrowane z wirnikiem. Dzięki temu generator pracuje z większą prędkością i wytwarza mniej hałasu. Zastosowanie cewek o dużej gęstości i lepszym chłodzeniu pozwoliło wyprodukować kompaktowy i lepszy alternator o dużej mocy.
Cechy i zalety
- Zwiększenie mocy dzięki optymalizacji rozmiarów stojana i wirnika w celu udoskonalenia obwodu magnetycznego, a także redukcja średnicy koła pasowego w celu zwiększenia prędkości pracy wirnika.
- Dwie łopatki wentylatora zintegrowane z wirnikiem w celu zmniejszenia rozmiarów i masy alternatora i emitowanego hałasu.
Alternatory DENSO > Typ SC
W 2000 r. DENSO wprowadziło pierwszy na świecie alternator SC (Segment Conductor), w którym wykorzystano drut o przekroju prostokątnym w uzwojeniu stojana.
W porównaniu z alternatorem standardowym alternator typu SC redukuje rezystancję cewki i straty cieplne o 50%, a także zwiększa gęstość uzwojenia (współczynnik przestrzeni) o 45–70%. DENSO zmniejszyło masę alternatora SC o 20% i zwiększyło jego moc o 50% w porównaniu ze standardowym alternatorem.
Dodatkowo regulator napięcia jest zminiaturyzowanym, pojedynczym układem scalonym, co umożliwia produkcję kompaktowego i lekkiego alternatora o wysokiej wydajności i mocy.
Cechy i zalety
- Kompaktowe wymiary, niewielka masa, wysoka moc i wysoka wydajność. Gęstość uzwojenia cewki stojana wzrasta dzięki zastosowaniu innowacyjnych metod uzwajania i drutu o przekroju prostokątnym.
- Niskie zakłócenia magnetyczne. Pulsację pola magnetycznego (główna przyczyna zakłóceń magnetycznych w alternatorze) zredukowano o 90% dzięki zastosowaniu podwójnego i specjalnego uzwojenia.
- Niewielki i wielofunkcyjny regulator napięcia IC.
Przyłącza stojana
Połączenie Y (typ z podwójnym uzwojeniem)
Połączenie Y ma podwójny układ uzwojenia z dwoma zestawami uzwojeń trójfazowych (A i B). Służą one do kompensacji wzajemnych wahań pola magnetycznego powstających w stojanie. W rezultacie zakłócenia magnetyczne wytwarzane przez alternator ulegają znaczącej redukcji.
Połączenie w trójkąt (uzwojenie rozstawione)
W połączeniu w trójkąt dodatkowe uzwojenie jest połączone szeregowo z każdym uzwojeniem konwencjonalnym, a fazy są rozstawione. Powoduje to tłumienie wahań pola magnetycznego wytwarzanych przez stojan i redukuje ilość zakłóceń magnetycznych wytwarzanych przez alternator. Układ ten stosuje się przede wszystkim w alternatorach SE (prosta i kompaktowa forma alternatora SC).
Prostownik
Połączenie Y (typ z podwójnym uzwojeniem)
Ponieważ stojan zawiera dwa zestawy uzwojeń trójfazowych, liczbę diod zwiększono z 6 do 12 (diody Zenera). Prostownik działa w taki sam sposób jak prostownik konwencjonalny i przekształca trójfazowy prąd przemienny wytwarzany w cewce na prąd stały. Cewki stojana A i B są podłączone do prostownika w sposób pokazany na ilustracji 3.
Połączenie w trójkąt (uzwojenie rozstawione)
Prostownik wykorzystuje jeden zestaw 6 diod krzemowych. Układ ten stosuje się przede wszystkim w alternatorach SE (prosta i kompaktowa forma alternatora SC).
Regulator napięcia IC
W odróżnieniu od konwencjonalnego regulatora napięcia, w którym obwód regulatora jest formowany na płycie ceramicznej, w alternatorze SC stosuje się zminiaturyzowany, multifunkcjonalny regulator napięcia IC, którego obwód jest zintegrowany w jednym układzie scalonym. Pozwala to na uzyskanie kompaktowej i lekkiej konfiguracji. Podstawowe funkcje i działanie regulatora napięcia są bardzo zbliżone do funkcji i działania konwencjonalnych regulatorów IC. Jednak niektóre typy jednoukładowych regulatorów napięcia umożliwiają komunikację między alternatorem a ECU silnika w celu precyzyjnej regulacji napięcia alternatora.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Naprawy
Naprawa alternatorów cz. 1.
Obwód ładowania składa się z alternatora, regulatora napięcia, wiązki przewodów i niekiedy lampki ładowania. Wprowadzając dodatkowe wyposażenie elektryczne pojazdu, należy sprawdzić, czy moc alternatora jest wystarczająca, i w razie potrzeby zastosować alternator o większej mocy.
Omówienie nowych systemów regulacji ładowania
Nowy system regulacji ładowania reguluje wytwarzanie napięcia przez alternator odpowiednio do różnych warunków jazdy poprzez komunikację pomiędzy regulatorem napięcia alternatora a ECU silnika. W ten sposób redukuje zużycie paliwa przez pojazd. Obciążenie silnika spowodowane przez wytwarzanie napięcia w alternatorze ulega zmniejszeniu wskutek obniżenia napięcia wytwarzanego podczas przyspieszania i zwiększenia napięcia wytwarzanego podczas hamowania. Pozwala to na redukcję spalania przez pojazd. Podczas postoju na biegu jałowym i podczas jazdy ze stałą prędkością wytwarzane napięcie jest regulowane tak, aby osiągnąć wartość docelową określaną zależnie od akumulatora i warunków jazdy.
Komunikacja LIN – kompatybilny regulator IC
Regulatory IC z funkcją komunikacji w magistrali LIN (Local Interconnect Network) są obecnie wykorzystywane w systemach regulacji ładowania nowych modeli pojazdów, które często wyposażone są w system start-stop. Dwukierunkowa, złożona komunikacja w magistrali LIN pomiędzy ECU silnika a regulatorem IC służy do precyzyjnej regulacji napięcia wytwarzanego przez alternator. Magistrala LIN wykorzystuje jednoprzewodowe linie komunikacyjne do przesyłania sygnałów cyfrowych z użyciem specjalnych protokołów (przepisy komunikacyjne) z prędkością 9,6 kb/s lub 19,2 kb/s.
Sygnały funkcji wytwarzania energii elektrycznej przez stopniowe wzbudzenie, regulacji napięcia oraz wartości polecenia prądu wzbudzania są przesyłane z ECU do terminala LIN do regulacji napięcia i wytwarzania energii elektrycznej. Sygnały dla każdej wykrytej wartości (tzn. stan wytwarzania energii elektrycznej, status komunikacji itp.) generowane przez obwód sterowania są przesyłane do ECU silnika z terminala LIN.
Kontrola elektryczna alternatora
Środki ostrożności
- Nie używaj alternatora z odłączonym przyłączem B+.
- Nie odłączaj akumulatora w czasie obrotów alternatora.
- Nigdy nie uziemiaj przyłącza B+ alternatora, ponieważ przez cały czas jest ono podłączone do zasilania akumulatorowego.
- Nigdy nie narażaj akumulatora na zamoczenie.
Kontrole prowadzone w pojeździe
Kontrola akumulatora
Przed przeprowadzeniem jakiejkolwiek kontroli lub naprawy instalacji elektrycznej upewnij się, że akumulator został sprawdzony wzrokowo, skontrolowany pod kątem sprawności i całkowicie naładowany.
Stan akumulatora, kabli akumulatora oraz przyłączy akumulatora wpływa na zdolność akumulatora do utrzymania ładunku.
Naładuj akumulator i sprawdź napięcie przy obwodzie otwartym. Jeśli w wyniku pomiaru stwierdzisz, że napięcie (przy pełnym naładowaniu akumulatora) wynosi mniej niż 12,6 V, wymień akumulator i sprawdź układ ładowania. Jeśli napięcie przy obwodzie otwartym wynosi 12,6 V lub więcej, zaleca się przeprowadzenie próby obciążenia akumulatora. Próba obciążenia akumulatora służy do pomiaru zdolności akumulatora do zasilania.
Próba spadku napięcia
Próba spadku napięcia po stronie dodatniej (obwód wyjściowy):
- Podłącz dodatni przewód miernika do przyłącza wyjściowego alternatora (B+), a ujemny przewód do dodatniego (+) bieguna akumulatora.
- Utrzymuj prędkość obrotową silnika na poziomie ok. 2000 obr./min z włączonym oświetleniem, nawiewem i radiem. Wartość zmierzona powinna wynosić poniżej 0,2 V.
Spadek napięcia po stronie ujemnej (obwód uziemienia):
- Podłącz przewód ujemny miernika do obudowy alternatora lub listwy uziemiającej jeśli występuje, a przewód dodatni do ujemnego (-) bieguna akumulatora.
- Utrzymuj prędkość obrotową silnika na poziomie ok. 2000 obr./min z włączonym oświetleniem, nawiewem i radiem. Wartość zmierzona powinna wynosić 0,2 V lub mniej.
Kontrola spadku napięcia po stronie dodatniej i ujemnej pozwala na uzyskanie przydatnych informacji, które ułatwiają znajdowanie ukrytych problemów mogących być przyczyną usterki ładowania. Napięcie zawsze przepływa trasą, na której występuje najmniejsza rezystancja. Z tego względu w przypadku dużej rezystancji w jakimś punkcie obwodu, część napięcia przepływa przez woltomierz, który odczytuje pewną wartość napięcia.
- Jeśli wynik pomiaru pokazuje spadek napięcia o wartości powyżej 0,2 V po stronie dodatniej, w jakimś punkcie po stronie dodatniej występuje nadmierna rezystancja, która ten spadek powoduje. Sprawdź, czy wszystkie przewody i bolce/zaciski przyłączy są nienaruszone, czyste i nieskorodowane.
- Jeśli wynik pomiaru pokazuje spadek napięcia o wartości powyżej 0,2 V po stronie ujemnej, upewnij się, czy połączenia uziemiające i powierzchnia styku są czyste i nieskorodowane. Ponadto upewnij się, czy między silnikiem pojazdu a nadwoziem nie ma żadnych uszkodzonych, luźnych lub brakujących punktów/listew uziemiających.
- Jeśli wynik pomiaru pokazuje spadek napięcia o wartości poniżej 0,2 V, wykonaj dodatkowe pomiary elektryczne.
Próba działania alternatora
Kontrola regulacji napięcia
Utrzymaj pracę silnika z prędkością około 2000 obr./min., a następnie sprawdź regulowane napięcie na przyłączu wyjściowym alternatora (B+), kiedy natężenie prądu wyjściowego wyniesie ok. 10 A (sprawdź standard próby i wartości określone przez producenta pojazdu).
Pomiar prądu wyjściowego
Włącz długie światła, mocny nawiew itd. Następnie zmierz prąd wyjściowy przy prędkości obrotowej silnika wynoszącej ok. 2000 obr./min. Natężenie prądu powinno być równe lub większe niż wartości standardowe określone przez producenta pojazdu.
Ostrzeżenie. Różni producenci pojazdów określają różne wartości standardowe. Konkretne informacje dotyczące specyfikacji alternatora podano w odpowiedniej instrukcji obsługi producenta oryginalnego wyposażenia.
Kontrola alternatora na stole pomiarowym
- W przypadku kontroli alternatora na stole roboczym wykonaj procedury określone w instrukcji stołu pomiarowego w celu przeprowadzenia badania sprawności alternatora. Badanie to pozwala określić, czy parametry wyjściowe alternatora są zgodne ze specyfikacją. Dzięki temu możliwe będzie uniknięcie niepotrzebnej wymiany alternatora.
- Jeśli wyniki badania na stole pomiarowym wskazują, że parametry wyjściowe alternatora są niezgodne ze specyfikacją, wymień alternator.
- Jeśli parametry wyjściowe alternatora określone w wyniku kontroli na stole pomiarowym są zgodne ze specyfikacją, usuń problemy występujące w pozostałej części obwodu ładowania pojazdu i innych obwodach elektrycznych, które mogą wpływać na działanie obwodu ładowania.
Procedury konieczne do identyfikacji i naprawy dodatkowych problemów w obwodzie ładowania znajdują się w instrukcji obsługi producenta pojazdu.
Weryfikacja regulacji napięcia
- Ustaw alternator na stole pomiarowym.
- Sprawdź, czy stół pomiarowy jest prawidłowo wyregulowany, i upewnij się, czy lampka ładowania jest WŁĄCZONA.
- Uruchom alternator i ustaw standardowe wartości prędkości pomiarowej i obciążenia.
- Regulowane napięcie powinno być zgodne ze standardowymi wartościami.
Ostrzeżenie. Pomiary wykonuj szybko. Regulowane napięcie ma parametry temperatury zgodne ze specyfikacją regulatora IC.
Pomiar prądu wyjściowego
- Ustaw alternator na stole pomiarowym.
- Sprawdź, czy stół pomiarowy jest prawidłowo wyregulowany, i upewnij się, czy lampka ładowania jest WŁĄCZONA.
- Uruchom alternator i ustaw standardowe wartości prędkości pomiarowej i napięcia.
- Prąd powinien być zgodny ze standardowymi wartościami.
Ostrzeżenie. Wartość prądu wyjściowego stopniowo maleje przy powtórnym wykonaniu cyklu pomiaru ze względu na wzrost temperatury alternatora.
Pojazdy elektryczne radykalnie zmieniają rynek i z pewnością będą odgrywać coraz ważniejszą rolę w przyszłości przemysłu samochodowego. Umożliwi to dalszy postęp w technologii alternatywnych silników-generatorów. W porównaniu z różnymi koncepcjami silników hybrydowych, wymagających znacznych kosztów, których zwrot następuje dzięki obniżeniu spalania, technologia start-stop nadal będzie bardziej ekonomicznym rozwiązaniem.
Obecnie na rynku dominują systemy start-stop, które wykorzystują udoskonalone i bardziej wytrzymałe silniki rozruszników i wysokowydajne alternatory. Systemy te będą w dalszym ciągu dominować na rynku wraz z rozwiązaniami pozwalającymi na redukcję spalania, takimi jak wysoko wydajne hamowanie odzyskowe i odzysk wzmacniany.
