1

LUCRAREA NR. 3

STUDIUL ŞI TRASAREA CARACTERISTICILOR ALTERNATORULUI 1. Scopul lucrării Cunoaşterea părţilor componente ale alternatorului şi a principiului de funcţionare. Trasarea caracteristicilor alternatorului cu redresor. 2. Consideraţii teoretice 2.1 Caracteristici constructive ale alternatorului Alternatorul este o maşină electrică sincronă de c.a. care funcţionează în regim de generator. Alternatorul poate fi cu excitaţie electromagnetică sau cu magnet permanent. Pe automobil se utilizează cu dispozitiv redresor încorporat, furnizând astfel o energie de c.c.. Clasificarea alternatoarelor se realizează:

a) după tipul excitaţiei: 1. cu excitaţie electromagnetică:

cu poli în formă de gheare şi cu inele colectoare; cu poli aparenţi; cu rotor pahar; cu excitaţie pe stator.

2. cu magnet permanent: cu rotor pahar; cu comutator magnetic.

b) după numărul de faze statorice: monofazate; polifazate.

c) după amplasarea regulatorului de tensiune: cu regulator separat; cu regulator încorporat.

Din toate acestea s-au impus în mod deosebit următoarele tipuri: alternatoare cu excitaţie electromagnetică şi rotor în formă de gheară sau cu poli

aparenţi, ambele tipuri având înfăşurarea de excitaţie plasată pe rotor şi fiind prevăzute cu un sistem de perii de alimentare, cu regulator de tensiune încorporat sau separat;

alternatoare cu excitaţie electromagnetică şi rotor în formă de gheară fără sistem de perii de alimentare;

alternatoare cu excitaţie cu magneţi permanenţi. Alternatoarele cu poli în formă de gheară se construiesc pentru puteri nominale până la 2000W. Datorită faptului că la majoritatea autovehiculelor fabricate în prezent sunt necesare alternatoare cu puterea sub 2000W, acest tip de alternator are cea mai largă utilizare.

Părţile principale ale alternatorului sunt: rotorul, statorul, scuturile (vezi fig. 3.1.a şi b). Rotorul este partea mobilă a alternatorului, fiind realizat ca inductor. Este construit din două

piese polare simetrice presate pe un ax, în spaţiul dintre ele fiind construită înfăşurarea de excitaţie plasată pe o bucşă feromagnetică. Cele două capete ale înfăşurării de excitaţie sunt sudate la două inele continui ce sunt fixate izolat pe ax. Aceste inele împreună cu periile servesc drept contacte alunecătoare, care permit alimentarea înfăşurării de excitaţie în timpul antrenării rotorului.

Statorul este construit dintr-un miez statoric realizat din tole de oţel electrotehnic, izolate una de alta cu lac. În crestăturile miezului este plasată înfăşurarea statorică cu rol de indus, fiind de regulă trifazată. Înfăşurarea trifazată este conectată în stea sau în triunghi, cele trei capete conectându-se la puntea trifazată.

Spaţiul dintre rotor şi stator se numeşte întrefier. Scuturile sunt în număr de două, nu sunt identice şi au atât rol de susţinere mecanică, cât şi

rol electric.

2

Fig. 3.1 a. Elementele componente ale alternatorului – dispunere desfăşurată

3

Fig. 3.1.b Elementele componente ale alternatorului – imagine de ansamblu 2.2 Principiul de funcţionare şi principalele ecuaţii ale alternatorului

Condiţia ca generatorul să producă tensiune este ca să existe curent electric de excitaţie şi alternatorul să fie antrenat.

Fig. 3.2. Construcţia alternatorului

1. arbore; 2. inele; 3. piesă polară; 4. înfăşurarea de excitaţie; 5. miez statoric; 6. înfăşurare statorică; 7. bucşă feromagnetică.

Se presupune excitaţia alimentată de la o sursă de c.c.. Acesta va produce un câmp magnetic

cu linii de câmp închise. Fie o linie de câmp Γ ca în fig. 3.2. Aceasta are următorul traseu: pol Ν , întrefier δ , miez statoric, întrefier δ , pol S, bucşă feromagnetică 7, pol N.

Fluxul magnetic total are o componentă utilă şi una de dispersie: σΦΦΦ += um (1)

mΦ - flux magnetic total;

uΦ - flux magnetic util;

σΦ - flux magnetic de dispersie. Dacă rotorul este antrenat de motorul termic, fluxul magnetic care era constant – prin

suprafaţa mărginită de oricare spiră statorică - devine variabil, de forma: )cos( tumu ωΦΦ = (2)

Atunci, conform legii inducţiei electromagnetice, în înfăşurarea statorică se va induce o tensiune electromotoare:

4

)sin( tdt

de umu

sp ωωΦΦ

⋅⋅=−= (3)

Prin înmulţire cu numărul de spire de pe strat şi însumare fazorială se obţine tensiunea electromotoare instantanee de fază:

Wspf KeWe ⋅⋅= (4) W - număr de spire; KW - factor de înfăşurare (0,1)

Valoarea efectivă a tensiunii pe fază va fi: Umf nKE Φ⋅⋅= (5)

60

2 pWKK W ⋅⋅⋅⋅= π (6)

p - număr de perechi de poli;

f - frecvenţa, 60npf = ;

n - turaţia [rot/min]. Schema electrică echivalentă pentru o fază este cea din fig. 3.3.

Fig. 3.3. Schema electrică echivalentă pentru o fază statorică în instantaneu

fe - tensiunea electromotoare instantanee pe fază; R - rezistenţa înfăşurării de fază; sL - inductanţa sincronă ( datorată fenomenului de reacţie a indusului şi fenomenului de dispersie a liniilor de câmp

magnetic).

ss LX ω= , SX = reactanţa sincronă (7) Schema electrică echivalentă în complex va fi cea din fig. 3.4.

Atunci: fSff IjXREU )( +−= (8)

Fig. 3.4. Schema electrică echivalentă pentru o fază statorică în complex

)( fff IUEU ∆−= (9)

Practic, valoarea efectivă a tensiunii la bornele unei faze, la funcţionarea în sarcină, este egală cu tensiunea la mers în gol din care se scade o cădere de tensiune pe impedanţa internă a alternatorului.

Ca urmare la bornele înfăşurării indusului se obţine o tensiune alternativă.

5

2.3 Redresarea tensiunii alternatorului Tensiunea continuă necesară încărcării bateriei şi alimentării consumatorilor de c.c. se obţine

prin redresare. La alternatoarele trifazate se realizează:

redresoare trifazate monoalternanţă sau cu punct median (fig. 3.5.); redresoare trifazate bialternanţă (fig. 3.6.).

În cazul ambelor scheme s-a presupus indusul conectat în stea. La redresorul trifazat monoalternanţă, din cele trei diode va conduce mereu numai una

singură şi anume dioda al cărei anod, la momentul considerat, se găseşte la potenţialul cel mai ridicat faţă de punctul ales ca referinţă pentru potenţiale.

Tensiunea redresată va fi dată de înfăşurătoarea pozitivă a tensiunilor de fază ale indusului (fig. 3.5.b).

Considerând că redresorului i se aplică un sistem simetric de tensiuni, de la indusul trifazat: )cos(21 tUu ω= (10)

)3

2cos(22πω −= tUu (11)

)3

4cos(23πω −= tUu (12)

Fig. 3.5. Redresor trifazat monoalternanţă

a. schema; b. formele de undă.

U = valoarea efectivă la bornele unei faze a alternatorului. Valoarea medie pe sarcină a tensiunii redresate va fi:

UtdtUU g πωω

π

π

π 263)()cos(2

321 3

3

0== ∫

−

Deci la redresorul trifazat monoalternanţă:

UU g π263

0= (13)

Redresorul trifazat în punte este cel mai utilizat la alternatoare. El este echivalent cu două

redresoare cu indusul cu punct median, ale căror ieşiri sunt conectate în serie. Din acest motiv, redresoarele în punte furnizează o tensiune redresată de valoare dublă faţă de cele două redresoare

6

componente. Atunci fiecare diodă conduce tot o treime de perioadă (perioada de conducţie 3TTc = ).

Comutaţia unui redresor ( 321 ,, DDD ) se face decalat cu 3T , astfel că tensiunea redresată va avea o pulsaţie egală cu 6T . Valoarea medie a tensiunii redresate va fi:

UU g π63

0= (14)

Rezultă în sarcină:

)(IUUU0gg ∆−= (15)

Fig. 3.6. Redresor trifazat bialternanţă

a. schema; b. formele de undă.

3. Montajul şi aparatura necesară Pentru realizarea schemelor de montaj se va utiliza standul din fig. 3.7. Panoul frontal al

standului are subpanourile 1, 2, 3, 4, 5 şi placa de borne 6.

7

Fig. 3.7. Stand pentru trasarea caracteristicilor alternatorului cu redresor

8

1 conţine: V - voltmetru ce măsoară tensiunea pentru alimentarea motorului de antrenare al generatorului de încercat;

A - ampermetru ce măsoară curentul absorbit de motorul de antrenare; n - reglaj turaţie; P - buton de pornire; motor de antrenare O - buton de oprire; Rd - redresor; P1- placa de borne c.a. conectate la generatorul de încercat;

2 conţine: n - turometru motor antrenare;

A - ampermetru ce măsoară curentul de excitaţie al motorului de antrenare; Pot. - potenţiometru pentru reglajul excitaţiei motorului de antrenare.

3 conţine: două V 4 conţine: două A pentru măsurarea parametrilor generatorului de încercat 5 conţine: trei A 6 conţine: 15 rezistenţe de sarcină (lămpi ): h1,…,h15;

5 borne "-D"; 4 borne "+D"; 3 borne "DF"; 2 surse de c.c. (12V şi 24V); borne de sarcină; întrerupătoare de sarcină.

Schema de conectare a generatorului de încercat la bornele standului este prezentată în

fig. 3.8.

Fig. 3.8.

În figura 3.9. se prezintă schema de conexiuni pentru rezistenţa de sarcină (lămpi şi rezistenţa

suplimentară)

Fig. 3.9.

9

În fig. 3.10. se prezintă montajul necesar pentru trasarea caracteristicilor alternatorului.

Fig. 3.10. Schema de montaj pentru trasarea caracteristicilor alternatorului cu redresor

4. Desfăşurarea lucrării

Se vor ridica experimental caracteristicile de funcţionare ale alternatorului cu redresor. 4.1 Caracteristica de mers în gol: 0.,),(

0=== IctnIfU eg

Schema utilizată este cea din figura 3.10. - excitaţie separată - cu comutatorul K pe poziţia I şi bornele de sarcină a, b libere. Practic înfăşurarea de excitaţie este alimentată de la bateria de acumulatoare înseriată cu un reostat sau de la o sursă de tensiune reglabilă, pentru a se putea modifica valoarea curentului de excitaţie eI .

Se procedează astfel: se aduce reostatul Rc la poziţia maximă (Ie=I emin) şi se scoate firul DF (Ie=0); se porneşte standul cu turaţia minimă; se reglează n la valoarea n1; se citeşte prima valoare a tensiunii Ug0 la voltmetru, Ie fiind egal cu zero; se introduce firul de la borna DF şi se citeşte a doua pereche de valori Ug0 şi Ie; se măreşte Ie citind valoarea Ug0 etc.; se continuă până ce tensiunea Ug0=14V; se scade apoi Ie încercând să se treacă prin aceleaşi valori ale lui Ie, ultimul punct fiind

Ug0r (tensiunea remanentă) la Ie = 0. Se obţin două curbe, ca în figura 3.11. Media lor este caracteristica de mers în gol care se va

reprezenta.

Fig.3.11.

Se procedează analog pentru alte două turaţii mai mari n2 şi n3.

10

Rezultatele se trec în tabelul T1. Pe baza acestor valori experimentale se vor trasa caracteristicile de mers în gol ale alternatorului pentru cele trei turaţii, în acelaşi sistem de coordonate.

TABELUL T1

Ug0[V] n1[rot/min]

Ie[A] Ug0[V] n2[rot/min]

Ie[A] Ug0[V] n3[rot/min]

Ie[A] Din caracteristica Ug0 = f(Ie), la Ie = constant, se va determina caracteristica Ug0 = f(n).

4.2 Caracteristicile de mers în sarcină: a. Caracteristica externă: Ug = f(I), n=ct., Ie = ct.

Se va realiza excitaţie separată - K pe poziţia I şi se va completa schema de montaj cu circuitul de sarcină (ampermetrul, în montaj aval, în serie cu sarcina conectată la bornele a, b care se va introduce treptat prin întrerupătoare).

Se procedează în felul următor: se antrenează generatorul cu o turaţie n=2000 rot/min şi se reglează nivelul excitaţiei

astfel ca tensiunea la bornele generatorului să fie V20≈ la voltmetru; se citeşte prima valoare a tensiunii Ug pentru curent de sarcină I=0; se introduce o lampă (sarcina); se citeşte valoarea lui Ug şi I etc.; nu se vor depăşi 30A !

Rezultatele se trec în tabelul T2. TABELUL T2

Ug[V] I[A] )(

0IUUU gg ∆−= . Observaţii!

b. Caracteristica de debit: I=f(n), Ug =ct. = Ul = 1,17 Un = 14V Se procedează astfel:

se introduce toată excitaţia în derivaţie - K pe poziţia II – în schema de montaj din fig. 3.10;

se antrenează generatorul cu turaţia minimă şi se scurtcircuitează treptat reostatul Rc astfel ca tensiunea să fie 14V la I=0;

se creşte puţin "n", tensiunea va creşte; se introduce treptat sarcina, până când Ug=14V şi se citeşte I şi n; se creşte din nou "n", tensiunea va creşte; se introduce o nouă sarcină, până când Ug=14V şi se citeşte I şi n; se procedează în continuare ca mai sus, până când se constată practic imposibilitatea de a

mai obţine tensiunea constantă prin reglarea turaţiei (sarcina fiind prea mare). Atenţie! La creşterea turaţiei se va urmări să nu se depăşească tensiunea nominală a becurilor

(24 V). Se vor trece rezultatele în tabelul T3.

11

TABELUL T3

I[A] n [rot/min] Observaţie: Caracteristica de debit indică posibilităţile maximale ale unui alternator în gama de turaţii prescrisă. 4.3 Caracteristica de scurtcircuit: Isc=f(n), Ie = ct.

Se procedează în felul următor: cu K pe poziţia I (excitaţie separată) se antrenează generatorul până la n = nmax şi se

reglează valoarea curentului de excitaţie astfel ca Ug=14V; se scurtcircuitează bornele a şi b, citindu-se perechea de valori Isc şi n; se scade turaţia, citind a doua pereche de valori Isc şi n etc..

Se vor trece rezultatele în tabelul T4.

TABELUL T4 Is c[A] n [rot/min] Observaţie: Pentru valori mici curentul de scurtcircuit este proporţional cu turaţia, apoi rămâne constant autolimitându-se. Pe baza acestei caracteristici se dimensionează diodele redresoare pentru a suporta curenţii de scurtcircuit la turaţia dată. 4.4 Caracteristicile de reglaj: .ctV14UU lg ===

a. .)( ctIlanfIe == , practic fără şi cu sarcină. Se procedează astfel:

se pune K pe I; se reglează Ie la turaţia minimă astfel ca Ug=14V=ct.; se citesc Ie şi n; se creşte turaţia, Ug va creşte. Se scade Ie până ce Ug=14V. Se citesc Ie şi n, etc. până la nmax; cu nmax se introduce treptat sarcina dorită (de exemplu I=10A), controlând în permanenţă

Ug=14V prin intermediul curentului de excitaţie Ie(care va trebui mărit); se citeşte perechea de valori Ie şi n (la I stabilit); Observaţie! se scade turaţia, scade Ug şi atunci se creşte Ie până când Ug=14V; se citesc noile valori Ie, n etc.

Rezultatele se trec în tabelul T5. Cele două curbe se trasează în acelaşi sistem de coordonate. TABELUL T5

Ie[A] I=0 [A]

n[rot/min]

Ie[A] I=10 [A]

n[rot/min]

b. .)( ctnlaIfIe == Se procedează în următorul mod:

Ug=ct, pentru două turaţii diferite: una mai mică n=nmin şi alta mai mare n=nmax; se antrenează cu o turaţie minimă, de ex. n=1100 rot/min şi se reglează Ie (nu prea mare)

pentru I=0 A astfel ca Ug=14V; se introduce o sarcină minimă, rezultă Ug va scădea; se creste Ie până ce Ug=14V şi se citeşte Ie şi I;

12

se introduce o nouă sarcină şi se procedează ca mai sus; cu sarcina introdusă de la etapa anterioară se creşte treptat n până la nmax (de ex.

2200rot/min) şi se modifică Ie (se micşorează, dar nu foarte mult) astfel ca Ug=14V; se citeşte perechea de valori Ie şi I; se scade sarcina I, reglând Ie pentru Ug=14V, se citeşte noua pereche de valori etc..

Rezultatele se trec în tabelul T6. Cele două curbe se trasează în acelaşi sistem de coordonate. TABELUL T6

Ie[A] n=1100[rot/min]

I[A]

Ie[A] n=2200[rot/min]

I[A]

5. Conţinutul referatului 5.1 Ce este alternatorul? Care sunt elementele componente, d.p.d.v. constructiv, ale unui alternator? Care este principiul care stă la baza funcţionării alternatorului? Care sunt condiţiile ca alternatorul să debiteze o tensiune? 5.2 Care sunt factorii de care depinde tensiunea la bornele alternatorului cu redresor la mers în gol? Ce se observă la funcţionarea în sarcină cu tensiunea la bornele generatorului? Explicaţi. Care sunt mărimile asupra cărora se va putea acţiona pentru a menţine constantă tensiunea la bornele generatorului în ipoteza varierii lui n şi I ? 5.3 Se vor concepe schemele de montaj necesare şi se vor trasa graficele pentru caracteristicile alternatorului cu redresor.