Dynamo Dlouhou dobu byl nejvíce a téměř výhradně používaným generátorem elektrického proudu generátor stejnosměrného proudu, dynamo. Konstrukce a parametry dynama Základní schéma zapojení je na obr. 1. Jedná se o zapojení s vlastním buzením (derivačním neboli paralelním). Zapojení na obr. la se liší od zapojení na obr. lb pouze připojením budicího vinutí. Obr. 1 Zapojení budicího vinutí dynama Vlastnosti derivačních dynam znázorňují charakteristiky, jejichž typické průběhy jsou na obr. 2a,b,c. Na obrázku 2a je charakteristika vnitřní (naprázdno), tj. závislost napětí naprázdno na budicím proudu při konstantních otáčkách, na obrázku 2b je charakteristika vnější (zatěžovací), tj. závislost svorkového napětí na zatěžovacím proudu při konstantních otáčkách, na obrázku 2c je charakteristika otáčková (budicí), tj. závislost napětí naprázdno na rychlosti otáčení rotoru při konstantním odporu v obvodu buzení. Tvar charakteristik závisí na vlastnostech elektrického a magnetického obvodu. Jak je patrné ze základních charakteristik, mění se svorkové napětí dynama jak se zatížením, tak s otáčkami. U G = U i - R a I - U k U i = CΦn U G U i U k R a I C Φ n je svorkové napětí dynama, indukované napětí v rotoru, úbytek napětí mezi kartáči a komutátorem, odpor rotoru, proud procházející rotorem, konstanta stejnosměrného stroje, magnetický tok budicího vinutí, otáčky rotoru
Konstrukce automobilového dynama musí být pro nároky na vysokou spolehlivost co nejjednodušší. Podélný řez takovým dynamem je na obr. 3. Stator 5 je tvořen silnostěnnou trubkou, která byla stočena z ocelového plátu a svařena. Pólové nástavce 6 jsou odlity z ocelolitiny a nesou budicí vinutí 4. Rotor dynama je složen z plechů, které jsou nalisovány na hřídeli. V drážkách 1 je uloženo rotorové vinutí 7. Vývody cívek jsou připájeny k lamelám komutátoru 9. V držácích 8 jsou elektrografitové kartáče. Síla přitlačující kartáče se volí asi 5 N. Obr. 3. Podélný řez automobilovým dynamem Vnější kroužek kuličkového ložiska 2 je sevřen v zadním štítu 3 pevně, aby se nemohl axiálně posouvat. V předním štítu 11 je kuličkové ložisko 10 uloženo suvně. Malá dynama jsou dvoupólová. Dynama s výkonem nad 300 W bývají čtyřpólo-vá. Motocyklová dynama s relativně velkým průměrem a s malou délkou mívají i šest pólů. Jejich rotory jsou letmo nasazeny na prodloužený klikový hřídel motoru. Převod mezi spalovacím motorem a dynamem je určen maximálními otáčkami dynama. Bývá 1,2 až 1,7 do rychlá. Otáčky dynama jsou omezeny odstředivými silami, které působí na vinutí rotoru a komutátor a dále komutačními poměry, které se zhoršují se vzrůstajícími otáčkami. Regulační relé Jak je patrné z obr. 2, napětí dynama se mění jak se zatížením dynama, tak s otáčkami. Nezbytným doplňkem dynama je regulační relé, které obstarává tyto tři funkce: a) Reguluje napětí, tj. pracuje tak, aby všechny spotřebiče dostávaly napětí měnící se jen v úzkých mezích, i když otáčky dynama a jeho zatížení se mění ve velkém rozmezí a i když se mění teplota dynama. b) Omezuje proud dodávaný dynamem tak, aby nepřestoupil určitou maximální hodnotu, protože jinak by se mohlo poškodit vinutí dynama. c) Připojuje samočinně dynamo k akumulátoru a tím i ke všem spotřebičům,teprve když napětí U G dynama dosáhne vhodné velikosti. Klesne-li U G na hodnotu nižší než je napětí akumulátoru, odpojí regulační relé samočinně dynamo od akumulátoru a od spotřebičů. Z obr. 2a je zřejmé, že velikost napětí dynama lze měnit velikostí budicího proudu. Činnost regulátoru napětí tedy spočívá v tom, že vhodně mění velikost proudu, který protéká budicím vinutím dynama a udržuje tak napětí dynama na konstantní velikosti. Regulátor napětí je samostatným dílem doplňujícím činnost dynama na stejnosměrný proud. Jádro zvláštní cívky vedoucí proud vyrobený dynamem přitahuje kotvu spojenou s pohyblivým kontaktem zařazeným do obvodu buzení dynama. Podle okamžité hodnoty napětí vzniklého proudu se do buzení dynama zařazuje odpor, popř. při nejvyšších otáčkách dynama se buzení zcela vypíná. Kmitání pohyblivého kontaktu umožňuje velmi rychlé změny v buzení dynama a výsledné napětí dynama se udržuje v požadované toleranci. Při nejnižších otáčkách motoru je buzení dynama neomezené, ve vyšší
oblasti otáček pohyblivý kontakt krátkodobě zařazuje do buzení dynama odpor, čímž se výkon dynama snižuje. V oblasti nejvyšších otáček naproti tomu je buzení se zařazeným odporem v krátkých intervalech zcela vypínáno. Podstatnou částí regulačního relé jsou elektromagnety se svými kotvami a kontakty, viz obr. 4. Obr. 4. Konstrukce regulačního relé Na obrázku 5 je schéma zapojení jednostupňového regulátoru napětí, na kterém si vysvětlíme činnost regulace. Do série s budicím vinutím FG je zařazen rezistor R2, který je periodicky spojován nakrátko kontakty Kl a K2. Kontakt Kl je pevný, kontakt K2 upevněný na kotvě elektromagnetu Bl je pohyblivý. Pružina P se snaží kontakty Kl a K2 spojit. Proti ní působí síla elektromagnetu Bl, jehož napěťové vinutí je připojeno ke svorkám dynama G. Obvody jsou navrženy tak, že účinkem elektromagnetu Bl se kontakty Kl a K2 střídavě spojují a rozpojují. Při rychlém periodickém spojování a rozpojování kolísá sice napětí U G mezi hodnotami U Gmin a U Gmax, ale na žárovkách žádné kolísání světla nepozorujeme. Kmitočet vibrace bývá 50 až 500 Hz. Představme si, že napětí dosáhlo hodnoty U Gmax. Síla elektromagnetu Bl přemůže tah pružiny P, kontakty Kl a K2 se rozpojí a tím se zařadí do budicího obvodu rezistor R2. Budicí proud i b se však nezmění skokem, protože indukčnost budicího obvodu se snaží udržet i b na původní výši. Proto klesá i b a U G jen jistou rychlostí. Když U G klesne na U Gmin, přemůže tah pružiny P přítažnou sílu elektromagnetu Bl a kontakty Kl a K2 spojí rezistor R2 nakrátko. Budicí proud i b a napětí U G začne stoupat a když dostoupí U Gmax, celý děj se opakuje znovu. Čas po který jsou kontakty Kl a K2 spojeny, a čas, po který jsou rozpojeny, se samočinně nařizuje tak, že napětí U G je i při velkých změnách otáček a zatížení dynama téměř stálé. Obr. 5 Schéma zapojení jednostupňového regulátoru napětí a průběh budicího proudu při regulaci
Na obr. 6 je znázorněné reálné zapojení regulačního relé, které obsahuje regulátor napětí (cívka B1), omezovač proudu (cívka B2) a zpětný spínač (cívka B3). Obr. 6. Schéma zapojení trojcívkového regulačního relé Všechny regulační cívky pracují na stejném principu - jakmile přesáhne sledovaná veličina (napětí nebo proud) mezní hodnotu, je proveden zásah do budicího obvodu a hlídaná veličina se vrátí do požadovaných mezí. Polovodičová regulace dynam Polovodičové regulátory u dynam se vyskytují ojediněle. Snad proto, že v době, kdy se začaly polovodičové součástky masově vyrábět a jejich cena začala být přijatelná, začal se v motorových vozidlech používat alternátor s usměrňovačem. Princip bezkontaktního polovodičového regulátoru je na obr. 7. Prvkem, který zde udržuje napětí na žádané výši, je Zenerova dioda ZD, která pracuje v závěrném směru. Stoupne- li napětí nad hodnotu závěrného napětí U B začne diodou procházet proud v závěrném směru, jehož velikost je omezena odporem v obvodu. Zenerova dioda je čidlo, podle kterého lze nastavit regulátor na požadovanou hodnotu provozního napětí. Tranzistory v polovodičovém regulátoru pracují ve spínacím režimu. To znamená, že buď je tranzistor zcela zavřen (má velký odpor - vypnuto), nebo je zcela otevřen, je v saturaci (má velmi malý odpor - zapnuto). Tranzistor pracující ve spínacím režimu pracuje jako mechanický kontakt, ale bez nežádoucích vlastností, který každý kontaktní systém má (jiskření, kmitání, opalování apod.). Obr. 7 Schéma zapojení polovodičového regulátoru dynama Pokud je výkonový tranzistor T1 otevřen, jde budicím vinutím FG jako budicí proud kolektorový proud I C1 cestou: + pól dynama, emitor T1, kolektor T1, vinutí FG a - pól dynama. Jakmile stoupne napětí U G dynama na U Gmax, stoupne i napětí U z na Zenerově diodě tak, že tato dioda
začne propouštět proud, jehož obvod je: + pól, emitor a báze tranzistoru T2, Zenerova dioda, rezistor R6, - pól. Tímto proudem I E2 se otevře tranzistor T2 a stane se vodivým. Napětí U EB1 klesne tak, že se uzavře tranzistor T1. Přestane procházet kolektorový proud I C1. Budicí proud i b, jehož obvod se uzavírá přes nulovou diodu Dl, začne klesat. Při napětí U Gmin přestane Zenerova dioda ZD propouštět proud. Přestane procházet emitorový proud I E2, tranzistor T2 se uzavře a stane se nevodivým. Vznikne napětí U EB1 a proud I E1 otevře tranzistor T1. Začne stoupat i b a U G a celý děj se znovu opakuje. Regulace napětí v závislosti na odebíraném proudu se dosáhne využitím spádu napětí IR 4 na rezistoru R4. Toto napětí též napájí přes rezistor R3 emitorový obvod tranzistoru T2. Stoupá-li zátěžný proud I, otevírá se více tranzistor T2, zavírá se tranzistor T1 a tím se zmenšuje budicí proud I b. Zpětný spínač je nahrazen diodou D2, která propouští proud pouze směrem z dynama do akumulátoru. Alternátor Jako primárního zdroje proudu se v nynější době používá téměř výhradně generátorů střídavého proudu, alternátorů. a) Alternátor s usměrňovačem lze navrhnout tak, že akumulátor je nabíjen i při běhu naprázdno spalovacího motoru nebo dokonce při ještě menších otáčkách. To je důležitá výhoda pro dnešní velkoměstský provoz, kdy vozidlo 25 % času prostojí na křižovatkách, jede většinou pomalu a nejvýše asi 40 % svého času může jet rychlostí nad 55 km/h. Život akumulátoru nabíjeného alternátorem s usměrňovačem je delší než akumulátoru nabíjeného dynamem. Hlavní příčinou, proč alternátor může nabíjet při nižších otáčkách motoru než dynamo je, že alternátor lze navrhnout na vyšší obvodové rychlosti rotoru a zpřevodovat ho do rychla, kdežto u dynama jsme omezeni ohledy na jakost komutace a odstředivé síly. Alternátor je též buzen přímo z akumulátoru ihned po zapnutí zapalování. Na obrázku 8 je porovnána charakteristika dynama a alternátoru přibližně stejného výkonu. Dynamo nedává při otáčkách 1 000 l/min ještě výkon, kdežto alternátor dává již 13 A. b) Téměř žádná údržba. Většina alternátorů má sice kroužky a kartáče, ale těmi se přivádí do rotoru jen slabý budicí proud, takže jejich opotřebení je velmi malé. c) Jednodušší regulace. Protože usměrňovač propouští proud jen jedním směrem, odpadá zpětný spínač. Odpadá však i omezovač proudu. Proud alternátoru je omezen reaktancí vinutí statoru a nemůže překročit jisté hodnoty. Reaktance X G = 2π (pn/60)l statorového vinutí, tj. odpor pro průchod střídavého proudu se mění lineárně s otáčkami a tak samočinně, bez jakéhokoliv regulačního zásahu, s rostoucími otáčkami roste nejen indukované vnitřní napětí, ale i vnitřní impedance (zdánlivý odpor) alternátoru. d) Vetší provozní spolehlivost. e) Menší hmotnost a rozměry. \jz& volit vyšší otáčky, odpadá komutátor. Konstrukce je jednodušší. Průměr alternátoru je sice větší než průměr dynama, avšak celkově je menší. f) Protože odpadá jiskření na komutátoru, je odrušení jednodušší. g) Souprava alternátor - usměrňovač dává proud stále stejné polarity nezávisle na smyslu otáčení, kdežto dynamo se může přepólovat. h) Jistou nevýhodou je vznik přepětí při náhlém odlehčení alternátoru, není-li připojen akumulátor. Pak dojde k nebezpečnému zvýšení inverzního napětí, poněvadž pracovní vinutí alternátoru má značnou indukčnost Obr. 8 Porovnání charakteristik dynama a alternátoru
Alternátor s budicím vinutím U větších motorových vozidel, kde je potřebný větší výkon alternátoru, se používají alternátory se stejnosměrným buzením, u nichž je nezbytná regulace napětí. Používá se tu většinou alternátorů s tzv. drápkovým rotorem, jehož schéma je na obr. 9. Obr. 9 Alternátor s drápkovým rotorem Stator je stejný jako stator vícepólového asynchronního motoru. V drážkách statorového paketu 1 složeného z dynamových plechů, izolovaných na jedné straně, je uloženo trojfázové vinutí 2 pro 2p pólů. Na rotoru jsou dvě lisované nebo frézované hvězdice 4, 8 z měkké oceli. Každá z nich má na vnějším obvodě P drápkových pólů (např. 6). Do mezery mezi drápkovými póly jedné hvězdice zasahují drápkové póly druhé hvězdice, takže ve vzduchové mezeře působí 2p drápkových pólů. Budicí cívka 9 prstencového tvaru, která je napájena přes kroužky 12, budí všechny póly tak, že na obvodě se severní a jižní póly střídají. Hvězdice 4 nese jen samé severní póly a hvězdice 8 jen samé jižní póly. Magnetický tok vycházející např. ze severního pólu projde vzduchovou mezerou do statoru, vyvolá v něm magnetický tok a vrací se přes vzduchovou mezeru do jižního pólu statoru. Drápkové póly mají lichoběžníkový tvar, aby se při otáčení měnil magnetický tok pozvolna a indukované napětí bylo blízké sinusovce. Usměrňovač Můstkové zapojení usměrňovače podle obr. 10 využívá obou půlvln napětí alternátoru, jehož vinutí je pak nejlépe využito. Na obrázku 11 jsou zakresleny zjednodušené průběhy proudů. V můstkovém zapojení jde proud vždy jednou diodou anodové skupiny (diody 1, 2, 3) a jednou diodou katodové skupiny (diody 4, 5, 6). Komutují (předávají si proud) vždy mezi sebou diody stejné skupiny. Například v bodě A přestává procházet proud diodou 1 a začíná procházet diodou 2. V bodě B přestává proud procházet diodou 6 a
začíná procházet diodou 4. Zanedbáme-li reaktanci alternátoru, nastává komutace okamžitě. Obr. 10 Můstkové zapojení třífázového usměrňovače Obr. 11 Průběh napětí a proudů u třífázového můstkového usměrňovače Horní tři diody D1, D2 a D3 tvoří tzv. trojpulzní usměrňovač, který usměrňuje kladná napětí z alternátoru (horní obálka V L ). Dolní diody D4, D5 a D6 pak usměrňují záporná napětí (spodní obálka V K ). Výsledkem je tzv. šestipulzní usměrněné napětí, jehož okamžitou velikost dostaneme jako rozdíl obou napětí V L - V K. Ze tří kladných fázových napětí a tří záporných vznikne ve výstupním
usměrněném napětí šest pulzů ( kopečků ) za jednu periodu. Velikost usměrněného napětí je možno odvodit ve tvaru U = 1,35 U = 2,34 1S U 1f kde U je střední hodnota usměrněného napětí, U 1S je sdružené napětí alternátoru a U 1f je fázové napětí alternátoru. Regulace alternátoru U všech větších vozidel, kde se vyskytují různé spotřebiče, se mění zatížení alternátoru podle jejich připojení. Zejména tam, kde je ve vozidle akumulátorová baterie, musí být alternátor vybaven regulátorem. Regulace alternátoru je podstatně jednodušší než regulace dynama. Odpadá zde regulace proudu, protože alternátor je schopen dávat proud jen určité velikosti a rovněž odpadá zpětný spínač, protože usměrňovač propouští proud jen jedním směrem z vinutí alternátoru ke spotřebičům a akumulátorové baterii. Proud, který propouštějí usměrňovací diody v závěrném směru, je nepatrný a můžeme ho zanedbat. Regulátor pro alternátor má tedy tu funkci, že udržuje výstupní napětí alternátoru na konstantní velikosti. Regulace napětí alternátoru, buzeného stejnosměrným proudem, je na zcela stejném principu jako napěťová regulace dynam. Regulační relé mění proud do budicího vinutí alternátoru tak, že při různých otáčkách motoru i při různém odběru proudu zůstává napětí na stejné velikosti. Nejrozšířenějšími regulátory byly donedávna regulátory vibrační, které jsou v dnešní době vytlačovány modernějšími a přesněji pracujícími regulátory polovodičovými. Obr. 12. Schéma zapojení třífázového devítidiodového alternátoru s vibračním regulátorem Na obrázku 12 je schéma zapojení tzv. devítidiodového alternátoru. Pro buzení a vibrační regulátor napětí je použito odděleného usměrňovače, sestávajícího z menších diod D7, D8, D9, které s diodami D4, D5, D6 tvoří trojfázový můstek. Alternátor se při malých otáčkách nemůže sám nabudit, proto je budicí obvod při nízkých otáčkách vždy napájen z akumulátorové baterie. Předbuzení je proudem z akumulátorové baterie BA přes spínač V, přes kontrolní žárovku H a k ní paralelně připojený rezistor R3, sepnuté kontakty Kl, K2 ke svorce M a přes kroužky do budicího vinutí. Polovodičová regulace alternátoru V posledních letech, kdy výrazně poklesla cena polovodičových součástí, používají výrobci motorových vozidel téměř výhradně regulátory polovodičové. Při výrobě velikých sérií je cena polovodičového regulátoru srovnatelná či dokonce nižší než cena regulátoru vibračního. Velkou výhodou polovodičového regulátoru je velmi malý zástavbový prostor. Nejnovější regulátory se vyrábějí technologií integrovaných obvodů a tvoří obvykle jeden celek s držákem kartáčů alternátoru (obr. 13). Princip činnosti polovodičového regulátoru je patrný z obr. 14. Referenčním prvkem je opět Zenerova dioda ZD, jejíž anoda je připojena k odporovému děliči, tvořenému rezistory R3, R6 a odporovým trimrem R4, kterým je možné nařizovat výši žádaného napětí. Paralelně k rezistoru R6 je připojen
termistor R5. Klesne-li teplota, stoupne odpor termistoru a zvýší se potenciál bodu C, takže je třeba vyšší napětí, aby se Zenerova dioda ZD otevřela. Nareguluje se tedy vyšší napětí alternátoru. Jinak působí tento regulátor obdobně jako bezkontaktní regulátory, které jsme poznali u dynam. Je-li napětí malé, nepropouští ZD proud, na rezistoru R2 nevzniká žádný napěťový spád. Emitorový obvod tranzistoru T2 není napájen. Prakticky si můžeme představit, že T2 je zavřen a přívody k němu jsou rozpojeny. Emitorem hlavního spínacího tranzistoru T1 jde proud a to cestou: přípojnice +, emitor T1, báze T1, rezistor Rl, záporný pól. Tranzistor T1 se otevře a jeho kolektorový proud i C1 jde přes kartáčky a kroužky do budicího vinutí FG alternátoru, jehož napětí stoupá. Při jisté velikosti napětí U_ je rozdíl mezi potenciálem přípojnice + a bodem C tak veliký, že se otevře Zenerova dioda ZD. Začne jí procházet proud, jehož cesta je: přípojnice +, rezistor R2, Zenerova dioda ZD, rezistory R4 R6 a termistor R5. Na rezistoru R2 vznikne napětí, které otevře tranzistor T2. Tím se přiblíží potenciál bodu A k potenciálu přípojnice + a klesne proud obvodu emitor-báze tranzistoru T1, který se uzavře. Poněvadž u tohoto zapojení je regulátor a budicí obvod napájen z hlavního usměrňovače, je nutné, aby regulátor byl od akumulátoru odělen diodou D3. Ta zamezí tomu, aby při nepracujícím alternátoru byl napájen regulační a budicí obvod z akumulátoru. Předbuzení alternátoru je zajištěno přes kontrolní žárovku dobíjení a k ní paralelně připojený rezistor R7. Obr. 13 Polovodičové regulátory alternátoru Obr. 14 Schéma zapojení polovodičového regulátoru
Alternátor s permanentním buzením Nejjednodušší a nejspolehlivější zdroje proudu pro motorová vozidla jsou alternátory, kde magnetický tok, který je nutný ke vzniku elektrického proudu, je vytvářen stálými, tj. permanentními magnety. Dnešní technologie výroby těchto magnetů je na takové úrovni, že se vyrábějí materiály, které vytvářejí značně silný a s časem se neměnící magnetický tok. Alternátory s permanentními magnety bývají nejčastěji uspořádány tak, že v magnetickém obvodu statoru je uloženo pracovní vinutí, ze kterého se odebírá potřebný proud pro provoz vozidla a na rotoru je upevněno několik párů permanentních magnetů tak, že se vždy střídá severní a jižní pól magnetu. Takovéto uspořádání je např. u provedení alternátoru s vnějším rotorem. Vnější rotor má velký moment setrvačnosti a působí u dvoudobých motorů jako setrvačník pro plynulejší chod motoru. Tyto alternátory tvoří obvykle jeden celek s magnetovým zapalováním. Alternátory s buzením permanentním magnetem mají nespornou výhodu v tom, že nevyžadují regulaci, avšak jejich použití je možné pouze pro menší vozidla s málo proměnnou spotřebou. U jednostopých vozidel se v provozu vyskytují v podstatě jen dvě velikosti zátěže. Při jízdě v noci pracuje alternátor jen pro osvětlení, ve dne přes tlumivku a usměrňovač dobíjí akumulátor, pokud na vozidle je. Nejnovější způsob regulace u alternátorů s permanentním buzením pro větší výkony je regulace řízenými usměrňovači. Řízený usměrňovač pracuje podobně jako usměrňovač diodový, ale místo diod je sestaven s tyristorů, což je součástka, jejíž okamžik sepnutí je možno řídit. Obr. 15 Schéma zapojení třífázového alternátoru s permanentním magnetem