05
Funkce alternátoru. Rozdělení alternátorů podle konstrukčního provedení. Obecné složení alternátoru. Činnost alternátoru, regulace napětí. Typy alternátorů. Základní zásady správného zacházení s alternátorem. Servis, diagnostika a odstraňování závad.
Alternátory používané v motorových vozidlech, traktorech a zemědělských strojích vyrábějí za chodu motoru elektrický proud. Plní zde funkci prvotního zdroje elektrické energie, která je potřebná pro elektrické spotřebiče vozidel a strojů a také pro nabíjení akumulátoru. Nahrazují dříve používaná dynama, která již svým výkonem, velkou hmotností a menší provozní spolehlivostí nevyhovují současným nárokům. Dynama vyráběla díky svému konstrukčnímu uspořádání stejnosměrný elektrický proud. (Generátory elektrického proudu dělíme na alternátory a dynama.) Alternátor – jak vyplývá z názvu, vyrábí proud střídavý. Ten je u alternátorů používaných např. v motorových vozidlech, přímo v tělese alternátoru usměrňován. V tomto provedení se vlastně stává již zdrojem stejnosměrného proudu, který je důležitý především pro nabíjení akumulátoru.
Obr. 1 Řez alternátorem s drápkovými póly rotoru. [1]
Obr. 2 Schéma principu činnosti alternátoru [1]
(s drápkovými póly rotoru, obr. 1)
Skříň
včetně předního („břemenného“) a zadního („diodového“) víka alternátoru
je vyrobena z hliníkové slitiny. Pro nutnost velmi intenzivního chlazení
(pod 100 °C) je ve velké míře opatřena větracími otvory a chladícími žebry.
Velmi výkonné alternátory mohou mít i kapalinové chlazení.
Těleso statoru pro omezení indukce vířivých proudů je vyrobeno z transformátorových plechů.
U novějších provedení plní i funkci skříně, na níž jsou nasunuta víka alternátoru.
Uvnitř v mezerách pólových nástavců je navinuto
třífázové statorové (proudové) vinutí. Každá fáze má obvykle po obvodu rovnoměrně rozmístěných 6 nebo 8 cívek propojených do série.
Jednotlivé fáze jsou spojeny do hvězdy, výjimečně do trojúhelníku –
obr. 1, 2, 5, 9.
K zadnímu ložiskovému víku tělesa alternátoru jsou připevněny diodové můstky – obr. 1 (také viz obrázek 29, 30), které vyráběný proud
usměrňují. V můstcích jsou obvykle 3 kladné výkonové diody, 3 záporné výkonové diody a 3 kladné diody pro budící obvod. Základní popis vlastností diod podle možností jejich použití najdete na
http://www.spsemoh.cz/vyuka/zel/diody.htm. [10]
K zadnímu víku je také připevněn držák kartáčků, u novějších alternátorů
i s regulátorem napětí. Jeho
2 uhlíkové kartáčky již přiléhají na
kolektorové kroužky rotoru a elektricky je propojují s budícím vinutím – obr. 24, 25, 26.
Na kolektorové (hladké, měděné) kroužky je připájen začátek a konec budícího
vinutí rotoru. K zadnímu víku bývá připevněn ochranný plastový kryt.
Rotor tvoří „drápková“ kotva –
obr. 1, 2, 3, 4. Její pólové nástavce (2 x 6 nebo 2 x 8), jsou vyrobeny z magneticky měkké
oceli s obsahem C pod 0,05 % (ČSN 12014), aby se z nich nestaly téměř permanentní
magnety. Magneticky měkká ocel se chová remanentně. To znamená, že trvale
udržuje pouze velmi slabé zbytkové magnetické pole, které sice umožní nabuzení
alternátoru, ale až při vyšších než volnoběžných otáčkách motoru. Uvnitř je navinuta válcová cívka
budícího vinutí a v ní při činnosti alternátoru prochází poměrně slabý budící elektrický
proud (6–8 % elektrického proudu statoru). Pro prvotní nabuzení magnetického
toku po startu motoru je to obvykle elektrický proud procházející kontrolní
žárovkou nabíjení.
K rotoru jsou obvykle po obou stranách připevněny lopatky ventilátoru. U starších provedení byl ventilátor součástí řemenice. Výkonnější novější
alternátory mívají v řemenicích zabudovanou
volnoběžku.
Ta celkově zmenšuje kolísání a nerovnoměrnost přenosu otáček motoru na
rotor alternátoru, např. také při řazení převodů, zastavení motoru apod.
Tím volnoběžka přispívá k celkovému zlepšení chodu alternátoru. Usnadňuje
regulaci napětí, snižuje namáhání řemene atp.
Obr. 32.
Málo obvyklou součástí novějších alternátorů může být i podtlaková (vakuová)
pumpa, vytváří podtlak pro posilovač brzd apod. – obr. 4a.
(s drápkovými póly rotoru)
Elektrický proud pro silové využití, je vyráběn ve statoru na principu elektromagnetické indukce.
Při otáčení rotoru jsou pólové nástavce S a J (obr. 1, 2) více nebo méně magnetizovány v závislosti na intenzitě elektrického proudu procházejícího budicím vinutím rotoru. Spolu s otáčením rotoru se otáčí i jeho točivé magnetické pole. To svými siločárami protíná vodiče statoru. V nich se indukuje elektrický proud a s ním také nerozlučně spojené točivé magnetické pole statoru. Díky přívodu budícího proudu do rotoru má točivé magnetické pole statoru ve všech alternátorech s cizím nebo vlastním buzením stejné, tj. synchronní otáčky, jako jsou otáčky rotoru. Rotor alternátoru se sice stále pootáčí a oproti točivému magnetickému poli statoru jej předbíhá o tzv. zátěžový úhel, ale otáčky jsou stejné, tj. synchronní jako otáčky točivého magnetického pole statoru.
Současně vyráběné alternátory mají obvykle v zadním štítu
elektronický regulátor napětí, který tvoří montážní celek s držáky sběracích uhlíkových kartáčků – obr. 24.
Regulátor napětí je tak přímo prostřednictvím sběracích kroužků a uhlíkových
kartáčků elektricky vodivě připojen k začátku a konci budícího vinutí kotvy.
Elektronické regulátory prochází postupným vývojem jako hybridní, monolitické
a nejnovější víceúčelové regulátory napětí.
Elektronický regulátor napětí bývá v nejnovějších systémech propojen s elektronickou řídicí jednotkou - ECU (Electronic Control Unit). Víceúčelový
regulátor zajišťuje kromě své základní funkce také diagnostiku některých
důležitých veličin, jako např. „podnapětí“, výpadek buzení, přetržení
hnacího řemene apod. Na svorce
L
se odebírá signál, že motor běží, signál na svorce
W
proporcionálně odpovídá počtu otáček motoru. Ze svorky
B+
se získává okamžitá hodnota provozního napětí. Na přístrojové desce se
pro zobrazení indikovaných veličin používají LED diody a
LCD
zobrazovače.
Vždy reguluje elektrické napětí na principu omezování intenzity a mžikového přerušování elektrického proudu protékajícího budícím vinutím. Tím se ovládá intenzita buzení točivého magnetického pole rotoru.
Hodnota regulovaného napětí u elektronických regulátorů bývá řízená pomocí
integrované Zenerovy diody na křemíkovém čipu regulátoru a většinou se
již nedá seřizovat. U starších provedení je regulátor napětí (dříve reléový,
novější polovodičový) umístěn mimo alternátor.
V tom případě, je začátek a konec budícího vinutí vyveden přes sběrací kroužky a kartáčky
na svorky DF (původně M) a D+ (R). Na stejně označené svorky je připojen
regulátor napětí. Přívod ke kontrolní žárovce nabíjení je od svorky D+(R)
regulátoru. Opačný vývod kontrolní žárovky nabíjení je připojen na svorku
15/54 spínací skříňky.
Alternátor díky nabuzení elektrickým proudem procházejícím přes kontrolní žárovku nabíjení (nebo přes paralelně zapojený rezistor LED diody apod.) dodává elektrický proud již při volnoběhu motoru. V současnosti vyráběné alternátory mívají maximální výkon 500 až 2100 W, což při napětí 14 V odpovídá intenzitě elektrického proudu 35 až 150 A.
Proudová svorka B+ (šroub a matice M6) je připojena silným vodičem k +pólu akumulátoru (obvykle
přes svorku startéru, popř. relé imobilizéru apod.). Druhý proudový vývod
statoru B- je spojen s – pólem akumulátoru (ukostřeným).
Jmenovité napětí alternátoru je 14 nebo 28 V.
Vychází (pokud výjimečně nestanoví výrobce akumulátoru jinak) z elektrického
napětí
2,3–2,4 V na článek, tj.
13,8 až
max. 14,4 V/12 V akumulátor.
U 24 V systému, je to 27,6–max. 28,8 V.
Maximální napětí 2,4 V na článek je u gelových a AGM akumulátorů nepřekročitelné!!!
Nabíjecí napětí musí být u těchto akumulátorů vždy pod bezpečnou hranicí
„plynovacího“ napětí! Pokud by došlo u těchto druhů akumulátorů k naprosto
nepřípustnému plynování, hrozí nafouknutí obalu a v krajním případě následná
exploze – se všemi důsledky včetně poleptání elektrolytem!!!
Intenzivní plynování u olověného akumulátoru se zaplavenými elektrodami
začíná již při dosažení napětí 2,45 V na článek, tj. 14.7 V u 12 V akumulátoru
a 29,4 V u 24 V systému akumulátorů.
Obr. 3 Rotor alternátoru – rozložený stav. [1]
Obr. 4 Hlavní součásti alternátoru. [2] Zleva – řemenice; ložiska; regulátor napětí; rotor; stator.
Obr. 4a Vakuová pumpa [7]
Obr. 5 Schéma vnitřního a vnějšího zapojení alternátoru [1]
Obr. 6 El. obvod cizího buzení, tj. při rozběhu alternátoru [1]
Na obr. 1 až 4 je zobrazen popis jednotlivých funkčních části elektrického obvodu alternátoru. Podle schémat na obr. 5 až 8, je postupně vysvětlena činnost alternátoru. Na obr. 5 je popsáno schéma složení a zapojení. Po pečlivém seznámení se základním složením a zapojením alternátoru můžeme dále pokračovat podle obr. 6. V klidovém stavu může elektrický proud přitékat od akumulátoru jen na svorku 30 spínací skřínky. Po sepnutí spínací skřínky, tj. když se rozsvítí kontrolka nabíjení je elektrický obvod propojen na svorku 15 spínací skřínky. Od ní elektrický proud protéká přes kontrolní žárovku, svorku D+, dále bez omezení protéká regulátorem napětí na svorku DF. Dále přes + kartáček a sběrací kroužek budícím vinutím rotoru na ─ sběrací kroužek a kartáček, na kostru (31) alternátoru a ─ pól akumulátoru. Průtokem elektrického proudu přes budící vinutí se z rotoru „drápkové kotvy“ stane elektromagnet s pravidelně prostřídanými S a J póly. Při startu motoru se začne otáčet rotor alternátoru a spolu s ním i jeho magnetické pole. Jeho siločáry začnou protínat elektrické vodiče statoru a v nich se začne indukovat elektrický proud. V další fázi již tento indukovaný střídavý třífázový elektrický proud (obr. 7) protéká a je usměrňován budícími a zápornými diodami. Jak se postupně vyrovnává napětí alternátoru s napětím akumulátoru, zeslabí se a přestává protékat el. proud kontrolkou nabíjení a tato zhasíná. Intenzita průtoku elektrického proudu přes vyznačený obvod budícího vinutí, je při zvyšování otáček rotoru regulována regulátorem napětí. V závislosti na zeslabování intenzity průtoku elektrického proudu budicím vinutím, je zeslabována i intenzita magnetického pole a naopak. Elektrické napětí (V), vyráběné pro nabíjení a spotřebu, je odebíráno od statorové svorky B+ a přitéká přes spotřebiče na svorku B ─ (kostru). Za normálních podmínek je téměř stále stejné. (obr. 8)
Obr. 7 El. obvod vlastního buzení [1]
Obr. 8 El. obvod nabíjení a výroby el. proudu pro spotřebiče [1]
Obr. 9 Zapojení vinutí statoru do hvězdy a trojúhelníka [6]
Pamatujme, že logicky základním předpokladem správné péče, včetně určení příčin závad a provádění kvalitních oprav, je skutečná znalost funkce, konstrukce a činnosti všech částí dané zdrojové soustavy, přitom ale vývoj nových systémů stále pokračuje!!!
Jedná se především o dříve vyráběné, starší provedení – regulátory napětí nebývají součástí alternátoru.
Obr. 10 Schémata vnitřního zapojení starších provedení alternátorů. [2]
Obr. 11 Alternátor s rotorem s vyniklými póly. [3]
Alternátory tohoto provedení vynikají velkým výkonem již při nízkých otáčkách.
Používají se ve spojení s většími vznětovými motory, které pracují v relativně
malém rozsahu otáček 500–2500 ot/min, např. u autobusů městské dopravy.
Stejnosměrný
budící proud u alternátoru naobr. 11 je odebírán z akumulátoru
a je podstatně vyšší intenzity než u nejrozšířenějších alternátorů s drápkovým
rotorem. Prochází přes
regulátor napětí umístěný mimo vlastní generátor a přes vícekolíkovou zásuvku je přiváděn na
+
sběrací kroužek. Od něj prochází budícím vinutím rotoru na ─ sběrací kroužek
a kostru generátoru. Díky vyšší intenzitě proudu (A) protékajícího budícím
vinutím je i intenzivnější buzení magnetického pole. Protože má také větší
prostor pro magnetickou indukci, má tento generátor již při volnoběžných
otáčkách motoru velký výkon. Obvykle např. při jmenovitém napětí 14 V nebo
28 V dodává více jak 100 A. Točivé magnetické pole statoru, jak již bylo
uvedeno, má ve všech alternátorech s cizím nebo vlastním buzením stejné, tj. synchronní otáčky, jako rotor s vyniklými póly nebo drápkovým rotorem
apod. Rotor stroje se sice stále pootáčí oproti točivému magnetickému poli
o tzv. zátěžový úhel (předbíhá), ale ot/min, jsou stejné, tj. synchronní
jako otáčky točivého magnetického pole statoru. Synchronní provedení má
vyšší účinnost než jednodušší asynchronní provedení.
U asynchronních alternátorů, které jsou v zásadě stejné konstrukce jako asynchronní elektromotory a používají se např. u malých vodních elektráren, jsou otáčky točivého magnetického pole statoru vždy o tzv. skluz (cca 6 %) pomalejší.
Na obr. 12 je zobrazen alternátor s vlastním buzením bezkartáčový. Díky tomu, že tento alternátor již nemá žádné kartáčky, je provozní spolehlivost při správném zacházení omezena především jen životností ložisek. Tu ještě prodlužuje pravidelné doplňování maziva Staufferovými maznicemi. Potřebné buzení se indukuje a také reguluje prostřednictvím elektronického regulátoru ve stacionárním vinutí budícího zařízení. V trojfázovém vinutí jeho rotujícího dílu se indukuje již regulované elektrické napětí a elektrický proud. Ten je prostřednictvím diod umístěných v rotoru usměrňován a přiváděn do budícího vinutí hlavního rotoru s drápkovými póly (G). V hlavním trojfázovém vinutí statoru se indukuje již regulované a dále prostřednictvím diod usměrněné elektrické napětí a proud. Ten je pak přiváděn na svorky B+ a D- pro spotřebiče a akumulátor. Současně také přes pomocné diody do statoru budícího zařízení.
Obr. 12 Synchronní bezkartáčový alternátor s vlastním buzením a schéma jeho vnitřního zapojení. [3]
Obr. 13 Regulace nabíjecího napětí v závislosti na teplotě akumulátoru. [3]
Úroveň nabíjení a zejména kapacita akumulátoru velmi závisí na jeho teplotě. Z toho důvodu je zejména u vozidel určených pro městský provoz řešena optimalizace nabíjecího napětí v závislosti na teplotě akumulátoru a délce jízdy. Z grafu na obr. 13 je patrné počáteční nabíjecí napětí za nejnižší teploty 14,5 V. V závislosti na zvyšování teploty akumulátoru během trvání jízdy nabíjecí napětí postupně klesá na standardní nabíjecí napětí. Snímání teploty akumulátoru a napojení na regulátor napětí je zřejmé z obr. 13, rovněž i rozdíly v úrovni nabíjení akumulátoru a startovací možnosti. Zlepšení úrovně nabíjení akumulátoru s touto teplotní optimalizací nabíjecího napětí v zimním městském provozu činí i více jak 30 %. Nedochází k tzv. stagnaci akumulátoru, tj. že se akumulátor v zimním období nezačne nabíjet, dokud se neohřeje, což bez této regulace nabíjecího napětí nastává až asi po 20 minutách jízdy.
Nejjednodušší zdroje elektrického proudu vyráběného za chodu motoru pro malá motorová vozidla jsou alternátory (generátory), u kterých je magnetické pole, potřebné k indukci elektrického proudu, vytvářeno stálými, tj. permanentními magnety. Současné technologie výroby těchto magnetů jsou již na takové úrovni, že vytvářejí nebývale silný a s časem neslábnoucí magnetický tok. Alternátory s permanentními magnety z důvodu bezztrátového a spolehlivého připojení jejich elektromagnetických cívek odebírají elektrický proud ze statoru. V jeho magnetickém obvodu jsou uloženy elektromagnetické cívky s jádry z transformátorových plechů. Většina cívek slouží pro výrobu elektrického proudu pro spotřebiče, popř. i akumulátor, a jedna z cívek pro elektrické zapalování. Rotor s několika páry permanentních magnetů muže být proveden jako vnější nebo vnitřní. Rotor je připevněn přímo ke klikovému hřídeli motoru kuželovým svěrným spojem, jištěným proti pootočení kotoučovým perem (Woodruffovo pero). Vždy se po obvodu rotoru střídají severní a jižní póly magnetů. Vnější rotor díky většímu momentu setrvačnosti plní u malých motorů funkci setrvačníku. Současně tvoří obvykle jeden celek s magnetoelektrickým zapalováním. Tyto jednoduché alternátory mají pouze omezovače maximálního napětí - pomocí tlumivky (cívky s jádrem a velkým indukčním odporem). U malých jednostopých vozidel se jedná v podstatě jen o dvě zatěžovací větve. Jedna slouží pro osvětlení vozidla a druhá s usměrňovačem i pro dobíjení akumulátoru, pokud je použitý – obr. 14.
Obr. 14 Setrvačníkový generátor el. proudu malého motocyklu. [1]
Obr. 15 Třífázový generátor s permanentním buzením. [1]
Obr. 16 Schéma zapojení trojfázového generátoru s permanentním buzením. [1]
U třífázových alternátorů s permanentním buzením pro obvyklé výkony, např. 300 W/14 V – obr. 15, 16, je rotor s permanentními magnety rovněž připevněn přímo ke klikové hřídeli motoru. Ve statoru se vyrábí třífázový střídavý elektrický proud, který se v elektronickém modulu usměrňuje a omezuje na jmenovité napětí 14V. Pokud není dosaženo max. nastaveného napětí regulátoru, vyrábí a dodává generátor usměrněný elektrický proud do akumulátoru a připojených spotřebičů. Při dosažení max. nastaveného napětí (např. 14.4 V) elektronický omezovač prostřednictvím tyristorů propojí vinutí statoru nakrátko a generátor v tom okamžiku přestane dodávat elektrický proud do akumulátoru a spotřebičů.
Alternátory mají při správném zacházení dlouhou životnost (4,5 až 5 tis. mh; 100–120 tis. km). Protože pracují často za vysokých
otáček až 11 000 ot/min,
je důležité správné a citlivé napnutí řemene,
aby nedošlo k předčasnému poškození ložisek, volnoběžky řemenice a následně i rotoru alternátoru.
Na druhé straně je hranice minimálního napnutí, aby (např. klínový) řemen
neprokluzoval (začne „pískat“). Plochý řemen může i spadnout z řemenice.
Při nadměrném i nedostatečném napnutí řemene dochází k jeho předčasnému poškození. Běžnou kontrolu jeho napnutí podle návodu k obsluze (manuálu) v předepsaných intervalech provádí řidič. Bývá stanoven interval např. orientačně před jízdou – denní. Pomocí měřidla
po 500 mh, 15000 km apod. Příklad kontroly napnutí řemene: (obr. 17- údaje platí pro Zetor Forterra). Při působení tlakové síly 25 N (síla asi 25 N – odpovídá zatížení 2,5 kg) mezi nejvzdálenějšími řemenicemi má být průhyb 5,5 mm.
Pro správné seřízení při servisních pracích dbáme na přesné ustavení poloh řemenic a napínacích kladek. Musíme zajistit, aby nedošlo k jejich rovnoběžnému nebo osovému vychýlení. (Osa řemene musí přesně ohraničovat myšlenou rovinnou plochu.) Pro seřízení a kontrolu napnutí řemene používáme alespoň jednoduché mechanické měřicí přístroje pracující na principu siloměru. Pro nejpřesnější seřízení a kontrolu napnutí, zejména vícedrážkových řemenů, se používají zvukové měřiče napnutí. Měří vlastně frekvenci řemene po jeho rozechvění podobném jako při brnknutí do struny hudebního nástroje nebo do špice výpletu jízdního kola. Přesné hodnoty pro určení správného napnutí najdeme v manuálu, tj. v tabulkách dodaných s měřicími přístroji.
http://www.haberkorn.cz/files/file/pohonne-systemy/pohony-klinovymi-remeny/prislusenstvi/zvukovy-meric-napeti-remene.pdf [9]
Obr. 17 Schéma měření napnutí řemene [5]
Obr. 18 Měřidlo napnutí řemenů [5]
Zásadně se nesmí:
Orientačním signálem pro servisní a pečovatelské zásahy jsou podle pokynu příslušného výrobce jako obvykle u zemědělské techniky
a motorových vozidel odpracované
motohodiny - mh, (např. 10, 50, 100, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 mh), popř. spotřeba určitého množství
paliva nebo
ujeté km
(např. po 15, 30, 60, 100,120 tis. km). Časově je to dáno nárůstem
času např. v měsících nebo letech provozu a také vzhledem k období zvýšené
náročnosti na zdrojovou soustavu. Např. před zimním obdobím, pracovní sezónou
apod. Základem péče o alternátor je diagnostika a sledování technického stavu během jízdy (především kontrolky nabíjení), a v rámci předepsaných technických prohlídek, včetně neprodleného odstranění zjištěných závad.
Další popis servisních úkonů bude vysvětlen na alternátoru nejpoužívanějšího provedení – obr. 1.
K předepsaným servisním úkonům patří již zmíněná pravidelná
kontrola a seřízení napnutí, případně
výměna hnacího řemene.
Kontrolu činnosti regulace napětí
provedeme přesným voltmetrem
(multimetrem) připojeným paralelně ke svorkám akumulátoru. Nejdříve změříme
klidové napětí akumulátoru (mělo by být např.
min. 12,5 V). Po nastartování motoru a postupném zvyšování otáček musí být patrné
plynulé zvyšování napětí. Zapojení pro měření napětí a proudu je na
obr. 20
a 21.
Hodnoty napětí jsou uvedeny v odstavci Obecné složení a činnost alternátoru.
Vadné elektronické regulátory napětí obvykle vyměníme za stejný typ. Bývá také možné vyměnit jen regulační čip a uhlíkové kartáčky - obr. 23.
Pro funkční zkoušku staršího provedení alternátoru s nezabudovaným regulátorem je nezbytné si vyrobit propojovací vodiče se správnými konektory – obr. 19. Propojovacím vodičem propojíme nakrátko oba vývody od uhlíkových kartáčků budícího vinutí DF(M) a D+(R). (Tím nahradíme a současně vyřadíme regulátor napětí z činnosti.) Voltmetr připojíme (nouzově žárovkovou zkoušečku – 24 V) mezi svorky B+ a B– (kostru).
Při minimálních otáčkách se kvůli nabuzení magnetického pole krátce dotkneme pomocným vodičem (1) svorky B+. (Je připojený k propojovacímu vodiči např. u svorky D+(R). Voltmetr při volnoběhu motoru a mírném zvýšení otáček ukazuje neregulované napětí od 12 až 20 V – pokud je alternátor až po regulátor napětí funkční.
(Na stejném principu fungující přípravek si můžeme vyrobit z držáku zabudovaného regulátoru. Čip regulátoru přemostíme tím, že vývody uhlíkových kartáčků propojíme a připojíme pomocný vodič (1) jako na obr. 19. Dále postupujeme stejně jako u alternátoru s nezabudovaným regulátorem.)
Obr. 19 Funkční zkouška staršího provedení alternátoru s nezabudovaným regulátorem [5]
Obr. 20
Schéma kontroly regulace napětí při proměnném zatížení. [1]
Proudové zatížení můžeme měnit nejlépe pomocí sériově připojeného reostatu.
Nouzově alespoň postupným zapínáním elektrických spotřebičů, např. osvětlení
vozidla, větrání apod.
Obr. 21 Kontrola zpětného proudu alternátoru [1]
Je-li motor v klidu, nesmí protékat proud z akumulátoru do alternátoru.
Pokud protéká, došlo k průrazu kladných diod!
Osciloskop patří v současnosti k nejpoužívanějším a nejdůležitějším diagnostickým přístrojům s největší šířkou použití.
Oblast měření pomocí osciloskopu je již obvykle doménou specializovaných
autoelektrikářů v současnosti vzdělávaných ve studijním oboru „Autotronik“.
Nicméně i v menších dílnách, kde obvykle nemá specialista dostačující uplatnění,
je nezbytně nutné se naučit zvládnout alespoň jednoduchá diagnostická měření
pomocí osciloskopu. Nejlevnější lze pořídit cca od 3000,- Kč. Oscilace (kmitání) – tj.
velmi rychle probíhající změny elektrického napětí
(a jiné změny fyzikálních veličin převedené na elektrické napětí) v závislosti
na čase, vidíme graficky zobrazené na obrazovce osciloskopu.
Podle počtu vstupních signálů, které lze současně sledovat, se můžeme setkat
s jednokanálovými až např. osmikanálovými osciloskopy.
Elektrický signál z měřeného agregátu se nejčastěji přivádí do osciloskopu prostřednictvím příslušné měřící sondy. (Obr. 22).
Měřící
sonda svou velkou vnitřní impedancí (odporem kolem 1 megaohmu) minimalizuje
asi 10x zatížení měřeného obvodu. Tím je zajištěno zcela zanedbatelné ovlivnění
měřené veličiny. Samozřejmě tím také chrání vlastní (a ne vždy levný) osciloskop
před poškozením přepětím.
Původní analogové osciloskopy neumožňovaly uchování dat
- pokud neměly paměťovou obrazovku. Novější digitální osciloskopy mají
samozřejmě paměťové možností s možnosti archivace, transformace a automatizace
měření.
Při použití vhodných adaptérů lze také využít notebook nebo tablet i jako digitální osciloskop a tím podstatně zlevnit jeho pořízení.
Osciloskopy najdete např. na
http://www.osciloskopy.com/eshop_cz,
http://www.osciloskopy.com/eshop_cz.php?cat=4&sbcat=9,
http://www.levna-autodiagnostika.cz/servisni-kabely/automobilovy-osciloskop/.
Obr. 22. Schéma sondy osciloskopu [ 4]
Postup při bezdemontážní diagnostice činnosti alternátoru
Nejčastěji se v praxi setkáváme s osciloskopy určenými především pro diagnostiku zapalování, které obvykle mají i měřící
sondu a kabely pro diagnostiku alternátoru. Jejich připojování se řídí
manuálem výrobce.
Obvykle se připojuje na svorky D+/61 a D- nebo na + a – pól akumulátoru.
Spouštěcí kabel se obvykle připojuje na první zapalovací svíčku. Po připojení
a předepsaném nastavení osciloskopu následuje start motoru a postupně se
zapnou všechny spotřebiče.
Vyhodnocení stavu se provede podle vzorníku oscilogramu. Správnou funkci nebo závady, které lze vyčíst z oscilogramu jsou uvedeny
na obr. 23.
Bezdemontážní diagnostikou se také mohou odhalit mechanické závady, především v řemenovém pohonu alternátoru. Např.: opotřebení řemenic - nejlépe pomocí tvarové šablony od výrobce řemene. Proměření rovnoběžného a úhlového vychýlení řemenic a napínacích kladek je nejpřesnější pomocí laserového měřícího přípravku. Vizuální kontrolou opotřebení hnacího řemene a stavu jeho napnutí. Při rychlejším zvýšení otáček se tyto závady navenek projevují prokluzem řemene a pronikavým pískáním rostoucím spolu se zvyšováním otáček motoru. Diagnostické přístroje jsou uvedeny např. na http://ww2.gates.com/Czech/brochure.cfm?brochure=12445&location_id=18264.
Stav uhlíkových kartáčků a sběracích kroužků lze většinou ověřit již po demontáži bloku uhlíkových kartáčků nebo regulátoru
napětí.
Průrazy statorového nebo budícího vinutí na kostru nebo přerušení některého z vinutí lze zjistit až po demontáži alternátoru.
Obr. 23 Oscilogramy správné funkce a poruch diod alternátoru. [1]
Nejčastějšími příčinami poruch a závad alternátorů obvykle jsou:
Včasným odhalením nadměrného opotřebení jednotlivých součástí předcházíme vzniku závažných poruch alternátorů. Zvyšujeme tím provozní spolehlivost celé elektrické zdrojové soustavy a také podstatně snižujeme provozní náklady vozidla nebo stroje.
* Orientační ceny součástí bez DPH v r. 2015; viz např.: http://shop.elancar.cz/
Základním signálem poruchy zdrojové soustavy alternátoru je nesprávná činnost kontrolní žárovky (kontrolky) nabíjení. Jedná se nejčastěji o dva nežádoucí stavy:
Ad a) Rozsvítí-li se kontrolka nabíjení za chodu motoru nebo po startu motoru nezhasne, znamená to, že alternátor nezásobuje elektrickým proudem spotřebiče
a akumulátor.
Příčinou může být vadný regulátor napětí.
Nejjednodušší je jej zkušebně nahradit regulátorem,
který
máme ověřený jako funkční.
Vždy před montáží regulátoru očistíme sběrací kroužky hadříkem namočeným
v technickém benzinu. Druhou možností je proměřit nebo nechat
proměřit regulátor speciálním testerem na regulátory.
Další příčinou může být
závada v propojení
(kabeláži) s externím
regulátorem napětí nebo s řídicí jednotkou – ECU.
Podobně vznikne závada vlivem
oxidace kontaktů
regulátoru, včetně jeho ukostření. Důsledkem oxidace je nadměrné zvýšení přechodových odporů v místech kontaktů a ukostření. Prvotní příčinou může být nepříliš vhodné
umístění alternátoru, nebo poškození např. štítu krytí proti stříkání a vnikání vody
do alternátoru.
Při poruše regulátoru také může docházet k přebíjení vyšším napětím
– kontrolka po startu zhasne
a následně se může, ale také nemusí, za chodu motoru rozsvítit. V lepším
případě v první fázi praskají žárovky. Klasický olověný akumulátor silně
plynuje (vře), je cítit kyselinu. Gelovým a AGM akumulátorům, jak již bylo
popsáno, hrozí i jejich zničení.
Rovněž může dojít k poškození ECU.
Obr. 24 Regulátor napětí. [3]
Obr. 25, 26 Vydřené sběrací kroužky rotoru – je nutná výměna. [3]
Pokud není zřejmá závada v předchozích místech, může být důvodem vadná dioda a tím některý z diodových můstků. Oxidace také může nadměrně zvýšit přechodový odpor z důvodu vnikání vody i u diodových můstků. Pro ověření těchto poruch je vhodné provést
funkční zkoušku samotného alternátoru,
která již byla popsána v odst. Servisní péče, diagnostická údržba alternátoru. Pro odstranění poruch diodových můstků je již nutná demontáž alternátoru.
Pro zjištění vadné diody a tím i příslušného diodového můstku je nutné diodové můstky odpojit od statorových vývodů. Jejich
propustnost nejlépe zjistíme pod zátěží pomocí stejnosměrného zdroje a
žárovky, např. 24V/21W. Pokud zjišťujeme propustnost multimetrem, nemusíme
pod tak malým zatížením vadnou diodu vždy odhalit.
Viz obr. 28; 29; 30.
Obr. 27 Usměrňovací diody alternátoru [1]
Obr. 28
Kontrola funkce diod. [ 1]
Zdrojem proudu může být 24 V akumulátor a zkušební žárovka, např. 24V/21 W. Podobně můžeme použít multimetr (ohmmetr).
Obr. 29 Kontrola funkce diod multimetrem. [3]
Obr. 30 Diodové můstky a teplovodivá pasta. [3]
Pokud zjistíme vadnou jednu diodu, je nutné pro zajištění dlouhodobé spolehlivosti provedené opravy vyměnit všechny diody v daném můstku - tj. plusovém, minusovém, budícím nebo celý můstek. Při pájení vždy dbáme na chlazení připojovaného vodiče (pinzetou, kleštěmi). Na čistou stykovou plochu diodových můstků nanášíme při montáži pro dostatečný odvod tepla speciální teplovodivou pastu. Nesmíme nahradit např. silikonovým tmelem! (Obr. 30)
Ad b)
Pokud po zapnutí klíče spínací skříňky do 1. polohy kontrolní žárovka (kontrolka)
nabíjení nesvítí.
Samozřejmě vycházíme ze situace, že není zcela vybitý akumulátor, protože všechny ostatní kontrolky svítí. V prvé řadě bychom měli mít jistotu (podle manuálu – schématu elektrického zařízení vozidla nebo stroje), že
elektrický proud prochází kontrolkou nabíjení
do budícího vinutí a
závisí na něm prvotní nabuzení alternátoru.
Můžeme se však také
setkat s tím, že kontrolka nabíjení je zapojená jen jako informativní (popř. nahrazená LED diodou) a elektrický proud pro první
nabuzení prochází přes paralelně připojený rezistor. V tom případě může
být závada také jen ve spálené kontrolce nebo v jejím připojení, když měřením
nabíjecího napětí zjistíme, že alternátor normálně pracuje. Pokud však
zjistíme měřením napětí na svorkách alternátoru nebo akumulátoru, že alternátor za chodu motoru nedodává jmenovité elektrické napětí
(např. 14 V), pak postupujeme v zásadě v obou případech stejně.
Logickým důvodem, proč kontrolka po zapnutí spínací skříňky nesvítí, je přerušení budícího okruhu. V prvé řadě ověříme a ihned vyměníme
spálenou kontrolní žárovku kontrolky.
Pro správné prvotní buzení mívají předepsané parametry - obvykle 12V/2W;
24V/3W. Dále pokračujeme kontrolou připojení a stavu regulátoru
napětí.
Příčinou přerušení budícího okruhu
a tím nenabuzení alternátoru mohou být již příliš
krátké uhlíkové kartáčky - obr. 24, které nemají potřebný kontakt se
sběracími kroužky.
Ty mohou být jiskřením mezi kartáčky opálené nebo
prodřené
až na izolaci -
obr. 25, 26.
Pokud jsme tyto předešlé závady neobjevili, je nutné prověřit funkci a propustnost samotného regulátoru,
vhodné
postupy již byly popsány v bodě ad a).
Další, dříve méně častou možností poruchy, je přerušení budícího vinutí v rotoru.
To můžeme ověřit
při vyjmutém regulátoru připojením měřících hrotů multimetru na sběrací
kroužky rotoru. Následně proměříme, zda neprobíjí vinutí na kostru připojením
měřícího hrotu postupně na oba kroužky a druhým připojeným na kostru rotoru.
Příčinou poruchy může být
pootočení cívky budícího vinutí na hřídeli rotoru (obr. 31) vlivem její velké setrvačné hmotnosti při zadření volnoběžky řemenice
alternátoru, např. při „cukání“ při zastavení motoru. (Současné velmi výkonné
alternátory musí mít při stejné velikosti rotoru budící vinutí ze silnějších
a těžších měděných vodičů.) V tom případě obvykle vyměníme poškozený rotor za nový.
Obr. 31 Poškození budícího vinutí rotoru pootočením. [3]
Obr. 32 Různé druhy volnoběžek řemenic. [3]
Další méně časté poruchy alternátoru
* Příčinou relativně menší četnosti poruch vinutí alternátorů je tzv. indukční reaktance, tj. indukční odpor vinutí elektromagnetických cívek (statoru a rotoru). Reaktance se průchodem střídavého proudu zvyšuje v přímé úměře s jeho frekvencí, tj. při zvyšování otáček alternátoru. Na tomto principu vlastně vinutí statoru i rotoru brzdí indukci nadměrně vysoké intenzity elektrického proudu, který by způsobil až úplné spálení vinutí. Jedná se o praktické uplatnění Lenzova zákona - indukované napětí působí svými účinky proti změně, která ji vyvolala. Také z toho důvodu mají alternátory pouze regulátory napětí na rozdíl od jejich předchůdců, tj. dynam, která přímo vyrábějí stejnosměrný proud. U nich musí být regulovaná i intenzita elektrického proudu (A), aby nedošlo při přetížení i k úplnému spálení vinutí. *
Obr. 33 Oscilogram - mezizávitového zkratu mezi dvěma fázemi, nebo přerušení 1 fáze. [6]
Obr. 34 Postupné proměřování vinutí statoru (1.2.3.). [6]
Repasí alternátorů a prodejem náhradních dílů se zabývá řada specializovaných firem – např.:
http://www.szpnj.cz/soc.html;
http://www.startery-alternatory.cz/zetor/c-1250/;
https://eshop.autoelektrika.cz/login.
Základem informací pro montáž a demontáž je vždy manuál – dílenská příručka
výrobce alternátoru, stroje nebo vozidla. Samozřejmostí je rovněž dodržení
všech bezpečnostních a všeobecných montážních zásad. V odst. Základní zásady správného zacházení s alternátorem již byly
uvedeny. Před demontáží
označíme vzájemnou polohu jednotlivých dílů (fixem, důlčíkem) – popř. i
během prvotní demontáže neznámého typu pořizujeme průběžnou fotodokumentaci
mobilem. Pečlivě ukládáme demontované součásti a šroubky k sobě do oddělených
přihrádek a nádob.
Při demontáži vlastního tělesa alternátoru je obecný postup dán logicky podle konkrétního provedení alternátoru a přístupu ke šroubovým spojům, umístění diodových můstků vně nebo uvnitř apod. Dále podle provedení krytu kontaktů, popř. celého diodového usměrňovače. Ihned po zpřístupnění odmontujeme regulátor napětí nebo u starších provedení jen držák kartáčků. Tam, kde to není možné, kartáčky jen nadzvedneme přes boční otvor a zajistíme ve zvednuté poloze drátkem. Dále pokračujeme odpojením nebo odpájením silových kontaktů statorového vinutí. Jsou-li některé kontakty přibodované, odsekneme je tak, abychom je při montáži mohli připájet. Dále odšroubujeme všechny viditelné šrouby a matice. Poté obvykle následuje sejmutí zadního víka. Lehce jej sklepáváme kladívkem přes plochý roubík a dále páčením pomocí dvou šroubováků. Podobně oddělíme přední víko od statoru. Pečlivě dbáme, abychom nepoškodili styčné plochy a izolaci vinutí – stator odkládáme na čistý kartón nebo hadr apod. Takto postupujeme, pokud je zřejmé, že demontáž řemenice nemusí být snadná a nedemontovali jsme ji hned na začátku prací. Zejména zarezavělé volnoběžné řemenice demontujeme až při uchycení rotoru do svěráku přes měděné vložky čelistí. Na některé volnoběžné řemenice potřebujeme speciální klíč a stahovák. Následuje vyjmutí rotoru a valivých ložisek. Pokud je ložisko předního břemenného víka jištěno přinýtovanou příložkou, nýty odvrtáme a ložisko vhodným trnem vyklepneme. Po vyčistění a vymytí technickým benzinem a vyfoukání stlačeným vzduchem proměříme (např. multimetrem) všechny elektrické části alternátoru. Vadné a neopravitelné díly vyřadíme. Mírně opotřebené sběrací kroužky jemně osoustružíme tak, aby nehrozilo jejich brzké prodření. Jinak je musíme vyměnit. Při jejich výměně rovněž musíme odpájet připojení budícího vinutí. Pokud neměníme stator a rotor, tak jejich pólové plochy pečlivě zbavíme rzi, starého laku a pečlivě vyfoukáme, odmastíme znovu benzinem a nastříkáme transparentním lakem. Další vadné díly nahradíme novými. Vždy, pokud se nejedná o vskutku zánovní alternátor, měníme ložiska, zadní ložiskové (plastové) pouzdro a kartáčky. Před montáží pečlivě vyčistíme a vybrousíme všechny styčné plochy, abychom všude zajistili dokonalé ukostření. Všechny kontakty čistíme např. Kontaktolem a konzervujeme WD 40. Podrobný popis kontroly a výměny diod a diodových můstků již byl uveden v předchozím textu. Pečlivě dbáme jak na čistotu a nakonzervování kontaktů, tak na neporušenost izolace. Postup montáže je oproti demontáži logicky opačný, jen je třeba pečlivě postupovat na základě znalosti funkce jednotlivých součástí, tj. také kontaktů a izolace. Pro názornější technickou inspiraci oprav alternátorů lze doporučit videa, která najdete např. na
http://www.youtube.com/watch?v=aVvPzwtxdrM;
http://www.youtube.com/watch?v=H5j85FiiPDM&list=PL7E56F3534CE428D2&index=2;
http://www.youtube.com/watch?v=FXmLjQ5p7y4&list=PL7E56F3534CE428D2
.
Obr. 35 Sada speciálního nářadí na opravu alternátoru. [7]
Kontrolní otázky a úkoly
Použitá a doporučená literatura
[1] Gscheidle, R. a kol. (2001): Příručka pro automechanika. SOBOTÁLES, Praha, 629 str., ISBN: 80-85920-76-X.
[2] Pavlis, S. (1996): Elektrotechnika motorových vozidel. IVV MZe ČR, Praha, 1996, 103 s, ISBN: 80-7105-115-2.
[3] Autoexpert č.6;12/2012; 01; 02; 03/2013; č.10; 11/2014.
[4] [online]. [2014-01-04]. Dostupné z:
http://www.controlengcesko.com/hlavni-menu/artykuly/artykul/article/princip-funkce-osciloskopu/
[5] [online]. [2014-01-04]. Dostupné z: http://www.tyma.cz/files/technicke-informace/
[6] Pošta, J. a kol. (2003): Opravárenství a diagnostika III. Informatorium, Praha, 187 str., ISBN: 80-73330-17-2.
[7] [online]. [2014-01-04]. Dostupné z: http://shop.elancar.cz/
[8] [online]. [2014-01-04]. Dostupné z: https://eshop.autoelektrika.cz/login
[9] [online]. [2014-01-04]. Dostupné z:
http://www.haberkorn.cz/files/file/pohonne-systemy/pohony-klinovymi-remeny/prislusenstvi/zvukovy-meric-napeti-remene.pdf
[10] [online]. [2014-01-04]. Dostupné z: http://www.spsemoh.cz/vyuka/zel/diody.htm