Alternátor

Alternátor je točivý elektrický stroj, ktorý prevádza mechanickú energiu na elektrickú. Je to agregát, ktorý má v automobile na starosť výrobu elektrickej energie. Ako alternátor, tak aj dynamo, patria do skupiny elektrodynamických zdrojov.

Alternátor musí aj pri plnom zaťažení (svetlá, rádio, ventilácia) vyrobiť dostatok energie pre všetky spotrebiče a súčasne zabezpečiť dobíjanie akumulátora. Je poháňaný remeňom od remenice kľukového hriadeľa motora, k motoru je pevne priskrutkovaný pomocou príruby. Výhodou alternátora je schopnosť vyrábať napätie aj pri nízkych otáčkach motora, táto vlastnosť chýbala v minulosti používaným dynamám (Š 1000 MB). Alternátory sa začali v motorových vozidlách používať už v štyridsiatych rokoch v USA, a to najmä pre automobily určené na ťahanie obytných prívesov. Na usmernenie sa používali mostíkové usmerňovače zložené zo selénových dosiek, ktoré boli veľmi rozmerné a vyžadovali intenzívne chladenie. Až v 60. rokoch umožnila výroba výkonných diódových usmerňovačov bežné použitie alternátorov pre všetky druhy vozidiel.

Základné rozdelenie alternátorov

Podľa budenia

• s budením jednosmerným prúdom (používajú sa najmä v motorových vozidlách),
• s budením permanentnými – trvalými magnetmi (ich výhodou je veľmi jednoduchá konštrukcia a možnosť práce aj v značne prašnom prostredí, nevýhodou sú určité problémy s reguláciou).

Podľa počtu fáz

• jednofázové (používajú sa pre malé výkony a malé zmeny zaťaženia, najmä u jednostopových vozidiel),
• trojfázové (predstavujú základný typ alternátorov pre všetky druhy motorových vozidiel).

Ako to celé funguje?

Ako alternátor funguje si vysvetlíme na jednoduchom obrázku.

Jeden závit vodiča je otočne uložený v homogénnom magnetickom poli permanentného magnetu. Začiatok a koniec vodiča je spojený od seba odizolovanými krúžkami. Na krúžky dosadajú uhlíkové kontakty – kefy. Rovnomerným otáčaním závitu sa vo vodičoch indukuje napätie. Ak sa bude závit otáčať v naznačenom smere, bude sa v hornej časti závitu indukovať napätie v opačnom smere, než v spodnej časti. Je to spôsobené tým, že horná časť závitu pretína siločiary magnetického poľa zľava doprava, kdežto spodná časť závitu pretína tie isté siločiary sprava doľava. Výsledkom je vznik striedavého napätia sínusového priebehu. Ak budú v magnetickom poli umiestnené tri závity pootočené od seba o uhol 120°, výsledkom bude trojfázový striedavý prúd, sínusového priebehu. V praxi je alternátor z konštrukčných dôvodov riešený opačne. Cievky, v ktorých sa indukuje napätie sú súčasťou statora a rotor tvorí permanentný alebo budený magnet. Mimo alternátorov pre malé výkony (mopedy), sa používajú alternátory s trojfázovým vinutím.

Trojfázové vinutie môže byť spojené do hviezdy, alebo do trojuholníka. Pri alternátoroch pre motorové vozidlá sa používa takmer výhradne zapojenie do hviezdy, pričom nulový bod nie je väčšinou vyvedený.

Výhody a nevýhody alternátora

a) Alternátor s usmerňovačom možno navrhnúť tak, že akumulátor je nabíjaný aj pri behu aj voľnobehu. To je dôležitá výhoda pre dnešnú mestskú prevádzku, kedy vozidlo 25% času prestojí na križovatkách, ide väčšinou pomaly a najviac asi 40% svojho času môže ísť rýchlosťou nad 45 km/h. Život akumulátora nabíjaného alternátorom s usmerňovačom je dlhšia ako akumulátora nabíjaného dynamom. Hlavnou príčinou prečo alternátor môže nabíjať aj pri nižších otáčkach motora je, že alternátor možno navrhnúť na vyššiu obvodovú rýchlosť rotora a sprevodovať ho tzv. do rýchla. Alternátor je tiež budený priamo z akumulátora, ihneď po zapnutí zapaľovania. Na obrázku  je porovnávacia charakteristika predtým používaného dynama a dnešného alternátora, približne rovnakého výkonu I = f (n) pri konštantnom napätí. Dynamo nedáva pri 1000 ot/min. ešte žiadny prúd, kdežto alternátor dáva už 13 A.

b) Takmer žiadna údržba. Väčšina alternátorov má síce krúžky a kefy, ale tými sa privádza do rotora len slabý budiaci prúd, takže ich opotrebovanie je veľmi malé.

c) Jednoduchá regulácia. Pretože usmerňovač prepúšťa prúd len jedným smerom, odpadá spätný spínač. Odpadá aj regulácia prúdu. Prúd alternátora je obmedzený reaktanciou vinutia statora a nemôže prekročiť isté hodnoty. Reaktancia XG = 2π (pn/60) L statorového vinutia, tj. odpor pre priechod striedavého prúdu sa mení lineárne s otáčkami, a tak samočinne bez akéhokoľvek regulačného zásahu, s rastúcimi otáčkami rastie nielen indukované vnútorné napätie, ale aj vnútorná impedancia (zdanlivý odpor) alternátora.

d) Prevádzková spoľahlivosť. Pretože prúd sa odoberá zo statora, odpadajú akékoľvek klzné kontakty, ktoré by sa opotrebovali, vyžadovali by údržbu a boli by zdrojom porúch. Možno voliť vyššie otáčky a tým vychádzajú malé rozmery. Konštrukcia je jednoduchá.

e) Súprava alternátor – usmerňovač dáva prúd stále rovnakej polarity, nezávisle na zmysle otáčania (na zmysel otáčania je potrebné dbať iba v súvislosti s ventilátorom, ktorý je na hriadeli alternátora).

Istou nevýhodou je vznik prepätia pri náhlom odľahčení alternátora, ak nie je pripojený akumulátor. Potom dôjde k nebezpečnému zvýšeniu napätia, pretože pracovné vinutie alternátora má značnú indukčnosť. Toto zvýšené napätie môže poškodiť usmerňovacie diódy alternátora, alebo iné polovodičové súčiastky.

Konštrukcia alternátora