Tętnienie prądu zmiennego w alternatorze

Fot. AS-PL

Alternator jest trójfazową prądnicą synchroniczną prądu przemiennego i działa na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Zamienia energię mechaniczną w prąd przemienny.

Magneśnica/wirnik alternatora (ang. rotor) wiruje wewnątrz twornika/stojana (ang. stator). Pierścienie ślizgowe z regulatora zasilają uzwojenie wirnika, a napięcie, które do niego trafia, doprowadzone jest przez dwie szczotki węglowe (+ i -), do których podłączone są oba końce uzwojenia wirnika. Wokół wirnika powstaje pole elektromagnetyczne i wiruje wraz z nim. Pole to, oddziałując na uzwojenia twornika, indukuje w nich siłę elektromotoryczną (napięcie źródłowe). W tworniku alternatora wytwarzany jest prąd przemienny (rys. 1).

Rys. 1. Prąd przemienny trójfazowy wytworzony w alternatorze przed prostowaniem

Prąd wypływający z uzwojeń alternatora (podobnie jak to ma miejsce w sieci energetycznej) w poszczególnych fazach jest przesunięty względem każdej z nich o 120º. Wytworzony prąd przekazywany jest na prostownik przetwarzający prąd przemienny w prąd zmienny. Jego wartość zmienia się w czasie okresu (360º – dla przebiegu jednopołówkowego, 180º i 360º – dla przebiegu dwupołówkowego), ale jego kierunek pozostaje bez zmian. Jest to prąd „ukierunkowany”, lecz tętniący (inaczej określany mianem pulsującego lub falującego). Niekiedy bywa błędnie określany jako prąd stały. Różnicę między prądem zmiennym, przemiennym i stałym przedstawia rys. 2.

Rys. 2. Różnica między prądem stałym, przemiennym i zmiennym

W przypadku alternatora i innych urządzeń zasilających zjawisko prądu zmiennego lub tętniącego jest bardzo niepożądane, szczególnie dla zasilania wrażliwych układów elektronicznych (np. pomiarowych). Z tego powodu w alternatorze stosuje się prostownik w układzie mostkowym – tzw. mostek Graetza. Ilość użytych diod zależy od ilości wyprowadzeń stojana dla różnej konfiguracji podłączenia alternatora (chodzi o jego wydajność prądową). Niezależnie od użytej ilości diod uzyskuje się większą sprawność oraz wydajność prądową, jednak tętnienie prądu nadal występuje. O ile jednak w sieci energetycznej (50 Hz) okres pojedynczego przebiegu sinusoidy równa się 1/50 Hz, to w przypadku prostowniczego mostka Graetza (dwupołówkowego) suma tętnień jest podwojona i wynosi 100 Hz (dwie połówki przebiegu dla jednego okresu 360°). Dla trójfazowego mostka Graetza będzie to już 300 Hz (sześć połówek przebiegu dla jednego okresu 360°).

W alternatorze minimalna częstotliwość wytworzonego prądu wynosi 100 Hz i zmienia się wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wirnika (magneśnicy). Tym samym wzrasta częstotliwość prądu przemiennego. Finalnie, na wyjściu mostka prostowniczego wartość tętnień wynosi zawsze sześciokrotną wartość zmierzonej częstotliwości prądu przemiennego (pomiar częstotliwości jednej fazy x 6 = częstotliwość tętnień). Dlatego wykres napięcia w funkcji czasu rysuje się podobnie, jak w przypadku prądu stałego (rys. 3).

Rys. 3. Sześciodiodowy prostownik trójfazowy i wykres wyprostowanego prądu

Tętnienie w przypadku prostownika jednofazowego zaczyna się od zera przebiegu sinusoidy do wartości maksymalnej (w przypadku prądu trójfazowego tętnienie nie jest tak „wysokie”). Napięcia w poszczególnych uzwojeniach „nakładają się” na siebie, w związku z czym pulsacja napięcia jest nieznaczna i wynosi ok. 1 V. Niektóre modele alternatorów wyposażone są w kondensator, który (jak filtr pojemnościowy) wygładza przebieg prądu. Montuje się go w celu zminimalizowania tętnień. Ostatecznie funkcję stabilizatora napięcia spełnia sprawny i dobrze dopasowany pojemnością akumulator.

Tak więc, choć zjawisko tętnienia prądu występuje w alternatorze, jest ono zauważalne wyłącznie w urządzeniach diagnostycznych. Dzieje się tak ze względu na wysoką częstotliwość wytworzonego prądu, jak i niewielki przedział pulsującego napięcia.
Warto także wiedzieć, iż zauważalne tętnienia ujawniają się szczególnie wtedy, gdy uszkodzeniu ulegnie mostek prostowniczy w alternatorze. Przy dodatkowym obciążeniu większym poborem prądu akumulator nie jest w stanie filtrować i stabilizować tętnień, a zjawisko to można zaobserwować „gołym okiem” np. jako pulsowanie świateł w aucie.