Dobór i przystosowanie alternatora

0
212
Im jacht bardziej „wypasiony”, tym więcej problemów. Żadne odkrycie, a jednak. Armatorzy jachtów, którzy decyduję się na samodzielną zabudowę marynizowanych silników jako stacjonarnych napotykają sporo różnych problemów, o których przed taką operacją nie zdawali sobie sprawy. Ba, gdyby wiedzieli co ich czeka – wielu z nich decydowało by się na zakup fabrycznego jachtowego zespołu  napędowego. Ja bym zaryzykował taką opinię – dopiero za drugim razem mozesz powiedzieć, że wiesz na co się rzucasz. A alternator? Na początku może się wydawać, że to banalny problemik. Komu się tak wydaje – polecam ponizsze korepetycje Tadusza Lisa.
Dziwi Was słowo „korepetycje”? Przecież to tylko oznacza przypomnienie spraw, które ponoć dobrze znacie 🙂
Żyjcie wiecznie !
Don Jorge
_________________________
Opowieść o alternatorach

Ponieważ ciekawe pytania, uwagi i komentarze Kolegów pod poprzednim odcinkiem (http://www.kulinski.navsim.pl/art.php?id=2116&page=0 )zaczynały za bardzo przeciążać łódkę SSI na jedną burtę postanowiłem już nie kontynuować wątku, ale rozwinąć nowy – poświęcony głównym źródłom prądu na jachcie jakim jeszcze długo pozostanie prądnica prądu zmiennego zasilana z silnika spalinowego, popularnie zwana alternatorem. Muszę wyznać, że poświęciłem sporo spacerów zastanawiając się jak maksymalnie prosto przybliżyć kolegom zagadnienia doboru, adaptacji, montażu i sterowania alternatorów w instalacjach jachtów żaglowych oraz motorowych – gdyż wbrew projektujemy je nieco inaczej.

———————-

Jak zapewne zorientowaliście się z moich wcześniejszych dialogów z Don Jorge, uważam, że skoro  każda zaawansowana technologia nie różni się zasadniczo od czarnej magii, zatem wystarczy, jeżeli większość urządzeń elektrycznych będziemy traktowali jako czarne skrzynki – o znanych podłączeniach i charakterystyce działania. Jednak ze względu na krytyczne znaczenie alternatora, jako głównego źródła prądu, musimy przyjrzeć się mu nieco głębiej – gdyż bez tego nie moglibyśmy ze zrozumieniem kontynuować wątku o specjalnych regulatorach jachtowych oraz wymienić się doświadczeniem co zrobić, gdy pacjent zacznie nam niedomagać akurat na środku Atlantyku. Generalnie alternatory mimo, że są rodzaju męskiego mają bardzo wiele cech kobiecych. Traktowane z miłością i szacunkiem są bardzo wierne i pracowite przez długie lata, a ich kaprysy i ewentualne nieporozumienia w dialogu z akumulatorami i resztą instalacji jachtowej dają się łatwo łagodzić metodami delikatnej perswazji i przemyślanych korekt – niekiedy ich zbyt ognistego charakteru. Ale tworzą szczęśliwe związki wyłącznie wtedy, gdy ich temperament i sposób reagowania zostanie ściśle dopasowany do charakteru naszej instalacji. Jeżeli jest inaczej potrafią wykazać ekstremalną wściekłość zdradzonej kobiety paląc za sobą wszystkie mosty (poczynając od mostków diodowych) – a czasami również część komory silnikowej – o czym za chwilę.

Zacznijmy zatem wyjątkowo od zajrzenia do ich wnętrza i próby dogłębnego zrozumienia jak działają – w tym przypadku ryzykowałbym stwierdzenie, że jest to możliwe. Każdy alternator jachtowy składa się z następujących, głównych części (rysunek pochodzi ze strony miłośników samochodu Honda Civic http://www.civic4g.pl/faq/alternator.html ):

 

 

Sercem alternatora jest wirnik, do którego przez regulator napięcia doprowadzany jest prąd wzbudzenia. Wytwarzane pole magnetyczne powoduje powstanie prądu zmiennego w stojanie. Prąd ten jest następnie prostowany w mostku diodowym i wyprowadzony na zaciski zewnętrzne alternatora – oznaczane zazwyczaj B+ (dodatni) oraz nr 31 (minus) – patrz poniższy rysunek. Dodatkowo wyprowadzony jest przewód o oznaczeniu D+ pod który podłączona jest lampka kontrolna pracy alternatora (lampka sygnalizacji ładowania). Uwaga! Ta lampka musi:

1. Mieć dokładnie taką moc jak przewidział producent – a więc lampki oryginalnie 5W nie zastępujemy lampką 2W ani 10W – mimo, że każda z nich może mieć taki sam cokół i zmieści się w obudowie panelu przyrządów

2. Musi być sprawna – jeśli jest przepalona może to uniemożliwić rozruch alternatora. Dlaczego? Popatrzmy na schemat – w chwili rozruchu alternator musi być pobudzony z zewnętrznego źródła (w przeciwieństwie do prądnić z magnesami stałymi). Taką funkcję pełni właśnie podłączenie D+.

Analizując ten schemat dochodzimy do ważnego wniosku – nie zostawiajmy na dłuższy czas włączonej stacyjki przy niepracującym silniku!  Po pierwsze – prawie na pewno doprowadzi to do rozładowania akumulatora, a po wtóre może doprowadzić do spalenia wirnika – gdyż nieruchomy jest, mimo, że płynie przez niego mały prąd, bardzo słabo chłodzony. Skąd pomysł na zostawianie włączonej stacyjki? Ponieważ widziałem u Kolegów tak wykonane instalacje, gdzie stacyjka była jednocześnie wyłącznikiem instalacji jachtowej – to prosty błąd bezrefleksyjnego skopiowania schematu instalacji samochodowej (jak podłączyć instalację do alternatora lub alternatorów – o tym w następnych odcinkach)

 

Jeszcze tylko dodam, że przewód W jest wyprowadzeniem sygnału zmiennego na obrotomierz elektroniczny (w silnikach wysokoprężnych). O jego podłączeniu i kalibracji innym razem – nie bądźcie jednak zaskoczeni, gdy wymontowany z ciągnika lub samochodu obrotomierz nie zadziała Wam na jachcie – poradzimy sobie z tym w następnych odcinkach – podobnie jak ze sprytnym podłączeniem bardzo taniego tachometru.

Teraz rzecz o tym jak profesjonalnie dobrać i zaadaptować alternator dla potrzeb instalacji jachtowej. Zaraz, zaraz – złapiecie mnie za rękę – po co tutaj wydziwiać, bierzemy samochodowy alternator, sprawdzamy czy pasuje uchwyt i kółko paska klinowego – i voila!

Niestety mam dla Was złą wiadomość – to szeroka i prosta droga do elektrycznego piekła na środku Atlantyku – żaden alternator samochodowy zdjęty z półki nie nadaje się do pracy na jachcie. Żeby to zrozumieć (pomijając kwestię jego uodpornienia na wilgoć – o marynizacji alternatorów samochodowych pisałem już wcześniej) musimy dokładnie przeanalizować warunki pracy naszej instalacji jachtowej. Otóż alternator pracuje na jachcie żaglowym w zupełnie innych warunkach niż w samochodzie. Dlaczego? Pomyślmy chwilę – przekręcamy kluczyk w naszym samochodzie. Żarłoczny rozrusznik rzuca się na akumulator i ciągnie z niego kilkaset amper – ale tylko przez 3-5 sekund.

Po chwili akumulator jest już całkowicie odbudowany, a nadwyżka jego mocy spokojnie pokrywa zapotrzebowanie wszystkich innych odbiorników elektrycznych samochodu. Na jachcie żaglowym jest zupełnie inaczej – bardzo długo – średnio 23 godziny na dobę rozładowujemy bank akumulatorów nawigacyjnych i hotelowych, a potem chcielibyśmy w ciągu godziny do półtorej go naładować. Tak a propos, jeden z Czytelników SSI zadał mi pytanie, czy jest obojętne, kiedy uruchamiamy ładowanie akumulatorów? Moim zdaniem optymalne jest uruchamianie ich na godzinę, dwie przed zachodem słońca – tak zawsze robiłem na moich łódkach. Dlaczego? Z trzech powodów:

1. Po pierwsze nie mam jeszcze śpiących w kojach

2. Mam wtedy gorącą wodę zaburtową do mycia dla wszystkich (potem się tylko spłukujemy słodką – którą zawsze jestem zmuszony drastycznie oszczędzać)

3. Nie mam jeszcze włączonych nocnych odbiorów – więc mniej obciążony alternator pracuje w dłużej w lepszych termicznie warunkach (patrz dalej).

Drobna dygresja-przypomnienie. Jeżeli mamy silnik wysokoprężny o małej mocy (10-12 KM) i właściwy alternator to przy rozładowanych mocno akumulatorach możemy pozwolić na jego pracę wyłącznie na luzie, płynąc pod żaglami lub stojąc na kotwicy. Jeżeli mamy silnik o mocy rzędu 20 KM i więcej ładowanie powinno być zawsze przy włączonym biegu – inaczej zyski z zaoszczędzonego paliwa nigdy nam nie zrekompensują przyspieszonego zużycia silnika pracującego pod zbyt małym obciążeniem (patrz poprzednie artykuły). Dlatego dla jachtów krążowniczych zazwyczaj w instalacjach projektujemy osobne generatory do obsługi długich czasów spędzanych na kotwicowiskach – ale to już jest zupełnie inna opowieść, gdyż niekoniecznie muszą to być silniczki wysokoprężne.

Wracamy do doboru alternatora. Jaka powinna być jego optymalna moc? Jego dobór nie jest trudny – punktem wyjścia jest najbardziej łakomy odbiór – czyli bank akumulatorów hotelowych.Oto prosty algorytm wymiarowania alternatora jachtowego. Punktem wyjścia jest maksymalny prąd, który pobiorą rozładowane akumulatory. Wynosi on bezpiecznie dla akumulatorów głębokiego rozładowania do 25% prądu wynikającego z ich pojemności znamionowej (uwaga: ze względu na trwałość optymalne jest ładowanie prądem 10-cio godzinnym – czyli 30A. Ale to nierealistyczne w przypadku jachtu żaglowego). Akumulatory AGM wytrzymują jeszcze większe prądy – do 50%. Ale na małym jachcie takie moce poza wyjątkowymi sytuacjami są trudne do osiągnięcia tanim kosztem – jednak jeśli któryś Czytelników będzie tym zainteresowany lub oddziedziczony właśnie spadek pozwolił Mu zainstalować potężny bank LI-ION, który wymaga zupełnie innej obsługi – proszę dać znać Jurkowi i napiszę o tym jako uzupełnienie tego artykułu.

Wracamy jednak do naszego przykładu. Dla rekomendowanego banku minimum 300 Ah wynosi on 0,25 x 300 = 75 A – ale uwaga, pod warunkiem, że temperatura akumulatora nie przekroczy 52 st. C – pomiarach temperatury i kontrolerach z kompensacją w następnych odcinkach.

Czy taki prąd wystarczy? Nie – bo musimy dodać jeszcze odbiory, pracujące równolegle z ładowaniem. Zaufajcie mojemu doświadczeniu i oszacujcie je na 15 A (tutaj przykładowy bilans energetyczny jachtu www.sykahir.szczecin.pl    – niektóre wartości są dyskusyjne, proszę starannie przeczytać komentarz Autora).

Czyli alternator powinien nam dostarczyć 75 + 15A = 90A. Jednak nie byłoby dobrze, gdybyśmy zmuszali naszego dobroczyńcę do pracy z maksymalną mocą ciągłą. Dlatego stosujemy współczynnik korekcyjny wynoszący 1.25 (fudge factor) i otrzymujemy pożądany prąd maksymalny rzędu 90 A x 1.25 = 112,5 A czyli idealny byłby alternator dający prąd maksymalny 110-120 A. A teraz uwaga: większość starszych samochodów osobowych ma mniejsze alternatory – zazwyczaj mają one 45, 55, 75 lub – rzadko: 90 A. Któryś z nich zapewne przewraca się w kącie Waszego garażu…

Ale dzisiaj nie jest problemem kupno alternatora o prądzie maksymalnym 120-130 A (na „Donaldzie” świetnie się sprawdza nieco tłustsza sztuka – 150A. Była w tej samej cenie co 110A). Szukajcie oczywiście profesjonalnie regenerowanego alternatora (nie nowego!) np. od Audi A4. Jego koszt nie powinien przekroczyć 250-350 zł.

Teraz zweryfikujmy poprawność naszych obliczeń. Jak zapewne domyślacie się, produkowany prąd jest zarówno funkcją obrotów, jak i temperatury wewnętrznych uzwojeń alternatora. Oto referencyjna tabela (dzięki uprzejmości jednego z najlepszych na świecie wytwórcy alternatorów jachtowych – niestety nie tanich – firmy Balmar)

 

Załóżmy, że dobierzemy standardowe przełożenie zwiększające obroty napędu sprzęgła alternatora rzędu 1:3 oraz rekomendowany alternator 120 A/12V. Zatem przy obrotach silnika 1500 otrzymamy stabilne 98 A przy gorącym alternatorze na kotwicowisku na Karaibach. Bardzo dobrze!

A może jeszcze zwiększymy przełożenie (w górę)? Nie – to nie jest dobry pomysł. Większość alternatorów ma graniczną prędkość obrotową rzędu 10 tys. obrotów na minutę. Wyjątkowo 15 tys. obrotów – ale wymaga to zarówno dobrej jakości łożysk, jak i zazwyczaj indywidualnego wyważania wirnika. Poza tym sprawność przełożenia maleje wraz ze wzrostem jego wartości. Zauważmy również, że gdybyśmy chcieli zastosować popularny do niedawna alternator samochodowy 70A/12V to mamy w instalacji deficyt 90 A-62 A = 28A!

Dlaczego taka analiza jest ważna – oto przykład braku elementarnej wiedzy (będę o tym pisał w artykule o anty-marynizacji silnika). Na silniku, który z definicji miał służyć jako napęd dla jachtu pływającego po Atlantyku autor nieszczęsnej „marynizacji” zaproponował oryginalny alternator Kuboty – maksymalny prąd 30-40A (hot, cold) – odrzucając sugestie jego wymiany. Pomińmy tutaj sposób poprowadzenia odbioru mocy, który w skojarzeniu z wadliwie wykonanym kolektorem wydechowym doprowadził do groźnego pożaru. Pożar na szczęście miał miejsce w porcie, w czasie prób technicznych i poświęcając kurtkę od sztormiaka udało się go ugasić – w morzu prawdopodobnie nie byłoby tak dobrze.

Tutaj pojawia się mi się refleksja – jest jakaś głęboka mądrość w instalacjach technicznych, która każe się przyrodzie nieożywionej oczyszczać z błędnych linii rozwojowych. W tym wypadku, gdyby nie przebudowano instalacji po stronie odbiorów, a Kapitan nie był bardzo doświadczony i zdyscyplinowany, wadliwe rozwiązanie wyeliminowałoby się samo wraz z zatonięciem spalonego jachtu. Sic transit gloria mundi…

 

 

Załóżmy, że mamy już na nabrzeżu zmarynizowany alternator o właściwie dobranej mocy. Teraz kilka słów o jego montażu. Musi on być wyjątkowo solidny (w porównaniu ze standardowym montażem z samochodów lub maszyn roboczych). Dzieje się tak dlatego, że przy głęboko rozładowanych akumulatorach obciążenie paska klinowego jest bardzo duże – w konsekwencji w układzie mocowania pojawiają się bardzo duże moce (jakie – policzymy za chwilę – zapewniam, że będziecie zdumieni). Tutaj przykład ładnie wyglądającego i całkowicie wadliwie wykonanego napinacza.

 

 

Wykonany został z niedorzecznie miękkiej stali. W konsekwencji wytrzymał na wodzie 7 ładowań akumulatorów, po czym pękł. Jako urodzony optymista pocieszałem się, że wprawdzie niskowęglowa stal była wyjątkowo podłej jakości – ale za to spawała się wybornie. Jak powinien być wykonany? Przede wszystkim:

1.      Należy użyć grubszej, twardszej stali – najlepiej kwasoodpornej

2.      Napinacz powinien mieć naspawane dodatkowe żebro usztywniające – tylne lub krawędziowe

3.      Śruba napinająca górna powinna być zaopatrzona w ucho, które pozwoli wpiąć pomiędzy nią, a punkt mocowania na bloku typowy ściągacz wantowy – jest to jedyny znany mi praktycznie sposób utrzymania prawidłowego naciągu paska napędowego. Beczka ściągacza jest zazwyczaj wygodnie dostępna od czoła – jeden, półtora obrotu na sezon zazwyczaj wystarcza. Inne sposoby napinania są albo nieskuteczne, albo prowadzą do uszkodzeń węży lub przewodów okalających silnik.

Pasek napędzający alternator powinien najlepiej być wielorowkowy – tak dobrej jakości, jak uda nam się kupić. Ja u siebie stosuje wysokosprawne paski zębate – ale tylkodlatego, że udało mi się dostać bardzo tanio koła o pasujących przełożeniach. W typowych zastosowaniach zdecydowanie polecałbym Wam paski nowej generacji, samonapinające (typu Poly V). Stosowane są na przykład w Fordzie Fiesta V16. Musicie jedynie pamiętać, że jeśli ograniczenia przestrzenne narzucą wam konieczność montażu alternatora bez napinacza (czego zdecydowanie bym unikał), to stosując paski samonapinające powinniśmy do jego zakładania używać prostego przyrządziku, takiego jak na fotografii poniżej (link pochodzi ze strony www.Motofocus.pl ) . Szarpanie się ze śrubokrętem prawie na pewno uszkodzi pasek. Jeżeli jesteście na musiku i nie macie przyrządu użyjcie do zakładania dwóch łopatek od przewracania omletów na patelniach teflonowych.

 

 

Ale to nie wszystko – zamawiając u regeneratorów marynizowany alternator o tej mocy dokupcie od razu do niego jednokierunkowe sprzęgło przeciążeniowe – bardzo, bardzo wydłuży Wam żywotność paska (kosztuje około 50-70 zł, z zestawie z alternatorem zazwyczaj taniej).  Eliminuje ono szkodliwe poślizgi w trakcie gaszenia silnika lub przy gwałtownej redukcji obrotów – co jest charakterystyczne w manewrach portowych. Sprzęgło takie wygląda tak (zdjęcie dzięki uprzejmości firmy www.damtech.com.pl )

 

 

Co z dolnym kółkiem? Albo wycieczka na szrot samochodowy – albo zamówienie jego wytoczenia w dobrym warsztacie. To drugie rozwiązanie może być sumarycznie tańsze, ponieważ od razu będziecie mieli je dopasowane do wału Waszego silnika (w sensie średnicy i odsadzenia). Dodatkowo warto jest od razu z jednego zamocowania wytoczyć koło pod napęd innych odbiorów – np. pompy wody lub drugiego alternatora. Uprzedzając ponawiające się pytania Czytelników od razu odpowiem, że ze wszystkich rozwiązań zasilania instalacji jachtowej, które zbudowałem (zarówno jachtu żaglowego, jak i motorowego) zdecydowanie najelegantsze, najtańsze i najbardziej niezawodne jest rozwiązanie z 2 alternatorami oraz fizycznie odseparowanymi obwodami. rozruchu oraz hotelowym. Drugim alternatorem powinien być wtedy malutki alternator – polecałbym bym tutaj jeden z dwóch: od TICO (0.8) lub motocykla Suzuki GSX750RW po 1987 roku. Oba są bardzo trwałe i niezawodne.  Być może można użyć jakiś innych – ale unikam pisania o rzeczach, których osobiście nie wypróbowałem. W razie potrzeby takie alternatory będą mogły być użyte jako główne (awaryjnie) – specjalnie tak zaprojektujemy instalacje.

Jak mocować dodatkowy alternator?  Można użyć gotowego zestawu fabrycznego (tutaj wzorowe rozwiązanie http://www.reginasailing.com/General/Boat/Equipment/HOA.html ).

 

 

Niestety cena zestawów fabrycznych wskazuje na to, że wykonane są z czystego złota złupionego Aztekom. Dlatego sugerowałem już w poprzednich artykułach wykonanie specjalnej ramy szczątkowej pod silnik – i dopiero do nich instalowanie wszystkie odbiory PTO na płycie chłodzące – w tym dodatkowego alternatora.

Niekiedy w jachtach motorowych istnieje potrzeba zamontowania większych mocy (a z różnych powodów nie chcemy przejść na instalację 24 lub 48 V).

Wtedy najlepiej jest zastosować kilka alternatorów mocowanych w sposób jak na fotografii.  Powinny być one wtedy napędzane specjalnym typem paska (S-BELT, serpentine belt).

 

 

Dla hardkorowców sugerowałbym montaż alternatorów na specjalnej, aluminiowej płycie chłodzącej – tutaj przykład realizacji firmy pod znamiennym tytułem power-bastards

 

 

 

…może niekoniecznie w takiej ilości.

Na zakończenie obiecałem, że policzymy maksymalną moc niezbędną do napędu naszej elektrowni (obliczenia te powinniśmy skonfrontować z sugestiami producentów pasków wielorowkowych). Oto obliczenia:

Moc na zaciskach naszego hipotetycznego alternatora wynosi:

120 A x 14.4 V = 1728 W

Jaka jest moc potrzebna na wałku napędowym? Sprawność alternatora wynosi 0,7 – 0.8. Przyjmujemy niższą wartość dla alternatora o utrudnionym chłodzeniu. Czyli potrzebujemy na wałku napędowym:

1728/0,7 = 2468 W

Jaka jest sprawność przekładni z pasowej? Waha się ona od 0.6 do 0.95 (tutaj bardzo ładny, elementarny wykład z podstaw konstrukcji maszyn www.ikem.pwr.wroc.pl/pkmit –szukajcie badania przekładni pasowej). Przyjmijmy, że sprawność naszej przekładni wyniesie 0,82 dla średniego obciążenia alternatora na naszym jachcie. Zatem silnik musi nam dostarczyć:

2468 W/ 0.82 = 3010 W – czyli przywołując stare konie mechaniczne nasz alternator musi oddać:

3,010 kW/ 0,7355 = 4,1 KM !

Dla jachtowego silnika o mocy 55-75 KM, to prawie niezauważalne obciążenie. Ale tylko teoretycznie. Nawet benzynowa, wysokomomentowawidlasta ósemka, która napędza Landrovera wyraźnie zauważa załączenie alternatora. Co zatem zrobić w przypadku silników jachtowych o mocy 10-12 kM?

Rozwiązanie jest proste – ale zajmiemy się nim w następnym odcinku, w którym opowiemy, dlaczego powinniśmy się brzydzić standardowych, samochodowych regulatorów napięcia alternatora oraz jak inteligentnie wpiąć alternator (lub alternatory) w naszą instalację  jachtową…

Pytania i komentarze najchętniej publicznie – na ręce DON JORGE.

Pozdrawiam.

T. L._______________________________

 

 

L.

 

PS. Jeżeli zdecydujecie się na montaż zalecanego sprzęgła przeciążeniowego, to sugerowałbym kupno od razu najtańszego zestawu kluczy do alternatorów (zestaw 13 kluczy kupicie już za 80 zł – oznaczenie kodowe SN401). Pozwalają  na jednoczesne odkręcanie śruby mocującej koło pasowe (za pomocą odpowiedniego bitu) oraz przytrzymywanie koła ze sprzęgłem (za pomocą specjalistycznej nasadki). Dodatkowo rozważyłbym też komplet uniwersalnych kluczy oczkowych typu hakowego do alternatorów (gięte) (cena około 30 zł) Ja używam kluczy firmy BASS – idealnie się sprawdzają w ciasnej przestrzeni podkokpitowej obok ulubionego zestawu płaskich kluczy oczkowych z grzechotką 72 zębną (też około 80 zł za podstawowy zestaw 8-19 mm). Jest to jedna z lepszych inwestycji narzędziowych, która posłuży Wam na długie lata. Będziecie nimi pracować szybko i skutecznie w dowolnych zakamarkach jachtu.

 

 Za zgodą: http://www.kulinski.navsim.pl/

Komentarze