Allt um alternatorinn: Hjarta rafkerfisins

Eftir Leó M. Jónsson iðnaðar- og vélatæknifræðing.

Munurinn á rafkerfi fólksbíls og jeppa
Rafkerfi fjallajeppa þarf að vera miklu öflugra en venjulegs bíls. Í venjulegum fólksbíl er rafmagnsþörfin þekkt og nokkuð jöfn. Í vel útbúnum jeppa gegnir öðru máli; rafmagnsþörf getur verið mjög misjöfn eftir aðstæðum og álagssveiflur miklu meiri en í fólksbíl. Af því leiðir að álag á hleðslukerfi og rafgeymi (eða geyma) getur orðið miklu meira en í fólksbíl. Það vill t.d. of oft gleymast að í jeppa, sem er beitt í torfærum, getur álag á rafgeyma orðið mjög mikið - jafnvel svo að óvandaðri geymar geta sprungið í loft upp.

Þegar 12 volta kerfi með alternator (riðstraumsrafall) ruddu 6 volta kerfum með dínamó (jafnstraumsrafall) út af markaðnum upp úr 1960 skapaðist möguleiki á að nota dráttarspil væru hleðslukerfi jeppanna nógu öflug en þá mátti nota spil með hæfilegu álagi í nokkrar mínútur í senn án vandræða. Framleiðsla og sala jeppaspila hefur aukist allar götur síðan. Á sama tíma hafa amerískir framleiðendur endurbætt alternatora, ekki síst fyrir jeppa, sem svo hefur skapað aukinn markað fyrir ýmsan aukabúnað í bílum svo sem loftkælingu, rafknúnar rúður, stóla, læsingar o.fl. Þótt alternatorar fyrir fólksbíla séu nú mun öflugri en þeir voru í upphafi duga þeir ekki fyrir vel útbúinn fjallajeppa. Ástæðan er aukinn og fullkomnari búnaður svo sem aukaljós, aukahitarar, fjarskipta- og leiðsögutæki, loftdælur, kæli- og hitaskápar, hljómflutningstæki og síðast en ekki síst dráttarspil (sumir eru jafnvel með rafsuðubúnað, kaffivél, örbylgjuofn o.fl.). Í mörgum fjallajeppum eru jafnframt 2 rafgeymar sem þarf að halda fullhlöðnum.

Hvað er alternator?

Alternator er riðstraumsrafall. Í grundvallaratriðum eru allir alternatorar sömu gerðar hvort sem þeir eru með innbyggðan spennustilli, sjálfstæðum spennustilli eða tölvustýrðri spennu- og straumstillingu. Þegar svissað er á fer 12 volta straumur frá rafgeyminum til alternatorsins eða spennustillis sé hann sjálfstæður. Straumurinn fer í gegnum rofa, smára eða díóðu, til vafninga innan í kápunni (eins konar háspennukeflis). Þegar vélinni er snúið með startaranum myndast háspenntur straumur sem hjálpar til við gangsetningu bensínvélar. Þetta á við um nýrri gerð alternatora en þeir eru jafnframt með stigstýringu þannig að hleðslan skellur ekki á við inngjöf heldur rís hægt (til varnar tölvubúnaði). Um leið og vélin fer í gang, snýst ankerið í alternatornum og myndar riðstraum á milli þess og statorsins sem er hringur segulvafninga sem ankerið snýst innan í.

Rafmagnsþörf ýmissa tækja Til þess að reikna út rafmagnsþörf jeppa þarf að leggja saman straumstyrk sem hvert tæki þarf. Framleiðendur búnaðar gefa afköst búnaðar yfirleitt upp í vöttum (W). Auðvelt er að umreikna vött yfir í amper (straumstyrk) með því að deila spennunni upp í vöttin. Sé ljóskastari sagður 100 vött og fyrir 12 volt þarf hann straumstyrk upp á 100/12 = 8,33 amper. 10 kastarar af sömu gerð þurfa þá 83,3 amper o.sfrv. Hér er listi yfir algeng tæki og þann straumstyrk sem þarf til að knýja þau en hann má hafa til viðmiðunar þótt hann sé ekki nákvæmur. Til viðbótar má nefna að afturrúðuhitari, sem er í flestum fólksbílum, getur tekið um 10 amper. Sama gildir um sætishitara, sé slíkur búnaður til staðar, sem getur tekið 8-10 amper. Til að auðvelda gangsetningu vélar í kulda ætti því að hafa fyrir reglu að slökkva á afturrúðuhitara, sætishitara, miðstöðvarblásara og aðalljósum áður en startað er. 2 upprunalegar flautur 18-20 amper Upprunaleg aðalljós; Hái geislinn (2 ljós) 13-15 * Lági geislinn (2 ljós) 8- 9 * Kveikja 1,5-3,0 * Miðstöð 6-10 * Loftkæling 13-20 * Þurrkur 3-6 * Talstöð VHF 2-4 * Vindlakveikjari 10-12 * Rafstilltur stóll 25-50 * Rafknúnar rúður 2-20 * Startari 150-300 *

Frá statornum fer riðstraumurinn að svokallaðir skiptibrú sem virkar sem afriðill, þ.e. breytir riðstraumnum í 12 volta rakstraum (jafnstraum) en öll raftæki í bílnum nota 12 volta rakstraum. Afriðillinn (brúin) inniheldur janframt bakstreymisloku sem kemur í veg fyrir að straum geti lagt frá rafgeymi um alternatorinn - en slík bakleiðni myndi tæma geyminn. BAT-póllinn á alternatornum (eða á sjálfstæðum spennustilli) gegnir 2 hlutverkum: Annars vegar er hann útgangur fyrir framleiðslu alternatorsins til rafgeymisins og hins vegar þjónar hann sem ,,upplýsingagjafi" fyrir spennustillinn um ástand og álag rafgeymisins. Við eðlilegar aðstæður nemur spennustillirinn allar breytingar á hleðslu rafgeymisins og stýrir framleiðslu alternatorsins með tilliti til þeirra. Þessa starfsemi má sjá á spennumæli (voltmæli) sé hann í mælaborði bílsins. Þannig má t.d. sjá að spenna á 12 volta rafgeymi lækkar niður í um 9 volt þegar vél er gangsett. Sömu áhrif, þ.e. spennulækkun, má sjá á voltmæli sé kveikt á aðalljósum, loftkælingu eða dráttarspil notað án þess að vél sé í gangi, svo nokkur atriði séu nefnd.

Hleðsla
Hlutverk alternatorsins er að halda rafgeyminum fullhlöðnum - vega upp á móti spennufalli með því að hækka spennu rafgeymisins. Sé gengið hratt á forða rafgeymisins bregst alternatorinn við því með aukinni framleiðslu óháð snúningshraða. Alternatorinn hleður þá rafgeyminn með auknum straumstyrk. Spennu- og straumstillirinn stjórnar því með því að lesa spennuna. Framleiðslu alternatorsins má til einföldunar mæla í voltum. Reyndar er það heppilegur mælikvarði vegna þess að rafframleiðsla alternators fer að nokkru leyti eftir því hitastigi sem hann vinnur við en til þess er hitanæm stýring í alternatornum. Dæmi: Við mjög lágt hitastig (frost) framleiðir alternatorinn um stýringuna 14,9 til 15,9 volta spennu. Sami alternator um sömu stýringu við 17 °C myndi mælast með 13,9 til 14,6 volt. Við 60 °C myndi spennan mælast allt niður í 13,3 volt.

Fullhlaðinn rafgeymir hefur 12,6 volta pólspennu og hleðslukerfi verður að geta viðhaldið henni. Til þess að geta það þarf hleðslukerfið að sjá rafgeyminum fyrir nægilegum straumi til endurhleðslu samhliða því að knýja öll raftæki bílsins. Þetta er skýringin á því að hleðlsluspenna í 12 volta rafkerfi er 13,5 volt eða hærri. Framleiðslan þarf að fullnægja 12,6 voltum rafgeymis auk þeirrar straumnotkunar sem getur átt sér stað á sama tíma.

Meiri hleðsluafköst
Alternatorinn, sem er riðstraumsrafall, (en riðstraumur nefnist á ensku AC = Alternative Current) hefur þann kost umfram dínamó. sem er rakstraumsrafall (en rakstraumur nefnist á ensku DC = Direct Current), að hann getur framleitt rafmagn við lægri snúningshraða: Alternatorinn framleiðir rafmagn þegar vél gengur lausagang. Þeir sem eru á fjöllum á jeppa nota dráttarspil þegar jeppi stendur kyrr og gengur lausagang en þá er jafnframt þörf fyrir flóðlýsingu. Við þessar aðstæður reynir á hleðslukerfið.

Framleiðendur fólksbíla þurfa einnig að hafa í huga svipaðar aðstæður en það er þegar bíll sem bíður í lausagangi við umferðarljós og er með loftkælikerfi í gangi (þeir sem hafa t.d. ekið bíl í suðurhluta Bandaríkjanna þegar lofthiti er þar um og yfir 40 °C og loftraki yfir 80% vita hve mikið álag loftkælikerfi myndar og því engin furða þótt þar fussi menn við hugmyndum um dagljós!). Af þessu leiðir að mikil tækniþróun hefur átt sér stað í framleiðslu á alternatorum, og þá sérstaklega í Bandaríkjunum. Alternatorar, sem frumhlutir í bílum, eru nú mun öflugri hleðslutæki í lausagangi en áður tíðkaðist. Alternatorar í bílum sem framleiddir voru um eða fyrir 1985 eru ekki jafn virk hleðslutæki í lausagangi og þeir alternatorar sem eru í enn eldri bílum en 1980 eru jafnvel enn lakari.

Dæmi: Háafkasta (High-output) alternator af tegundinni Delcotron (GM) úr árgerð um og eftir 1970 gæti framleitt 55 amper þegar hann snýst 6500 sn/mín. en fellur niður í 9 amper í lausagangi. Þótt þessi alternator auki framleiðsluna í 44 amper þegar vélin snýst 1500 sn/mín eru skilaboðin skýr: Hann getur ekki framleitt nógt rafmagn nema vélin snúist hraðar.

Annað dæmi: Nýrri alternatorar eru afkastameiri. Um 1982 afkastaði 80 ampera Delco-Remy alternator 55 amperum þegar vélin snérist 2000 snúninga. Nýrri háafkasta alternatorar (1990 og yngri) frá Delco-Remy framleiða um og yfir 60 amper þegar vélin snýst 675 snúninga !!

Fjallajeppi þarf háafkasta alternator af nýjustu gerð og öflugri eða tvo rafgeyma, hvort sem hann er nýr eða gamall. Sé jeppinn gamall þarf hann jafnframt nýjar og sverari rafleiðslur. En það síðasttalda er atriði sem alltof margir hafa flaskað á við endurbyggingu eða breytingu á jeppa. Upprunalegum alternator í bíl fylgja upprunalegar rafleiðslur. Þegar afkastameiri alternator er settur í staðinn þarf afkastameiri rafleiðslur - en það gleymist ótrúlega oft eða er trassað. Einnig vill rafgeymirinn oft gleymast. Þegar öflugri alternator er kominn í bílinn eða jeppann þarf rafgeymi eða rafgeyma sem geta tekið við þeirri hleðslu sem kerfið afkastar. Jafnvel fullkomnasti alternator ræður ekki við lélegan eða ónýtan rafgeymi. Vandamálið kemur oftast upp þegar dráttarspil hefur verið sett á jappann. Sé einn venjulegur rafgeymir fyrir í jeppanum breytist álag á hann verulega með tilkomu spilsins. Jafnvel minniháttar notkun spils getur þá nánast tæmt rafgeyminn. Afkastamikill alternator hleður þá geyminn þannig að hann getur hitnað verulega. Afleiðingin verður ekki einungis sú að flýta fyrir eyðileggingu geymisins heldur getur hann sprungið með tilheyrandi slysahættu.

Hvaða alternator ….?
Eðlilegt er að spurt sé hve öflugan alternator þurfi og hvort sá skili þeim afköstum sem hann er gefinn upp fyrir? Prófanir sem gerðar hafa verið á amerískum alternatorum (evrópskir framleiðendur, nema ef til vill að Bosch undanskildum, framleiða ekki sérstaka alternatora fyrir jeppa) af þekktum tegundum hafa sýnt verulegan mun á afköstum. Sem dæmi má nefna að krómaði alternatorinn frá Accel (8098C) reyndist ekki framleiða nema 46 amper við 4000 sn/mín á ankeri en hann er gefinn upp sem 80 amper. GM alternator af tegundinni CS 144 (144 amper) framleiddi 61 amper við 2000 sn/mín á ankeri, 94 amper við 3000 sn/mín og 121 amper við 5000 sn/mín á ankeri.

Alternatorum er skipt í 2 flokka eftir afköstum. Afkastamestu 12 volta alternatorar skila 120 til 140 ampera hámarksafköstum. Þeir venjulegri eru með afköst frá 80 til 105 amper. GM alternatorar eru með þeim afkastamestu en eru jafnframt á hagstæðu verði. Í efri flokknum (120 - 140 W) er GM CS 144 sem gefur mest 121 amper við 5000 snúninga á ankeri (ath. snúningshraði ankers er ekki sá sami og vélar) en í lægri flokknum (80 - 105 W) er GM CS 130/105 sem gefur 103 amper við 5000 snúninga á ankeri. Einn vandaðasti alternatorinn í efri flokknum (120 - 140 W) er Wrangler 20-214 með 136 amper við 6000 sn/mín. Í lægri flokknum (80 - 105 W) er einn vandaðasti alternatorinn af tegundinni Interstate SCG105 en hann gefur 116 amper við 6000 snúninga á ankeri. Wrangler er framleiddur af Wrangler Power Sources í Tempa í Arizona en Interstate af Interstate Industries í Fort Wort í Texas. IB Innflutningsmiðlun ehf. á Selfossi sérpantar þessa alternatora og flytur þá inn.

Hve miklu ,,stelur" hann ?
Alternator undir álagi þyngist verulega. Misjafnlega mikil orka vélar fer í að knýja alternator. Sem dæmi má nefna prófanir sem gerðar hafa verið á vegum bandaríska tímaritsins OFF-ROAD. Mæling á GM/CS 144 sýndi að til að knýja hann með 61 ampera afköstum við 2000 sn/mín á ankeri þurfti 2,6 hö frá vél. Þegar hámarksafköstum var náð, 121 amper við 6000 sn/mín, fóru 5,3 hestöfl í að knýja hann. GM/CS 130/105 sem er afkastaminni, þurfti 2,6 hö fyrir 61 ampera afköstin og 4,2 fyrir hámarksafköst 103 amper. Eðlis síns vegna er augljós fylgni á milli afkasta og þess afls sem þarf til að knýja alternator. Sá afkastamesti þeirra sem hér hefur verið fjallað um, Wrangler 20-214 þurfti 6 hö frá vél til að skila hámarksafköstunum 136 amper við 6000 sn/mín.

Til aðalsíðu Vefsíðu Leós

Netfang höfundar