Jak správně identifikovat vadný regulátor/alternátor na moto?

Jedna z nejčastějších závad na moto bývá špatný regulátor alternátoru a nebo alternátor samotný
který většinou sám od sebe neodejde, ale jeho shoření je důsledkem dlouhodobého zkratu regulátoru).
První bych objasnil princip generace elektrické energie u většiny moderních motorek.
Základem je 3f alternátor s rotorem z permanentních magnetů, kde stator je statický uprostřed a rotor s magnety rotuje na jeho obvodu.

Alternátor SV650

Z Faradayova zákona o elmag. indukci vyplývá, že když magnety rotují kolem cívek, lokálně se mění intenzita magnetického pole a dochází k indukci elektrického napětí na cívkách statoru. Čím rychleji se magnetické pole mění, tím je naindukované napětí větší (tj. i celková vygenerovaná energie roste).
Už z tohoto pohledu je to primitivní stroj, který nemá žádnou regulaci a při přidání plynu vzroste špičkové napětí do obrovských výšin (cca 40-60 V na fázi). Mezi elektrickou síť motorky a alternátor je tedy třeba vřadit nějakej regulátor s usměrňovačem (protože výstup alternátoru je nejenom neregulovaný, ale také střídavý).

Schéma tyristorového regulátoru

Takový regulátor není nic jiného nežli třífázový usměrňovač (ten blok diod napravo) a zkratovací spínače (pro každou fázi jeden, zde ve formě tyristorů).
Napětí za můstkem by totiž bez regulace bylo 20-35 VDC, dle otáček motoru. Vyhodnocovací elektronika nalevo hlídá napětí za usměrňovačem a při překročení limitní hodnoty (dána Z1, D1 a D2) se sepnou všechny tři spínače S1-S3 a zkratují vzájemně všechny fáze. Jaké mrhání energií, co? Při poklesu napětí pod danou mez se opět rozpojí a alternátor může generovat energii do sítě.

Pojďme se na to podívat v číslech. Uvažujme moderní motorku se dvěma H4 žárovkami (2x 55 W) v předním reflektoru a v zadním také nějaké ty watty, řekněme že 10 W. K tomu se přidá ještě zapalování, třeba dalších +30 W. To je dohromady ňákejch 150 W, které trvale tečou z alternátoru přes diody do elektrické sítě motorky. Dobíjení akumulátoru je natolik zanedbatelné, jelikož akumulátor je dobit během prvních několika minut jízdy (to je reálný fakt, lze si spočítat kolik energie je třeba na nastartování motorky + k tomu účinnost akumulátoru, ale to není nyní těžejním předmětem úvahy).
Rozložme 150 W na proud, což při 13.8 V dá 10,9 A. Tento proud reálně teče vodiči z regulátoru. Každá fáze alternátoru je tedy zatížena 10,9/3 A. Tak lze uvažovat i o diodách v usměrňovači.

A teď se podívejme, jak moc nám regulátor topí. Na diodách je z důvodu PN přechodu ztrátové napětí/výkon, což při tak normálně zatížené diodě je asi 1 V, což při proudu 3,6 A na diodu dává výkonovou ztrátu 3,6 W. Ztrátový výkon se totiž (stejnosměrný) počítá jako
$$P=U\cdot I=R\cdot I^2$$
Diod je celkem šest, celková ztráta na usměrňovači je tedy 21,6 W. To se ještě dá ne? Ďyť jenom ta jedna primitivní H4 žárovka má tepelnou ztrátu 51W!
Jenomže elektrická síť motorky už většinou nemá žádné jiné spotřebiče (vyjma různých signálek a případně dodatečného elektrického vybavení), ale alternátor je schopen dávat 300-500 W výkonu, dle otáček. A tahle energie musí někam jít, když ne do sítě (kde by všechno shořelo), tak je konvertována na teplo v regulátoru. Právě proto mají regulátory tak masivní žebrování, aby byly schopny tohle teplo odvést. Samozřejmě ne všechno teplo se objeví na chladiči regulátoru, ale také na vinutí alternátoru. Je to opět dáno ze vztahu uvedeného výše. Teplo se generuje tam, kde je nějaký úbytek napětí a nebo je tam výrazný odpor. Odpor vinutí je poměrně výrazný a napětí přechodu na tyristorech také (1,2 V a výše, záleží na proudu).
Většina těchto shunt regulátorů je bohužel tyristorového typu, kde při zkratu (tj. regulaci) může tyristorem téci 30-50 A. Při napěťovém úbytku 1,2 V to už udělá pěkných 60 W. A tohle je tam třikrát. Hustý, co?

SV650 regulátor v podsedlovce

Proto tyristorové regulátory mají tak obrovský chladič a za provozu je potřeba náporového chlazení. No ale co když se jede nějakej rallye závod, kdy motor je ve vysokých otáčkách, rychlost mizivá a chlazení taky žádné? Regulátor hřeje, hřeje a hřeje a polovodiče degradují. Ano, i polovodiče stárnout (za extrémních podmínek, nejčastěji teplotních). Existuje na to pěkná derating curve, která to pěkně popisuje. Parametry součástek se tedy časem mění (k horšímu) a pak se jednoho krásného dne stane, že se regulátor v jedné nebo více fází vyzkratuje. Zkrat jedné fáze ještě jde přežít a jezdit s tím, více je ale problém.
Jak odhalit zkratovaný regulátor, resp. usměrňovač? První je třeba trochu názvosloví, a to jest dioda, která má dva vývody, katodu a anodu.

Katoda a anoda diody

Pokud je dioda dobrá, tak v jejím propustném směru lze naměřit úbytek napětí 0,5-0,7 V (záleží podle teploty). V závěrném směru se musí naměřit nic (NIC, ne nula, ale NIC). U ručního multimetru se přepne k měření diod (nebo taky pípák, většinou to bývá společná fce) a dioda se proměří v obou směrech. Většinou stačí v propustném směru, protože pokud není přerušená a nebo zkratovaná v propustném směru, tak je dobrá i v tom závěrným.

Měření diod na regulátoru

U regulátoru to znamená, že se měří diody v usměrňovači a to vždy mezi každou fází alternátoru a jedním z výstupních pólů regulátoru (tj. plus nebo minus). Měření samo probíhá při odpojeném regulátoru! Na obrázku výše proběhla kontrola všech diod, měly kolem 500 mV. Nutno dodat, že některé multimetry ukazují v milivoltech a některé ve voltech. Pokud multimetr nenaměří nic, je dioda přerušená, pokud 0 nebo začne pípat, tak je dioda zkratovaná (případně tyristor zkratovaný, když se měří dolní část usměrňovače).
Pokud je dioda pouze u jedné fáze zkratovaná, lze tuhle fázi odpojit (jednoduše odpojit ten kabel z fází od alternátoru) a dále pokračovat v jízdě. Pokud jsou dvě diody proti sobě zkratované, je to problém, protože je takto zkratovaná i síť motorky. Takže no-go.

Pokud se už takhle kontroluje regulátor, jistě stojí za to zkontrolovat i vinutí alternátoru. Stává se totiž, že když se zkratuje regulátor, tak jedno nebo více vinutí jdou stále do zkratu, přehřívají se, vznikne mezizávitový zkrat a to je konec pro alternátor. Spálení alternátoru není okamžitý proces (neboť je často ochlazován olejem), ale může trvat měsíce i roky.
Při kontrole nestačí pouze proměřit vinutí ohmetrem (to by stačilo v případě, že by bylo vinutí přerušené), ale zkrat mezi závity takto odhalit nelze. Proč? No protože jedno vinutí fáze má dejme tomu 0,1 ohmu a odpor jednoho závitu je 0,001 ohmu. A jak asi poznám na multimetru, kterej měří pouze desetiny ohmu, zkrat jednoho nebo více závitů v řádově jednotkách miliohmu? Hm? NIJAK!
Nehledě na to, že už jenom přechodový odpor měřicích vodičů kolísá v desítkách miliohmů.

Jediný správný způsob jak odhalit že je něco špatně s vinutími alternátoru, je měření indukčnosti (v amatérských podmínkách). Ano i multimetry umí měřit indukčnost, obvykle to dělají ty o stovku dražší jako co ty ne.

Měření indukčnosti, hodnota 993 uH

Nejčastější zapojení statoru alternátoru je do trojúhelníku, viz obrázek.
Existuje zapojení i do Y (hvězdy), ale to neposkytuje tak velký výkon.

Trojúhelník/hvězda

Vyvedeny jsou pochopitelně tři vývody, takže nelze měřit jednotlivá vinutí samostatně. Vždy se měří jedno vinutí se dvěma sério-paralelně připojenými sousedními. Ale to zase tak nevadí.

Indukčnost statoru s rotorem

Vinutí	Indukčnost [µH]
X-Y	994
Y-Z	969
X-Z	1265

Indukčnost vinutí se u SV650 alternátoru pohybuje kolem 1 mH. Jak je ale z měření patrné, poslední vinutí značně vybočuje z řady. Znamená to, že ta dvě mají mezizávitové zkraty? (protože mají výrazně menší indukčnost)
Nutno ještě dodat, že měření indukčnosti může být rozdílné klidně o 10 %. Pokud je ale více, tak je buď zkrat mezi závity a nebo je lokálně zvětšená indukčnost. Jak? Jednoduše. Jelikož se měří na alternátoru, který má na sobě rotor s magnety, který může být zrovna natočen magnetem k jednomu vinutí a tedy i zvětší jeho celkovou indukčnost (protože se chová jako jádro).
V takovém případě je třeba potočit motorem a provést měření znovu, dokud se nedosáhne stejné hodnoty jako na předcházejících vinutích. Dá to chvíli práce a měření. Zde to trvalo asi 5 zmáčknutí startéru (tak na 250 ms), než se rotor dostal do "správné" pozice.

Indukčnost statoru s rotorem, více poloh

Vinutí	#1 [µH]	#2 [µH]	#3 [µH]	#4 [µH]	#5 [µH]	#6 [µH]
X-Y	994	1027	966	975	994	1280
Y-Z	969	943	1020	1181	964	1003
X-Z	1265	1238	1268	1151	1260	967

Jak je patrné z tabulky, poslední hodnota indukčnosti se při šestém pokusu podařila změřit na hodnotu 967 µH, což odpovídá hodnotám ostatních vinutí.
Celé alternátor je tedy v pořádku, protože kdyby na některém z vinutí byl zkrat, indukčnost by se vzájemně lišila o 50 % a více.

A jaké je tedy řešení nebo upgrade, aby se regulátor nepřehříval a nespálil?

• výkonnější regulátor s větší chladící plochou
• přidat malý ventilátor před chladič, nechť náporově chladí i při malé rychlosti
• výměna za mosfet regulátor

Poslední varianta je asi nejlepší řešení. Regulátor, kde archaické tyristory jsou nahrazeny novějšími a rychlejšími mosfety, poskytuje nejenom menší termální ztráty, ale hlavně také rychlejší a hladší odezvu regulace, protože mosfet je asi 1000x rychlejší ve spínání a rozepínání nežli tyristor.

Ke ztrátovému teplu - pokud uvažujeme 50 A při sepnutém mosfetu, jeho odpor přibližně 5 miliohm, pak ztráta na něm je 12,5 W. To je téměř 5x méně nežli u tyristoru! A to se vyplatí.

A ano, mosfet se de facto chová jako řiditelný odpor, čili nemá parametr jako úbytek napětí, ale odpor v sepnutém stavu. Energie se potom sice protopí v alternátoru, ale ten je chlazen olejem, narozdíl od chudáka regulátoru, který třeba v případě SV650 je pod sedlem spolujezdce v plastové kapotáži (tj. bez přístupu čerstvého vzduchu).

Rozhodně je to investice, která se vyplatí (ostatně u moderních motorek jiné nežli mosfetové usměrňovače snad ani nejsou). Nová technologie je náš přítel, nezůstávejme u třicet let staré obsolétní technologie.

Mosfetové regulátory vyrábí například firma Shindengen a jsou asi za stejnou cenu jako tyristorové. Např. pro první generaci SV650 postačuje typ FH008 nebo FH010, pro větší motorky pak FH012 (třeba V-Strom).