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硅整流發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)和勵磁方式 |
摘要：硅整流發(fā)電機是柴油機上的重要電源，它與發(fā)電機調(diào)節(jié)器互相配合工作，在發(fā)電機正常工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，柴油機的用電設(shè)備，主要是靠發(fā)電機供電，而且蓄電池存電不足時，發(fā)電機還給蓄電池充電。傳統(tǒng)的整流子換向直流發(fā)電機已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代柴油機發(fā)展要求而逐漸被硅整流發(fā)電機取代，目前主要有硅整流發(fā)電機、感應(yīng)子式(無刷)發(fā)電機等，其中以硅整流發(fā)電機應(yīng)用最為普遍。康明斯公司在本文中主要講述了硅整流發(fā)電機的原理、勵磁方式和結(jié)構(gòu)，以及其輸出與輸入接線方法。
一、硅整流發(fā)電機原理和勵磁方式
1、硅整流發(fā)電機原理
硅整流發(fā)電機是三相交流同步硅整流發(fā)電機，其磁極為旋轉(zhuǎn)式。其勵磁方式是：在啟動和低轉(zhuǎn)速時，由于硅整流發(fā)電機電壓低于蓄電池電壓，硅整流發(fā)電機是他勵的（由蓄電池供電）；高轉(zhuǎn)速時，硅整流發(fā)電機電壓高于蓄電池充電電壓，硅整流發(fā)電機是自勵的。
（2）當轉(zhuǎn)子磁極在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子的N極和s極在定子內(nèi)交替通過，使定子繞組切割磁力線而產(chǎn)生交流感應(yīng)電動勢。三相繞組所產(chǎn)生的交流電動勢相位差為120°，所發(fā)出的三相交流電經(jīng)六只二極管三相全波整流后，即可在硅整流發(fā)電機正負接線柱之間獲得直流電。
（3）當勵磁繞組接通直流電時即被勵磁， 一塊爪極形成 N 極，另 一塊爪極形成 S 極，兩塊爪極相互交錯形成 6 對磁極。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 時， 勵磁繞組所產(chǎn)生的磁場也隨之旋轉(zhuǎn)， 形成旋轉(zhuǎn)磁場， 它與固 定不動的定子繞組之間產(chǎn)生相對動， 使三相定子繞組中產(chǎn)生三個 頻率相同、幅值相等、相位相差 120°電角度的正弦電動勢 eA、 eB 和 eC ，其順時值分另為：
eA=Emsinωt=√2Esin ωt
eB=Emsin(ωt-120°)=√2Esin(ωt-120°)
由此可知， 硅整流發(fā)電機每相繞組中產(chǎn)生的電動勢的有效值與 硅整流發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和磁場的磁通量成正比。三相交流電動勢是對稱的， 當外接負載時，三相交流電壓 UA、UB 和 UC 也是對稱的。
2、硅整流發(fā)電機的輸出特性（負載特性）
當保持硅整流發(fā)電機的輸出電壓一定時（對12v硅整流發(fā)電機規(guī)定為14v，對24v硅整流發(fā)電機規(guī)定為28v），調(diào)整其輸出電流與轉(zhuǎn)速，就可得到輸出特性曲線，當轉(zhuǎn)速達到一定值后，硅整流發(fā)電機的輸出電流不再繼續(xù)上升，而趨于某一固定值，此值稱為限流值或最大輸出電流值。所以硅整流發(fā)電機有一種自身限制電流的性能，這是硅整流發(fā)電機最重要的特性。
3、硅整流器的原理
硅整流器是利用硅二極管的單向?qū)щ娦裕?將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。在硅整流發(fā)電機中， 六只硅二極管連接成三相橋式全波整流電路。
三個正極管子 D1、D3 和 D6 的正極連接在一起， 負極分另接 在三相繞組的首端。根據(jù)導通原則， 連接在一起的幾個二極管中， 正極電位最高的二極管總是優(yōu)先導通， 即在某一時間內(nèi)， 只有正 極電位最高或負極電位最低的管子才能導通。
在 t=0 時， UA=0，UC 為正值， UB 為負值， D1、D3 和 D5 負 極電位相同，而 A、B、C 三點中 C 點電位最高， D5 優(yōu)先導通， 使 3 個正極管子負極的電位等于 C 點電位，這時 D1、D3 因承受 反向電壓而截止。而 D2、D4 和 D5 的正極電位相同， A、B、C 三 點中 B 點電位最低， D4 優(yōu)先導通，使三個負極管了的正極電位 等于 B 點電位，這時 D2 和 D6 承受反向電壓而截止。這樣 C、B 兩點之間的線電壓的瞬時值加在負截 RL 上。
4、 硅整流發(fā)電機的勵磁方式
硅整流發(fā)電機開始發(fā)電時采取它勵方式進行， 即由蓄電池供 給勵磁電流。當硅整流發(fā)電機電壓達到蓄電池電壓時轉(zhuǎn)為自勵， 即由發(fā)電機自身供給勵磁電流。
在硅整流發(fā)電機中， 轉(zhuǎn)子的爪極有一定的剩磁， 當轉(zhuǎn)子以一 定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時， 在三相繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢， 經(jīng)整流器整流后通過電刷和滑環(huán)加到勵磁繞組上， 勵磁繞組有電流通過， 使磁場加強， 三相繞組中的感應(yīng)電動勢進一步提高， 促使磁場進一步 增強， 如此反復， 使硅整流發(fā)電機電動勢逐漸升高。上述問題存 在的問題是，當加在硅二極管上的正向電壓小于其死區(qū)電壓時 (約 0.6V 左右)，二極管處于截止狀不導通，由于硅整流發(fā)電機剩磁 較弱， 所以硅整流發(fā)電機在低速運轉(zhuǎn)時， 不能建立電壓， 而只有在較高 轉(zhuǎn)速時(n＞1200r/min) ，硅整流發(fā)電機的電壓才能很快上升， 完成自 勵過程。
為了克服硅速流硅整流發(fā)電機在低速時， 不能建立電壓的缺點， 在 硅整流發(fā)電機轉(zhuǎn)速較低、硅整流發(fā)電機的端電壓低于蓄電池端電壓時， 由蓄電 池向硅整流發(fā)電機供給勵磁電流(即他勵) ，使硅整流發(fā)電機在較強的磁場下 很快地建立起電壓。這就使硅整流發(fā)電機的低速充電性能較好。
當硅整流發(fā)電機的端電壓大于蓄電池電壓時， 由于硅整流發(fā)電機是與蓄電 池并聯(lián)供電的， 因此， 就自動地轉(zhuǎn)為由硅整流發(fā)電機輸出的電壓向用電設(shè)備供電，同時還向自身的勵磁繞組供給勵磁電流。
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硅整流發(fā)電機原理圖 |
硅整流發(fā)電機接線圖 |
二、硅整流發(fā)電機結(jié)構(gòu)組成
硅整流發(fā)電機主要由定子、轉(zhuǎn)子、整流器和機殼等部分組成。
1、轉(zhuǎn)子
硅整流發(fā)電機的轉(zhuǎn)子作用是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，它主要由兩塊爪極、磁場繞組、滑環(huán)和軸等組成，外觀模擬圖如圖3、圖4所示。兩塊爪極壓裝在轉(zhuǎn)子軸上，爪極空腔內(nèi)裝有磁場繞組和磁軛，從而形成六個鳥嘴形磁極。磁場繞組引出線分別焊在與軸絕緣的兩個滑環(huán)上，滑環(huán)壓裝在轉(zhuǎn)子軸上并與軸絕緣。當兩滑環(huán)通入直流電時，有電流通過磁場繞組，并產(chǎn)生軸向磁通，使爪極一塊被磁化為N極，另一塊被磁化為S極，從而形成六對相互交錯的磁極。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，就形成了旋轉(zhuǎn)磁場。
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圖3 轉(zhuǎn)子3D側(cè)面模擬圖 |
圖4 轉(zhuǎn)子3D斜視模擬圖 |
2、定子
硅整流發(fā)電機的定子又叫電樞，由鐵芯和定子繞組組成，如圖5所示。定子鐵芯由內(nèi)圓帶槽的硅鋼片疊成，定子三相繞組采用Y型接法或星形接法，并嵌放在鐵芯槽中，如圖6所示。三相繞組引出線與整流器相連。
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圖5 硅整流發(fā)電機定子結(jié)構(gòu) |
圖6 發(fā)電機定子線圈繞法 |
3、整流器
硅整流發(fā)電機的整流器將發(fā)電機發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)變成直流電，從而供柴油機使用和向蓄電池充電。它由六只接成三相橋式全波整流電路的二極管組成。
4、機殼
機殼是由輕便、散熱性好的非導磁材料鋁合金制成。二極管和電刷架都在端蓋內(nèi)。
三、發(fā)電機輸出和輸入接線方式
硅整流發(fā)電機的接線方法主要包括輸出端的接線和輸入電源的接線。
1、輸出端接線方法
硅整流發(fā)電機的輸出端一般有兩種接線方法：單相接線和三相接線。
（1）單相接線方法
將發(fā)電機的輸出端分別接到單相負載的兩個端子上。其中一個端子連接到發(fā)電機的一個輸出線圈，另一個端子連接到另一個輸出線圈。這種接線方法適用于單相負載較小的情況。
（2）三相接線方法
將發(fā)電機的輸出端分別接到三相負載的三個端子上。其中一個端子連接到發(fā)電機的一個輸出線圈，另外兩個端子分別連接到另外兩個輸出線圈。這種接線方法適用于三相負載的情況。
2、輸入電源的接線方法
硅整流發(fā)電機的輸入電源一般為交流電源，接線方法主要分為兩種：單相接線和三相接線。
（1）單相接線方法
將輸入電源的一個相線連接到發(fā)電機的一個端子上，另外一個相線連接到發(fā)電機的另一個端子上，接地線連接到發(fā)電機的接地端子上。
（2）三相接線方法
將輸入電源的三個相線分別連接到發(fā)電機的三個端子上，接地線連接到發(fā)電機的接地端子上。
需要注意的是，在接線時要確保接線牢固，接觸良好，避免因接線不良造成電流過大導致安全事故。
總結(jié)：
硅整流發(fā)電機由柴油發(fā)動機帶動，轉(zhuǎn)速隨柴油機的轉(zhuǎn)速在一個很大的范圍內(nèi)變動。硅整流發(fā)電機的轉(zhuǎn)速高，其發(fā)出的電壓高；轉(zhuǎn)速低，其發(fā)出的電壓也低，為了保持硅整流發(fā)電機的端電壓的基本穩(wěn)定，必須設(shè)置電壓調(diào)節(jié)器。電壓調(diào)節(jié)器安裝時必須垂直，其接線柱向下，以達到防滴作用。使用時應(yīng)注意要與相應(yīng)型號的充電硅整流發(fā)電機配合使用。接線應(yīng)正確可靠，絕緣應(yīng)完好，否則可能導致電壓調(diào)節(jié)器燒壞。一般情況下，不要隨便打開調(diào)節(jié)器蓋，如有故障應(yīng)由專業(yè)人員檢修。
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