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硅整流發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)和勵(lì)磁方式 |
摘要：硅整流發(fā)電機(jī)是柴油機(jī)上的重要電源，它與發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器互相配合工作，在發(fā)電機(jī)正常工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，柴油機(jī)的用電設(shè)備，主要是靠發(fā)電機(jī)供電，而且蓄電池存電不足時(shí)，發(fā)電機(jī)還給蓄電池充電。傳統(tǒng)的整流子換向直流發(fā)電機(jī)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代柴油機(jī)發(fā)展要求而逐漸被硅整流發(fā)電機(jī)取代，目前主要有硅整流發(fā)電機(jī)、感應(yīng)子式(無刷)發(fā)電機(jī)等，其中以硅整流發(fā)電機(jī)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(jī)的原理、勵(lì)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(jī)原理和勵(lì)磁方式
1、硅整流發(fā)電機(jī)原理
硅整流發(fā)電機(jī)是三相交流同步硅整流發(fā)電機(jī)，其磁極為旋轉(zhuǎn)式。其勵(lì)磁方式是：在啟動(dòng)和低轉(zhuǎn)速時(shí)，由于硅整流發(fā)電機(jī)電壓低于蓄電池電壓，硅整流發(fā)電機(jī)是他勵(lì)的（由蓄電池供電）；高轉(zhuǎn)速時(shí)，硅整流發(fā)電機(jī)電壓高于蓄電池充電電壓，硅整流發(fā)電機(jī)是自勵(lì)的。
（2）當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(dòng)勢(shì)。三相繞組所產(chǎn)生的交流電動(dòng)勢(shì)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(jī)正負(fù)接線柱之間獲得直流電。
（3）當(dāng)勵(lì)磁繞組接通直流電時(shí)即被勵(lì)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(cuò)形成 6 對(duì)磁極。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 時(shí)， 勵(lì)磁繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)也隨之旋轉(zhuǎn)， 形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)， 它與固 定不動(dòng)的定子繞組之間產(chǎn)生相對(duì)動(dòng)， 使三相定子繞組中產(chǎn)生三個(gè) 頻率相同、幅值相等、相位相差 120°電角度的正弦電動(dòng)勢(shì) eA、 eB 和 eC ，其順時(shí)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(jī)每相繞組中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的有效值與 硅整流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁場(chǎng)的磁通量成正比。三相交流電動(dòng)勢(shì)是對(duì)稱的， 當(dāng)外接負(fù)載時(shí)，三相交流電壓 UA、UB 和 UC 也是對(duì)稱的。
2、硅整流發(fā)電機(jī)的輸出特性（負(fù)載特性）
當(dāng)保持硅整流發(fā)電機(jī)的輸出電壓一定時(shí)（對(duì)12v硅整流發(fā)電機(jī)規(guī)定為14v，對(duì)24v硅整流發(fā)電機(jī)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(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后，硅整流發(fā)電機(jī)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(jī)有一種自身限制電流的性能，這是硅整流發(fā)電機(jī)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(jī)中， 六只硅二極管連接成三相橋式全波整流電路。
三個(gè)正極管子 D1、D3 和 D6 的正極連接在一起， 負(fù)極分另接 在三相繞組的首端。根據(jù)導(dǎo)通原則， 連接在一起的幾個(gè)二極管中， 正極電位最高的二極管總是優(yōu)先導(dǎo)通， 即在某一時(shí)間內(nèi)， 只有正 極電位最高或負(fù)極電位最低的管子才能導(dǎo)通。
在 t=0 時(shí)， UA=0，UC 為正值， UB 為負(fù)值， D1、D3 和 D5 負(fù) 極電位相同，而 A、B、C 三點(diǎn)中 C 點(diǎn)電位最高， D5 優(yōu)先導(dǎo)通， 使 3 個(gè)正極管子負(fù)極的電位等于 C 點(diǎn)電位，這時(shí) 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(diǎn)中 B 點(diǎn)電位最低， D4 優(yōu)先導(dǎo)通，使三個(gè)負(fù)極管了的正極電位 等于 B 點(diǎn)電位，這時(shí) D2 和 D6 承受反向電壓而截止。這樣 C、B 兩點(diǎn)之間的線電壓的瞬時(shí)值加在負(fù)截 RL 上。
4、 硅整流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式
硅整流發(fā)電機(jī)開始發(fā)電時(shí)采取它勵(lì)方式進(jìn)行， 即由蓄電池供 給勵(lì)磁電流。當(dāng)硅整流發(fā)電機(jī)電壓達(dá)到蓄電池電壓時(shí)轉(zhuǎn)為自勵(lì)， 即由發(fā)電機(jī)自身供給勵(lì)磁電流。
在硅整流發(fā)電機(jī)中， 轉(zhuǎn)子的爪極有一定的剩磁， 當(dāng)轉(zhuǎn)子以一 定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)， 在三相繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)， 經(jīng)整流器整流后通過電刷和滑環(huán)加到勵(lì)磁繞組上， 勵(lì)磁繞組有電流通過， 使磁場(chǎng)加強(qiáng)， 三相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)一步提高， 促使磁場(chǎng)進(jìn)一步 增強(qiáng)， 如此反復(fù)， 使硅整流發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)逐漸升高。上述問題存 在的問題是，當(dāng)加在硅二極管上的正向電壓小于其死區(qū)電壓時(shí) (約 0.6V 左右)，二極管處于截止?fàn)畈粚?dǎo)通，由于硅整流發(fā)電機(jī)剩磁 較弱， 所以硅整流發(fā)電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)， 不能建立電壓， 而只有在較高 轉(zhuǎn)速時(shí)(n＞1200r/min) ，硅整流發(fā)電機(jī)的電壓才能很快上升， 完成自 勵(lì)過程。
為了克服硅速流硅整流發(fā)電機(jī)在低速時(shí)， 不能建立電壓的缺點(diǎn)， 在 硅整流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低、硅整流發(fā)電機(jī)的端電壓低于蓄電池端電壓時(shí)， 由蓄電 池向硅整流發(fā)電機(jī)供給勵(lì)磁電流(即他勵(lì)) ，使硅整流發(fā)電機(jī)在較強(qiáng)的磁場(chǎng)下 很快地建立起電壓。這就使硅整流發(fā)電機(jī)的低速充電性能較好。
當(dāng)硅整流發(fā)電機(jī)的端電壓大于蓄電池電壓時(shí)， 由于硅整流發(fā)電機(jī)是與蓄電 池并聯(lián)供電的， 因此， 就自動(dòng)地轉(zhuǎn)為由硅整流發(fā)電機(jī)輸出的電壓向用電設(shè)備供電，同時(shí)還向自身的勵(lì)磁繞組供給勵(lì)磁電流。
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硅整流發(fā)電機(jī)原理圖 |
硅整流發(fā)電機(jī)接線圖 |
二、硅整流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)組成
硅整流發(fā)電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、整流器和機(jī)殼等部分組成。
1、轉(zhuǎn)子
硅整流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子作用是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它主要由兩塊爪極、磁場(chǎng)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(chǎng)繞組和磁軛，從而形成六個(gè)鳥嘴形磁極。磁場(chǎng)繞組引出線分別焊在與軸絕緣的兩個(gè)滑環(huán)上，滑環(huán)壓裝在轉(zhuǎn)子軸上并與軸絕緣。當(dāng)兩滑環(huán)通入直流電時(shí)，有電流通過磁場(chǎng)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(duì)相互交錯(cuò)的磁極。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就形成了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。
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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(jī)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(jī)定子結(jié)構(gòu) |
圖6 發(fā)電機(jī)定子線圈繞法 |
3、整流器
硅整流發(fā)電機(jī)的整流器將發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)變成直流電，從而供柴油機(jī)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(jī)殼
機(jī)殼是由輕便、散熱性好的非導(dǎo)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(jī)輸出和輸入接線方式
硅整流發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)的輸出端分別接到單相負(fù)載的兩個(gè)端子上。其中一個(gè)端子連接到發(fā)電機(jī)的一個(gè)輸出線圈，另一個(gè)端子連接到另一個(gè)輸出線圈。這種接線方法適用于單相負(fù)載較小的情況。
（2）三相接線方法
將發(fā)電機(jī)的輸出端分別接到三相負(fù)載的三個(gè)端子上。其中一個(gè)端子連接到發(fā)電機(jī)的一個(gè)輸出線圈，另外兩個(gè)端子分別連接到另外兩個(gè)輸出線圈。這種接線方法適用于三相負(fù)載的情況。
2、輸入電源的接線方法
硅整流發(fā)電機(jī)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(gè)相線連接到發(fā)電機(jī)的一個(gè)端子上，另外一個(gè)相線連接到發(fā)電機(jī)的另一個(gè)端子上，接地線連接到發(fā)電機(jī)的接地端子上。
（2）三相接線方法
將輸入電源的三個(gè)相線分別連接到發(fā)電機(jī)的三個(gè)端子上，接地線連接到發(fā)電機(jī)的接地端子上。
需要注意的是，在接線時(shí)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(dǎo)致安全事故。
總結(jié)：
硅整流發(fā)電機(jī)由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，轉(zhuǎn)速隨柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速在一個(gè)很大的范圍內(nèi)變動(dòng)。硅整流發(fā)電機(jī)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(jī)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(shí)必須垂直，其接線柱向下，以達(dá)到防滴作用。使用時(shí)應(yīng)注意要與相應(yīng)型號(hào)的充電硅整流發(fā)電機(jī)配合使用。接線應(yīng)正確可靠，絕緣應(yīng)完好，否則可能導(dǎo)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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