性能特點和作用說明

硅整流發(fā)電機的工作原理與特性

 

摘要：硅整流發(fā)電機是一種利用硅整流裝置將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電機，它在柴油發(fā)電機的啟動系統(tǒng)中起著為蓄電池充電的作用，還可以將交流電轉(zhuǎn)換為直流電供各種設(shè)備使用。康明斯公司在本文中對硅整流發(fā)電機的工作原理、整流原理、基本結(jié)構(gòu)，以及性能特點和輸出特性進行了詳細介紹。

 

一、硅整流發(fā)電機工作原理

 

      硅整流發(fā)電機中的勵磁系統(tǒng)用于產(chǎn)生磁場，使得發(fā)電機能夠產(chǎn)生電流。勵磁系統(tǒng)一般由勵磁電源、勵磁電阻和勵磁繞組組成。當勵磁電源加電后，通過調(diào)節(jié)勵磁電阻的大小可以控制勵磁電流的大小，進而控制發(fā)電機的輸出電流。

1．發(fā)電原理

      硅整流發(fā)電機工作原理如圖1所示。當硅整流發(fā)電機轉(zhuǎn)子總成由發(fā)動機通過傳動帶驅(qū)動旋轉(zhuǎn)時，由于磁場繞組中有電流通過，產(chǎn)生了磁場，使轉(zhuǎn)子軸上的兩塊爪形磁極磁化，一塊為N極，一塊為S極。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，磁極交替地在定子鐵心間穿過，形成一個旋轉(zhuǎn)的磁場，它與固定不動的三相定子繞組之間產(chǎn)生相對運動，三相定子繞組中產(chǎn)生了三相交流電動勢，各相電動勢的頻率相同、幅值相等、相位互差1200（電角度）。轉(zhuǎn)子磁極呈鳥嘴形，可使三相定子繞組感應(yīng)的電動勢近似于正弦曲線的波形。交流硅整流發(fā)電機每相繞組的電動勢有效值E 與硅整流發(fā)電機結(jié)構(gòu)常數(shù) 、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及磁極磁通必成正比。

2．勵磁方式

      硅整流發(fā)電機勵磁電路圖如圖2所示。硅整流發(fā)電機在不接外電源時，本身也能自勵（即磁場電流由硅整流發(fā)電機自己供給）發(fā)電，由于硅整流發(fā)電機磁極尺寸小，保留的剩磁很弱，因此在低速時，僅靠剩磁產(chǎn)生的電動勢（小于0.6V ）并不能使二極管導(dǎo)通，硅整流發(fā)電機也就不能自勵發(fā)電。

      硅整流發(fā)電機低速不能自勵發(fā)電，也就不能及時給蓄電池充電。為了克服這一缺點，在硅整流發(fā)電機低速運轉(zhuǎn)、硅整流發(fā)電機電壓低于蓄電池電壓時，采用他勵方式，使硅整流發(fā)電機具有較強的磁場，從而使硅整流發(fā)電機電壓迅速升高。從而實現(xiàn)低速便可向蓄電池充電的目的。

      當點火開關(guān)S 接通時，蓄電他便通過調(diào)節(jié)器向硅整流發(fā)電機勵磁繞組提供勵徽電流，硅整流發(fā)電機他勵發(fā)電，輸出電壓隨硅整流發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高而升高。當硅整流發(fā)電機愉出電壓略高于蓄電他電壓時，硅整流發(fā)電機向蓄電池充電，同時勵磁電流便由硅整流發(fā)電機自己提供，硅整流發(fā)電機由他勵發(fā)電轉(zhuǎn)為自勵發(fā)電。

 

圖1  硅整流發(fā)電機工作原理示意圖

圖2  硅整流發(fā)電機勵磁電路示意圖

 

二、整流原理

      硅整流發(fā)電機由硅整流裝置、勵磁系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子、定子等主要組成部分構(gòu)成。其中，硅整流裝置是實現(xiàn)交流到直流轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分，它由硅整流單元組成，每個硅整流單元包括一個可控硅和一個反并聯(lián)二極管。

1．三相橋式整流器工作原理

     三相橋式全波整流電路如圖3所示，其工作過程如下：

（1）三個正極二極管VD1、VD2、VD3的負極（外殼）通過元件板連接在一起，它們的正極劇分別與三相繞組的首端相聯(lián)。這三只管的導(dǎo)通條件是在某一瞬間，哪一相的電壓最高（相對其他兩相而言），則該相的二極管導(dǎo)通。

（2）三個負極二極管VD4、VD5、VD6的負極也與三相繃組的首端相聯(lián)，其正極（外殼）通過元件板或端蓋連接在一起。這三支管的導(dǎo)通條件是在某一瞬間，哪一相的電位最低（相對其他兩相而言），則該相的二極管導(dǎo)通。

      在硅整流發(fā)電機運轉(zhuǎn)過程的每一個時間區(qū)間，總是一相電壓最高，一相電位最低，整流器的六只整流二極管中，始終保持有兩個管子導(dǎo)通（一個正極管、一個負極管），負載R兩端得到的是兩相間的線電壓。這樣依此類推，循環(huán)反復(fù)，六只二極管中兩只兩只輪流導(dǎo)通，在R上得到一個較平穩(wěn)的脈動直流電壓，每個周期內(nèi)有六個波形。

      在三相橋式整流電路中，由于交流電每個周期內(nèi)，每只二極管只有三分之一時間導(dǎo)通，所以流過每只二極管的平均電流僅為負載電流的1/3。

2．八管機的中性點二極管工作原理

      八管整流電路如圖4所示。從三相星形繞組中性點引出的接線柱叫中性點接線柱（記為“N”）其輸出電壓為三相橋式整流器輸出電壓的一半。隨著硅整流發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高，定子繞組中性點的三次諧波電壓也升高。硅整流發(fā)電機高速時，中性點電壓的最高瞬時值高于輸出電壓（平均電壓為14V），最低瞬時值低于搭鐵電位，這時利用中性點電壓就可向外輸出電流，從而提高硅整流發(fā)電機的輸出功率。

      試驗表明，在不改動硅整流發(fā)電機結(jié)構(gòu)的情況下，加裝中性點二極管，當硅整流發(fā)電機轉(zhuǎn)速超過2000r/min時，其輸出功率與額定功率相比，可以提高10%~15%。

（1）當中性點電壓瞬時值高于輸出電壓（平均值）時，從中性點輸出的電流如圖6所示，其電路為定子繞組一中性點二極管VD7→負載（包括蓄電池）→負極管→定子繞組。

 

（2）當中性點電壓瞬時值低于搭鐵電位時，流過中性點二極管VD8的電流路徑為：定子繞組→正極管→“B”接柱→負載（包括蓄電池）→中性點二極管VD8→定子繞組。

3．九管機的勵磁二極管工作原理

      九管機的勵磁二極管能輸出與硅整流發(fā)電機電樞接線柱B相等的電壓，電路如圖5所示。它既能供給硅整流發(fā)電機勵磁電流，還能控制充電指示燈，其工作情況如下：

（1）接通點火開關(guān)SW，蓄電他電流便經(jīng)點火開關(guān)SW，充電指示燈一調(diào)節(jié)器，硅整流發(fā)電機勵磁繞組一搭鐵構(gòu)成回路。此時充電指示燈發(fā)亮，指示勵磁電流接通并由蓄電池供電。

（2）在發(fā)動機起動后，隨著硅整流發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高，硅整流發(fā)電機D＋端電壓隨之升離，充電指示燈兩端的電位差降低，指示燈亮度減弱，當硅整流發(fā)電機電壓升高到蓄電池充電電壓時，硅整流發(fā)電機B、D＋端電位相等，此時充電指示燈兩端電位差降低到零，指示燈熄滅，指示硅整流發(fā)電機已正常工作，勵磁電流由硅整流發(fā)電機自身經(jīng)勵磁二極管VD7、VD8、VD9整流后供給。

（3）當硅整流發(fā)電機轉(zhuǎn)速降低時，D＋端電位降低，指示燈兩端電位差增大，指示燈又發(fā)亮，指示蓄電池放電。

（4）當硅整流發(fā)電機高速運轉(zhuǎn)充電系統(tǒng)發(fā)生故障而導(dǎo)致硅整流發(fā)電機不發(fā)電時，由于D＋端無電壓輸出，因此充電指示燈兩端電位差增大，指示燈發(fā)亮。

4．十一管硅整流發(fā)電機整流器

      十一管硅整流發(fā)電機的整流器總成由六只整流二極、三只磁場二極管和兩只中性點二極管組成，其電路如圖6所示。十一管硅整流發(fā)電機兼有整流二極管、磁場二極管以及中性點二極管的特點和功能。

 

圖3  三相橋式全控整流電路圖	八管硅整流發(fā)電機電路示意圖
圖5  九管硅整流發(fā)電機電路圖	圖6  十一管硅整流發(fā)電機電路圖

 

三、硅整流發(fā)電機的輸出特性及優(yōu)點

 

1．硅整流發(fā)電機輸出特性

      硅整流發(fā)電機輸出特性是指硅整流發(fā)電機端電壓維持在試驗電壓時，輸出電流隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。

① 當硅整流發(fā)電機轉(zhuǎn)速低，其端電壓低于蓄電池電壓時，硅整流發(fā)電機不能向外供電，只能他勵發(fā)電，當轉(zhuǎn)速達到空載轉(zhuǎn)速（充電指示燈指示充電開始時的硅整流發(fā)電機轉(zhuǎn)速）時，硅整流發(fā)電機開始自勵發(fā)電。

② 當硅整流發(fā)電機轉(zhuǎn)速大于零電流轉(zhuǎn)速（硅整流發(fā)電機電壓達到規(guī)定的試臉電壓而尚無電流輸出時的轉(zhuǎn)速稱為零電流轉(zhuǎn)速）時，硅整流發(fā)電機才有能力在試驗電壓下向外供電，輸出電流將隨轉(zhuǎn)速的升高和電阻的減小而增大；當轉(zhuǎn)速等于額定轉(zhuǎn)速時，硅整流發(fā)電機輸出額定電流。

額定電流值是由硅整流發(fā)電機制造廠規(guī)定的，并標示在硅整流發(fā)電機銘牌上和使用說明書中。額定轉(zhuǎn)速是反映硅整流發(fā)電機性能好壞的重要指標，在使用過程中，應(yīng)定期對硅整流發(fā)電機進行檢測，若硅整流發(fā)電機在試驗電壓和額定轉(zhuǎn)速時，其輸出電流達不到額定電流值，則說明硅整流發(fā)電機有故障。

③ 硅整流發(fā)電機在試驗電壓和最高連續(xù)轉(zhuǎn)速時的輸出電流稱為最大電流。硅整流發(fā)電機的輸出電流達到最大電流后，便不再隨轉(zhuǎn)速的升高和負載電阻的減小面增大，這說明硅整流發(fā)電機具有自身最大輸出電流的能力。

2．硅整流發(fā)電機的優(yōu)點

（1）高效率：硅整流裝置具有低功率損耗和高整流效率，其轉(zhuǎn)換效率可以達到95%以上；

（2）功率穩(wěn)定：硅整流發(fā)電機具有良好的功率穩(wěn)定性，輸出電壓波動小；

（3）響應(yīng)速度快：硅整流裝置的開關(guān)速度較快，能夠快速響應(yīng)負載變化；

（4）維護成本低：硅整流發(fā)電機的組成部分相對簡單，維護成本較低；

（5）使用壽命長：硅整流發(fā)電機的工作可靠性高，使用壽命長。

 

總結(jié)：

      硅整流發(fā)電機通過硅整流裝置將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，廣泛應(yīng)用于柴油發(fā)電機組中。它由硅整流裝置、勵磁系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子、定子等組成，通過控制硅整流單元的開關(guān)狀態(tài)實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換。硅整流發(fā)電機具有高效率、功率穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、維護成本低和使用壽命長等特點。它的工作原理及特點對于我們深入了解硅整流發(fā)電機的應(yīng)用和優(yōu)勢具有重要意義。

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