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硅整流發電機的電壓調節和勵磁方式 |
摘要：硅整流發電機是柴油機上的重要電源，它與發電機調節器互相配合工作，在發電機正常工作轉速范圍內，柴油機的用電設備，主要是靠發電機供電，而且蓄電池存電不足時，發電機還給蓄電池充電。傳統的整流子換向直流發電機已經不能適應現代柴油機發展要求而逐漸被硅整流發電機取代，目前主要有硅整流發電機、感應子式(無刷)發電機等，其中以硅整流發電機應用最為普遍。康明斯公司在本文中主要講述了硅整流發電機的原理、勵磁方式和結構，以及其輸出與輸入接線方法。
一、硅整流發電機原理和勵磁方式
1、硅整流發電機原理
硅整流發電機是三相交流同步硅整流發電機，其磁極為旋轉式。其勵磁方式是：在啟動和低轉速時，由于硅整流發電機電壓低于蓄電池電壓，硅整流發電機是他勵的（由蓄電池供電）；高轉速時，硅整流發電機電壓高于蓄電池充電電壓，硅整流發電機是自勵的。
（2）當轉子磁極在定子內旋轉時，轉子的N極和s極在定子內交替通過，使定子繞組切割磁力線而產生交流感應電動勢。三相繞組所產生的交流電動勢相位差為120°，所發出的三相交流電經六只二極管三相全波整流后，即可在硅整流發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。轉子旋轉 時， 勵磁繞組所產生的磁場也隨之旋轉， 形成旋轉磁場， 它與固 定不動的定子繞組之間產生相對動， 使三相定子繞組中產生三個 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， 硅整流發電機每相繞組中產生的電動勢的有效值與 硅整流發電機的轉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、硅整流發電機的輸出特性（負載特性）
當保持硅整流發電機的輸出電壓一定時（對12v硅整流發電機規定為14v，對24v硅整流發電機規定為28v），調整其輸出電流與轉速，就可得到輸出特性曲線，當轉速達到一定值后，硅整流發電機的輸出電流不再繼續上升，而趨于某一固定值，此值稱為限流值或最大輸出電流值。所以硅整流發電機有一種自身限制電流的性能，這是硅整流發電機最重要的特性。
3、硅整流器的原理
硅整流器是利用硅二極管的單向導電性， 將交流電轉換為直流電。在硅整流發電機中， 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先導通， 即在某一時間內， 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、 硅整流發電機的勵磁方式
硅整流發電機開始發電時采取它勵方式進行， 即由蓄電池供 給勵磁電流。當硅整流發電機電壓達到蓄電池電壓時轉為自勵， 即由發電機自身供給勵磁電流。
在硅整流發電機中， 轉子的爪極有一定的剩磁， 當轉子以一 定的轉速旋轉時， 在三相繞組中產生感應電動勢， 經整流器整流后通過電刷和滑環加到勵磁繞組上， 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，由于硅整流發電機剩磁 較弱， 所以硅整流發電機在低速運轉時， 不能建立電壓， 而只有在較高 轉速時(n＞1200r/min) ，硅整流發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電機在低速時， 不能建立電壓的缺點， 在 硅整流發電機轉速較低、硅整流發電機的端電壓低于蓄電池端電壓時， 由蓄電 池向硅整流發電機供給勵磁電流(即他勵) ，使硅整流發電機在較強的磁場下 很快地建立起電壓。這就使硅整流發電機的低速充電性能較好。
當硅整流發電機的端電壓大于蓄電池電壓時， 由于硅整流發電機是與蓄電 池并聯供電的， 因此， 就自動地轉為由硅整流發電機輸出的電壓向用電設備供電，同時還向自身的勵磁繞組供給勵磁電流。
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硅整流發電機原理圖 |
硅整流發電機接線圖 |
二、硅整流發電機結構組成
硅整流發電機主要由定子、轉子、整流器和機殼等部分組成。
1、轉子
硅整流發電機的轉子作用是產生旋轉磁場，它主要由兩塊爪極、磁場繞組、滑環和軸等組成，外觀模擬圖如圖3、圖4所示。兩塊爪極壓裝在轉子軸上，爪極空腔內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上，滑環壓裝在轉子軸上并與軸絕緣。當兩滑環通入直流電時，有電流通過磁場繞組，并產生軸向磁通，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。當轉子轉動時，就形成了旋轉磁場。
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圖3 轉子3D側面模擬圖 |
圖4 轉子3D斜視模擬圖 |
2、定子
硅整流發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 硅整流發電機定子結構 |
圖6 發電機定子線圈繞法 |
3、整流器
硅整流發電機的整流器將發電機發出的交流電轉變成直流電，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。
三、發電機輸出和輸入接線方式
硅整流發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電機的一個端子上，另外一個相線連接到發電機的另一個端子上，接地線連接到發電機的接地端子上。
（2）三相接線方法
將輸入電源的三個相線分別連接到發電機的三個端子上，接地線連接到發電機的接地端子上。
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：
硅整流發電機由柴油發動機帶動，轉速隨柴油機的轉速在一個很大的范圍內變動。硅整流發電機的轉速高，其發出的電壓高；轉速低，其發出的電壓也低，為了保持硅整流發電機的端電壓的基本穩定，必須設置電壓調節器。電壓調節器安裝時必須垂直，其接線柱向下，以達到防滴作用。使用時應注意要與相應型號的充電硅整流發電機配合使用。接線應正確可靠，絕緣應完好，否則可能導致電壓調節器燒壞。一般情況下，不要隨便打開調節器蓋，如有故障應由專業人員檢修。
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