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性能特點(diǎn)和作用說(shuō)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換為直流電的電機，它在柴油發(fā)電機的啟動(dòng)系統中起著(zhù)為蓄電池充電的作用，還可以將交流電轉換為直流電供各種設備使用?？得魉构驹诒疚闹袑枵靼l(fā)電機的工作原理、整流原理、基本結構，以及性能特點(diǎn)和輸出特性進(jìn)行了詳細介紹。
一、硅整流發(fā)電機工作原理
硅整流發(fā)電機中的勵磁系統用于產(chǎn)生磁場(chǎng)，使得發(fā)電機能夠產(chǎn)生電流。勵磁系統一般由勵磁電源、勵磁電阻和勵磁繞組組成。當勵磁電源加電后，通過(guò)調節勵磁電阻的大小可以控制勵磁電流的大小，進(jìn)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)電機轉子總成由發(fā)動(dòng)機通過(guò)傳動(dòng)帶驅動(dòng)旋轉時(shí)，由于磁場(chǎng)繞組中有電流通過(guò)，產(chǎn)生了磁場(chǎng)，使轉子軸上的兩塊爪形磁極磁化，一塊為N極，一塊為S極。當轉子旋轉時(shí)，磁極交替地在定子鐵心間穿過(guò)，形成一個(gè)旋轉的磁場(chǎng)，它與固定不動(dòng)的三相定子繞組之間產(chǎn)生相對運動(dòng)，三相定子繞組中產(chǎn)生了三相交流電動(dòng)勢，各相電動(dòng)勢的頻率相同、幅值相等、相位互差1200（電角度）。轉子磁極呈鳥(niǎo)嘴形，可使三相定子繞組感應的電動(dòng)勢近似于正弦曲線(xiàn)的波形。交流硅整流發(fā)電機每相繞組的電動(dòng)勢有效值E 與硅整流發(fā)電機結構常數 、轉子轉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(shí)，本身也能自勵（即磁場(chǎng)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(shí)，僅靠剩磁產(chǎn)生的電動(dòng)勢（小于0.6V ）并不能使二極管導通，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(shí)給蓄電池充電。為了克服這一缺點(diǎn)，在硅整流發(fā)電機低速運轉、硅整流發(fā)電機電壓低于蓄電池電壓時(shí)，采用他勵方式，使硅整流發(fā)電機具有較強的磁場(chǎng)，從而使硅整流發(fā)電機電壓迅速升高。從而實(shí)現低速便可向蓄電池充電的目的。
當點(diǎn)火開(kāi)關(guān)S 接通時(shí)，蓄電他便通過(guò)調節器向硅整流發(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(shí)，硅整流發(fā)電機向蓄電池充電，同時(shí)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)電轉為自勵發(fā)電。
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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、轉子、定子等主要組成部分構成。其中，硅整流裝置是實(shí)現交流到直流轉換的關(guān)鍵部分，它由硅整流單元組成，每個(gè)硅整流單元包括一個(gè)可控硅和一個(gè)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(guò)程如下：
（1）三個(gè)正極二極管VD1、VD2、VD3的負極（外殼）通過(guò)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），則該相的二極管導通。
（2）三個(gè)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(guò)元件板或端蓋連接在一起。這三支管的導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），則該相的二極管導通。
在硅整流發(fā)電機運轉過(guò)程的每一個(gè)時(shí)間區間，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(gè)管子導通（一個(gè)正極管、一個(gè)負極管），負載R兩端得到的是兩相間的線(xiàn)電壓。這樣依此類(lèi)推，循環(huán)反復，六只二極管中兩只兩只輪流導通，在R上得到一個(gè)較平穩的脈動(dòng)直流電壓，每個(gè)周期內有六個(gè)波形。
在三相橋式整流電路中，由于交流電每個(gè)周期內，每只二極管只有三分之一時(shí)間導通，所以流過(guò)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(diǎn)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(diǎn)引出的接線(xiàn)柱叫中性點(diǎn)接線(xiàn)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(zhù)硅整流發(fā)電機轉速升高，定子繞組中性點(diǎn)的三次諧波電壓也升高。硅整流發(fā)電機高速時(shí)，中性點(diǎn)電壓的最高瞬時(shí)值高于輸出電壓（平均電壓為14V），最低瞬時(shí)值低于搭鐵電位，這時(shí)利用中性點(diǎn)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(dòng)硅整流發(fā)電機結構的情況下，加裝中性點(diǎn)二極管，當硅整流發(fā)電機轉速超過(guò)2000r/min時(shí)，其輸出功率與額定功率相比，可以提高10%~15%。
（1）當中性點(diǎn)電壓瞬時(shí)值高于輸出電壓（平均值）時(shí)，從中性點(diǎn)輸出的電流如圖6所示，其電路為定子繞組一中性點(diǎn)二極管VD7→負載（包括蓄電池）→負極管→定子繞組。
（2）當中性點(diǎn)電壓瞬時(shí)值低于搭鐵電位時(shí)，流過(guò)中性點(diǎn)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(diǎn)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(xiàn)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(diǎn)火開(kāi)關(guān)SW，蓄電他電流便經(jīng)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)SW，充電指示燈一調節器，硅整流發(fā)電機勵磁繞組一搭鐵構成回路。此時(shí)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(dòng)機起動(dòng)后，隨著(zhù)硅整流發(fā)電機轉速升高，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(shí)，硅整流發(fā)電機B、D＋端電位相等，此時(shí)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)電機轉速降低時(shí)，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)電機高速運轉充電系統發(fā)生故障而導致硅整流發(fā)電機不發(fā)電時(shí)，由于D＋端無(wú)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(chǎng)二極管和兩只中性點(diǎn)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(chǎng)二極管以及中性點(diǎn)二極管的特點(diǎn)和功能。
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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 |
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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(diǎn)
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(shí)，輸出電流隨轉速變化的關(guān)系。
① 當硅整流發(fā)電機轉速低，其端電壓低于蓄電池電壓時(shí)，硅整流發(fā)電機不能向外供電，只能他勵發(fā)電，當轉速達到空載轉速（充電指示燈指示充電開(kāi)始時(shí)的硅整流發(fā)電機轉速）時(shí)，硅整流發(fā)電機開(kāi)始自勵發(fā)電。
② 當硅整流發(fā)電機轉速大于零電流轉速（硅整流發(fā)電機電壓達到規定的試臉電壓而尚無(wú)電流輸出時(shí)的轉速稱(chēng)為零電流轉速）時(shí)，硅整流發(fā)電機才有能力在試驗電壓下向外供電，輸出電流將隨轉速的升高和電阻的減小而增大；當轉速等于額定轉速時(shí)，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(chǎng)規定的，并標示在硅整流發(fā)電機銘牌上和使用說(shuō)明書(shū)中。額定轉速是反映硅整流發(fā)電機性能好壞的重要指標，在使用過(guò)程中，應定期對硅整流發(fā)電機進(jìn)行檢測，若硅整流發(fā)電機在試驗電壓和額定轉速時(shí)，其輸出電流達不到額定電流值，則說(shuō)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轉速時(shí)的輸出電流稱(chēng)為最大電流。硅整流發(fā)電機的輸出電流達到最大電流后，便不再隨轉速的升高和負載電阻的減小面增大，這說(shuō)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(diǎn)
（1）高效率：硅整流裝置具有低功率損耗和高整流效率，其轉換效率可以達到95%以上；
（2）功率穩定：硅整流發(fā)電機具有良好的功率穩定性，輸出電壓波動(dòng)??；
（3）響應速度快：硅整流裝置的開(kāi)關(guān)速度較快，能夠快速響應負載變化；
（4）維護成本低：硅整流發(fā)電機的組成部分相對簡(jiǎn)單，維護成本較低；
（5）使用壽命長(cháng)：硅整流發(fā)電機的工作可靠性高，使用壽命長(cháng)。
總結：
硅整流發(fā)電機通過(guò)硅整流裝置將交流電轉換為直流電，廣泛應用于柴油發(fā)電機組中。它由硅整流裝置、勵磁系統、轉子、定子等組成，通過(guò)控制硅整流單元的開(kāi)關(guān)狀態(tài)實(shí)現電能轉換。硅整流發(fā)電機具有高效率、功率穩定、響應速度快、維護成本低和使用壽命長(cháng)等特點(diǎn)。它的工作原理及特點(diǎn)對于我們深入了解硅整流發(fā)電機的應用和優(yōu)勢具有重要意義。
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