性能特點(diǎn)和作用說明

硅整流發(fā)電機(jī)的工作原理與特性

 

摘要：硅整流發(fā)電機(jī)是一種利用硅整流裝置將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電機(jī)，它在柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)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(duì)硅整流發(fā)電機(jī)的工作原理、整流原理、基本結(jié)構(gòu)，以及性能特點(diǎn)和輸出特性進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

 

一、硅整流發(fā)電機(jī)工作原理

 

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

1．發(fā)電原理

      硅整流發(fā)電機(jī)工作原理如圖1所示。當(dāng)硅整流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子總成由發(fā)動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)帶驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于磁場(chǎng)繞組中有電流通過，產(chǎn)生了磁場(chǎng)，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(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁極交替地在定子鐵心間穿過，形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)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(duì)運(yùn)動(dòng)，三相定子繞組中產(chǎn)生了三相交流電動(dòng)勢(shì)，各相電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)近似于正弦曲線的波形。交流硅整流發(fā)電機(jī)每相繞組的電動(dòng)勢(shì)有效值E 與硅整流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù) 、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及磁極磁通必成正比。

2．勵(lì)磁方式

      硅整流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電路圖如圖2所示。硅整流發(fā)電機(jī)在不接外電源時(shí)，本身也能自勵(lì)（即磁場(chǎng)電流由硅整流發(fā)電機(jī)自己供給）發(fā)電，由于硅整流發(fā)電機(jī)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(shì)（小于0.6V ）并不能使二極管導(dǎo)通，硅整流發(fā)電機(jī)也就不能自勵(lì)發(fā)電。

      硅整流發(fā)電機(jī)低速不能自勵(lì)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(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)、硅整流發(fā)電機(jī)電壓低于蓄電池電壓時(shí)，采用他勵(lì)方式，使硅整流發(fā)電機(jī)具有較強(qiáng)的磁場(chǎng)，從而使硅整流發(fā)電機(jī)電壓迅速升高。從而實(shí)現(xiàn)低速便可向蓄電池充電的目的。

      當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)S 接通時(shí)，蓄電他便通過調(diào)節(jié)器向硅整流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組提供勵(lì)徽電流，硅整流發(fā)電機(jī)他勵(lì)發(fā)電，輸出電壓隨硅整流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高而升高。當(dāng)硅整流發(fā)電機(jī)愉出電壓略高于蓄電他電壓時(shí)，硅整流發(fā)電機(jī)向蓄電池充電，同時(shí)勵(lì)磁電流便由硅整流發(fā)電機(jī)自己提供，硅整流發(fā)電機(jī)由他勵(lì)發(fā)電轉(zhuǎn)為自勵(lì)發(fā)電。

 

圖1  硅整流發(fā)電機(jī)工作原理示意圖

圖2  硅整流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電路示意圖

 

二、整流原理

      硅整流發(fā)電機(jī)由硅整流裝置、勵(lì)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(shí)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(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，其工作過程如下：

（1）三個(gè)正極二極管VD1、VD2、VD3的負(fù)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(duì)其他兩相而言），則該相的二極管導(dǎo)通。

（2）三個(gè)負(fù)極二極管VD4、VD5、VD6的負(fù)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(duì)其他兩相而言），則該相的二極管導(dǎo)通。

      在硅整流發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程的每一個(gè)時(shí)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(gè)管子導(dǎo)通（一個(gè)正極管、一個(gè)負(fù)極管），負(fù)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(gè)較平穩(wěn)的脈動(dòng)直流電壓，每個(gè)周期內(nèi)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(nèi)，每只二極管只有三分之一時(shí)間導(dǎo)通，所以流過每只二極管的平均電流僅為負(fù)載電流的1/3。

2．八管機(jī)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)引出的接線柱叫中性點(diǎn)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(jī)轉(zhuǎn)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(jī)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(jī)的輸出功率。

      試驗(yàn)表明，在不改動(dòng)硅整流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下，加裝中性點(diǎn)二極管，當(dāng)硅整流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過2000r/min時(shí)，其輸出功率與額定功率相比，可以提高10%~15%。

（1）當(dāng)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(fù)載（包括蓄電池）→負(fù)極管→定子繞組。

 

（2）當(dāng)中性點(diǎn)電壓瞬時(shí)值低于搭鐵電位時(shí)，流過中性點(diǎn)二極管VD8的電流路徑為：定子繞組→正極管→“B”接柱→負(fù)載（包括蓄電池）→中性點(diǎn)二極管VD8→定子繞組。

3．九管機(jī)的勵(lì)磁二極管工作原理

      九管機(jī)的勵(lì)磁二極管能輸出與硅整流發(fā)電機(jī)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(jī)勵(lì)磁電流，還能控制充電指示燈，其工作情況如下：

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

（2）在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，隨著硅整流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，硅整流發(fā)電機(jī)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(dāng)硅整流發(fā)電機(jī)電壓升高到蓄電池充電電壓時(shí)，硅整流發(fā)電機(jī)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(jī)已正常工作，勵(lì)磁電流由硅整流發(fā)電機(jī)自身經(jīng)勵(lì)磁二極管VD7、VD8、VD9整流后供給。

（3）當(dāng)硅整流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)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(dāng)硅整流發(fā)電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)充電系統(tǒng)發(fā)生故障而導(dǎo)致硅整流發(fā)電機(jī)不發(fā)電時(shí)，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(jī)整流器

      十一管硅整流發(fā)電機(jī)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(jī)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。

 

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

 

三、硅整流發(fā)電機(jī)的輸出特性及優(yōu)點(diǎn)

 

1．硅整流發(fā)電機(jī)輸出特性

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

① 當(dāng)硅整流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低，其端電壓低于蓄電池電壓時(shí)，硅整流發(fā)電機(jī)不能向外供電，只能他勵(lì)發(fā)電，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到空載轉(zhuǎn)速（充電指示燈指示充電開始時(shí)的硅整流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速）時(shí)，硅整流發(fā)電機(jī)開始自勵(lì)發(fā)電。

② 當(dāng)硅整流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于零電流轉(zhuǎn)速（硅整流發(fā)電機(jī)電壓達(dá)到規(guī)定的試臉電壓而尚無電流輸出時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為零電流轉(zhuǎn)速）時(shí)，硅整流發(fā)電機(jī)才有能力在試驗(yàn)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(dāng)轉(zhuǎn)速等于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，硅整流發(fā)電機(jī)輸出額定電流。

額定電流值是由硅整流發(fā)電機(jī)制造廠規(guī)定的，并標(biāo)示在硅整流發(fā)電機(jī)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(jī)性能好壞的重要指標(biāo)，在使用過程中，應(yīng)定期對(duì)硅整流發(fā)電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，若硅整流發(fā)電機(jī)在試驗(yàn)電壓和額定轉(zhuǎn)速時(shí)，其輸出電流達(dá)不到額定電流值，則說明硅整流發(fā)電機(jī)有故障。

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

2．硅整流發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)換效率可以達(dá)到95%以上；

（2）功率穩(wěn)定：硅整流發(fā)電機(jī)具有良好的功率穩(wěn)定性，輸出電壓波動(dòng)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(fù)載變化；

（4）維護(hù)成本低：硅整流發(fā)電機(jī)的組成部分相對(duì)簡單，維護(hù)成本較低；

（5）使用壽命長：硅整流發(fā)電機(jī)的工作可靠性高，使用壽命長。

 

總結(jié)：

      硅整流發(fā)電機(jī)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(jī)組中。它由硅整流裝置、勵(lì)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(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換。硅整流發(fā)電機(jī)具有高效率、功率穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、維護(hù)成本低和使用壽命長等特點(diǎn)。它的工作原理及特點(diǎn)對(duì)于我們深入了解硅整流發(fā)電機(jī)的應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)具有重要意義。

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