性能特點和作用說明

硅整流發電機的工作原理與特性

 

摘要：硅整流發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，它在柴油發電機的啟動系統中起著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。康明斯公司在本文中對硅整流發電機的工作原理、整流原理、基本結構，以及性能特點和輸出特性進行了詳細介紹。

 

一、硅整流發電機工作原理

 

      硅整流發電機中的勵磁系統用于產生磁場，使得發電機能夠產生電流。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，通過調節勵磁電阻的大小可以控制勵磁電流的大小，進而控制發電機的輸出電流。

1．發電原理

      硅整流發電機工作原理如圖1所示。當硅整流發電機轉子總成由發動機通過傳動帶驅動旋轉時，由于磁場繞組中有電流通過，產生了磁場，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，磁極交替地在定子鐵心間穿過，形成一個旋轉的磁場，它與固定不動的三相定子繞組之間產生相對運動，三相定子繞組中產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）。轉子磁極呈鳥嘴形，可使三相定子繞組感應的電動勢近似于正弦曲線的波形。交流硅整流發電機每相繞組的電動勢有效值E 與硅整流發電機結構常數 、轉子轉速及磁極磁通必成正比。

2．勵磁方式

      硅整流發電機勵磁電路圖如圖2所示。硅整流發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電機自己供給）發電，由于硅整流發電機磁極尺寸小，保留的剩磁很弱，因此在低速時，僅靠剩磁產生的電動勢（小于0.6V ）并不能使二極管導通，硅整流發電機也就不能自勵發電。

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

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

 

圖1  硅整流發電機工作原理示意圖

圖2  硅整流發電機勵磁電路示意圖

 

二、整流原理

      硅整流發電機由硅整流裝置、勵磁系統、轉子、定子等主要組成部分構成。其中，硅整流裝置是實現交流到直流轉換的關鍵部分，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。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）三個負極二極管VD4、VD5、VD6的負極也與三相繃組的首端相聯，其正極（外殼）通過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。

      在硅整流發電機運轉過程的每一個時間區間，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，始終保持有兩個管子導通（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，循環反復，六只二極管中兩只兩只輪流導通，在R上得到一個較平穩的脈動直流電壓，每個周期內有六個波形。

      在三相橋式整流電路中，由于交流電每個周期內，每只二極管只有三分之一時間導通，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。隨著硅整流發電機轉速升高，定子繞組中性點的三次諧波電壓也升高。硅整流發電機高速時，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，從而提高硅整流發電機的輸出功率。

      試驗表明，在不改動硅整流發電機結構的情況下，加裝中性點二極管，當硅整流發電機轉速超過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SW，蓄電他電流便經點火開關SW，充電指示燈一調節器，硅整流發電機勵磁繞組一搭鐵構成回路。此時充電指示燈發亮，指示勵磁電流接通并由蓄電池供電。

（2）在發動機起動后，隨著硅整流發電機轉速升高，硅整流發電機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，當硅整流發電機電壓升高到蓄電池充電電壓時，硅整流發電機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，指示硅整流發電機已正常工作，勵磁電流由硅整流發電機自身經勵磁二極管VD7、VD8、VD9整流后供給。

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

（4）當硅整流發電機高速運轉充電系統發生故障而導致硅整流發電機不發電時，由于D＋端無電壓輸出，因此充電指示燈兩端電位差增大，指示燈發亮。

4．十一管硅整流發電機整流器

      十一管硅整流發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	八管硅整流發電機電路示意圖
圖5  九管硅整流發電機電路圖	圖6  十一管硅整流發電機電路圖

 

三、硅整流發電機的輸出特性及優點

 

1．硅整流發電機輸出特性

      硅整流發電機輸出特性是指硅整流發電機端電壓維持在試驗電壓時，輸出電流隨轉速變化的關系。

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

② 當硅整流發電機轉速大于零電流轉速（硅整流發電機電壓達到規定的試臉電壓而尚無電流輸出時的轉速稱為零電流轉速）時，硅整流發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，硅整流發電機輸出額定電流。

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

③ 硅整流發電機在試驗電壓和最高連續轉速時的輸出電流稱為最大電流。硅整流發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，這說明硅整流發電機具有自身最大輸出電流的能力。

2．硅整流發電機的優點

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

（2）功率穩定：硅整流發電機具有良好的功率穩定性，輸出電壓波動小；

（3）響應速度快：硅整流裝置的開關速度較快，能夠快速響應負載變化；

（4）維護成本低：硅整流發電機的組成部分相對簡單，維護成本較低；

（5）使用壽命長：硅整流發電機的工作可靠性高，使用壽命長。

 

總結：

      硅整流發電機通過硅整流裝置將交流電轉換為直流電，廣泛應用于柴油發電機組中。它由硅整流裝置、勵磁系統、轉子、定子等組成，通過控制硅整流單元的開關狀態實現電能轉換。硅整流發電機具有高效率、功率穩定、響應速度快、維護成本低和使用壽命長等特點。它的工作原理及特點對于我們深入了解硅整流發電機的應用和優勢具有重要意義。

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