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性能特点和作用说明 |
硅整流发电机的工作原理与特性 |
摘要：硅整流发电机是一种利用硅整流装置将交流电转换为直流电的电机，它在柴油发电机的启动系统中起着为蓄电池充电的作用，还可以将交流电转换为直流电供各种设备使用。康明斯公司在本文中对硅整流发电机的工作原理、整流原理、基本结构，以及性能特点和输出特性进行了详细介绍。
一、硅整流发电机工作原理
硅整流发电机中的励磁系统用于产生磁场，使得发电机能够产生电流。励磁系统一般由励磁电源、励磁电阻和励磁绕组组成。当励磁电源加电后，通过调节励磁电阻的大小可以控制励磁电流的大小，进而控制发电机的输出电流。
1．发电原理
硅整流发电机工作原理如图1所示。当硅整流发电机转子总成由发动机通过传动带驱动旋转时，由于磁场绕组中有电流通过，产生了磁场，使转子轴上的两块爪形磁极磁化，一块为N极，一块为S极。当转子旋转时，磁极交替地在定子铁心间穿过，形成一个旋转的磁场，它与固定不动的三相定子绕组之间产生相对运动，三相定子绕组中产生了三相交流电动势，各相电动势的频率相同、幅值相等、相位互差1200（电角度）。转子磁极呈鸟嘴形，可使三相定子绕组感应的电动势近似于正弦曲线的波形。交流硅整流发电机每相绕组的电动势有效值E 与硅整流发电机结构常数 、转子转速及磁极磁通必成正比。
2．励磁方式
硅整流发电机励磁电路图如图2所示。硅整流发电机在不接外电源时，本身也能自励（即磁场电流由硅整流发电机自己供给）发电，由于硅整流发电机磁极尺寸小，保留的剩磁很弱，因此在低速时，仅靠剩磁产生的电动势（小于0.6V ）并不能使二极管导通，硅整流发电机也就不能自励发电。
硅整流发电机低速不能自励发电，也就不能及时给蓄电池充电。为了克服这一缺点，在硅整流发电机低速运转、硅整流发电机电压低于蓄电池电压时，采用他励方式，使硅整流发电机具有较强的磁场，从而使硅整流发电机电压迅速升高。从而实现低速便可向蓄电池充电的目的。
当点火开关S 接通时，蓄电他便通过调节器向硅整流发电机励磁绕组提供励徽电流，硅整流发电机他励发电，输出电压随硅整流发电机转速升高而升高。当硅整流发电机愉出电压略高于蓄电他电压时，硅整流发电机向蓄电池充电，同时励磁电流便由硅整流发电机自己提供，硅整流发电机由他励发电转为自励发电。
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图1 硅整流发电机工作原理示意图 |
图2 硅整流发电机励磁电路示意图 |
二、整流原理
硅整流发电机由硅整流装置、励磁系统、转子、定子等主要组成部分构成。其中，硅整流装置是实现交流到直流转换的关键部分，它由硅整流单元组成，每个硅整流单元包括一个可控硅和一个反并联二极管。
1．三相桥式整流器工作原理
三相桥式全波整流电路如图3所示，其工作过程如下：
（1）三个正极二极管VD1、VD2、VD3的负极（外壳）通过元件板连接在一起，它们的正极剧分别与三相绕组的首端相联。这三只管的导通条件是在某一瞬间，哪一相的电压最高（相对其他两相而言），则该相的二极管导通。
（2）三个负极二极管VD4、VD5、VD6的负极也与三相绷组的首端相联，其正极（外壳）通过元件板或端盖连接在一起。这三支管的导通条件是在某一瞬间，哪一相的电位最低（相对其他两相而言），则该相的二极管导通。
在硅整流发电机运转过程的每一个时间区间，总是一相电压最高，一相电位最低，整流器的六只整流二极管中，始终保持有两个管子导通（一个正极管、一个负极管），负载R两端得到的是两相间的线电压。这样依此类推，循环反复，六只二极管中两只两只轮流导通，在R上得到一个较平稳的脉动直流电压，每个周期内有六个波形。
在三相桥式整流电路中，由于交流电每个周期内，每只二极管只有三分之一时间导通，所以流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的1/3。
2．八管机的中性点二极管工作原理
八管整流电路如图4所示。从三相星形绕组中性点引出的接线柱叫中性点接线柱（记为“N”）其输出电压为三相桥式整流器输出电压的一半。随着硅整流发电机转速升高，定子绕组中性点的三次谐波电压也升高。硅整流发电机高速时，中性点电压的最高瞬时值高于输出电压（平均电压为14V），最低瞬时值低于搭铁电位，这时利用中性点电压就可向外输出电流，从而提高硅整流发电机的输出功率。
试验表明，在不改动硅整流发电机结构的情况下，加装中性点二极管，当硅整流发电机转速超过2000r/min时，其输出功率与额定功率相比，可以提高10%~15%。
（1）当中性点电压瞬时值高于输出电压（平均值）时，从中性点输出的电流如图6所示，其电路为定子绕组一中性点二极管VD7→负载（包括蓄电池）→负极管→定子绕组。
（2）当中性点电压瞬时值低于搭铁电位时，流过中性点二极管VD8的电流路径为：定子绕组→正极管→“B”接柱→负载（包括蓄电池）→中性点二极管VD8→定子绕组。
3．九管机的励磁二极管工作原理
九管机的励磁二极管能输出与硅整流发电机电枢接线柱B相等的电压，电路如图5所示。它既能供给硅整流发电机励磁电流，还能控制充电指示灯，其工作情况如下：
（1）接通点火开关SW，蓄电他电流便经点火开关SW，充电指示灯一调节器，硅整流发电机励磁绕组一搭铁构成回路。此时充电指示灯发亮，指示励磁电流接通并由蓄电池供电。
（2）在发动机起动后，随着硅整流发电机转速升高，硅整流发电机D＋端电压随之升离，充电指示灯两端的电位差降低，指示灯亮度减弱，当硅整流发电机电压升高到蓄电池充电电压时，硅整流发电机B、D＋端电位相等，此时充电指示灯两端电位差降低到零，指示灯熄灭，指示硅整流发电机已正常工作，励磁电流由硅整流发电机自身经励磁二极管VD7、VD8、VD9整流后供给。
（3）当硅整流发电机转速降低时，D＋端电位降低，指示灯两端电位差增大，指示灯又发亮，指示蓄电池放电。
（4）当硅整流发电机高速运转充电系统发生故障而导致硅整流发电机不发电时，由于D＋端无电压输出，因此充电指示灯两端电位差增大，指示灯发亮。
4．十一管硅整流发电机整流器
十一管硅整流发电机的整流器总成由六只整流二极、三只磁场二极管和两只中性点二极管组成，其电路如图6所示。十一管硅整流发电机兼有整流二极管、磁场二极管以及中性点二极管的特点和功能。
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图3 三相桥式全控整流电路图 |
八管硅整流发电机电路示意图 |
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图5 九管硅整流发电机电路图 |
图6 十一管硅整流发电机电路图 |
三、硅整流发电机的输出特性及优点
1．硅整流发电机输出特性
硅整流发电机输出特性是指硅整流发电机端电压维持在试验电压时，输出电流随转速变化的关系。
① 当硅整流发电机转速低，其端电压低于蓄电池电压时，硅整流发电机不能向外供电，只能他励发电，当转速达到空载转速（充电指示灯指示充电开始时的硅整流发电机转速）时，硅整流发电机开始自励发电。
② 当硅整流发电机转速大于零电流转速（硅整流发电机电压达到规定的试脸电压而尚无电流输出时的转速称为零电流转速）时，硅整流发电机才有能力在试验电压下向外供电，输出电流将随转速的升高和电阻的减小而增大；当转速等于额定转速时，硅整流发电机输出额定电流。
额定电流值是由硅整流发电机制造厂规定的，并标示在硅整流发电机铭牌上和使用说明书中。额定转速是反映硅整流发电机性能好坏的重要指标，在使用过程中，应定期对硅整流发电机进行检测，若硅整流发电机在试验电压和额定转速时，其输出电流达不到额定电流值，则说明硅整流发电机有故障。
③ 硅整流发电机在试验电压和最高连续转速时的输出电流称为最大电流。硅整流发电机的输出电流达到最大电流后，便不再随转速的升高和负载电阻的减小面增大，这说明硅整流发电机具有自身最大输出电流的能力。
2．硅整流发电机的优点
（1）高效率：硅整流装置具有低功率损耗和高整流效率，其转换效率可以达到95%以上；
（2）功率稳定：硅整流发电机具有良好的功率稳定性，输出电压波动小；
（3）响应速度快：硅整流装置的开关速度较快，能够快速响应负载变化；
（4）维护成本低：硅整流发电机的组成部分相对简单，维护成本较低；
（5）使用寿命长：硅整流发电机的工作可靠性高，使用寿命长。
总结：
硅整流发电机通过硅整流装置将交流电转换为直流电，广泛应用于柴油发电机组中。它由硅整流装置、励磁系统、转子、定子等组成，通过控制硅整流单元的开关状态实现电能转换。硅整流发电机具有高效率、功率稳定、响应速度快、维护成本低和使用寿命长等特点。它的工作原理及特点对于我们深入了解硅整流发电机的应用和优势具有重要意义。
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