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硅整流发电机的电压调节和励磁方式 |
摘要：硅整流发电机是柴油机上的重要电源，它与发电机调节器互相配合工作，在发电机正常工作转速范围内，柴油机的用电设备，主要是靠发电机供电，而且蓄电池存电不足时，发电机还给蓄电池充电。传统的整流子换向直流发电机已经不能适应现代柴油机发展要求而逐渐被硅整流发电机取代，目前主要有硅整流发电机、感应子式(无刷)发电机等，其中以硅整流发电机应用最为普遍。康明斯公司在本文中主要讲述了硅整流发电机的原理、励磁方式和结构，以及其输出与输入接线方法。
一、硅整流发电机原理和励磁方式
1、硅整流发电机原理
硅整流发电机是三相交流同步硅整流发电机，其磁极为旋转式。其励磁方式是：在启动和低转速时，由于硅整流发电机电压低于蓄电池电压，硅整流发电机是他励的（由蓄电池供电）；高转速时，硅整流发电机电压高于蓄电池充电电压，硅整流发电机是自励的。
（2）当转子磁极在定子内旋转时，转子的N极和s极在定子内交替通过，使定子绕组切割磁力线而产生交流感应电动势。三相绕组所产生的交流电动势相位差为120°，所发出的三相交流电经六只二极管三相全波整流后，即可在硅整流发电机正负接线柱之间获得直流电。
（3）当励磁绕组接通直流电时即被励磁， 一块爪极形成 N 极，另 一块爪极形成 S 极，两块爪极相互交错形成 6 对磁极。转子旋转 时， 励磁绕组所产生的磁场也随之旋转， 形成旋转磁场， 它与固 定不动的定子绕组之间产生相对动， 使三相定子绕组中产生三个 频率相同、幅值相等、相位相差 120°电角度的正弦电动势 eA、 eB 和 eC ，其顺时值分另为：
eA=Emsinωt=√2Esin ωt
eB=Emsin(ωt-120°)=√2Esin(ωt-120°)
由此可知， 硅整流发电机每相绕组中产生的电动势的有效值与 硅整流发电机的转速和磁场的磁通量成正比。三相交流电动势是对称的， 当外接负载时，三相交流电压 UA、UB 和 UC 也是对称的。
2、硅整流发电机的输出特性（负载特性）
当保持硅整流发电机的输出电压一定时（对12v硅整流发电机规定为14v，对24v硅整流发电机规定为28v），调整其输出电流与转速，就可得到输出特性曲线，当转速达到一定值后，硅整流发电机的输出电流不再继续上升，而趋于某一固定值，此值称为限流值或最大输出电流值。所以硅整流发电机有一种自身限制电流的性能，这是硅整流发电机最重要的特性。
3、硅整流器的原理
硅整流器是利用硅二极管的单向导电性， 将交流电转换为直流电。在硅整流发电机中， 六只硅二极管连接成三相桥式全波整流电路。
三个正极管子 D1、D3 和 D6 的正极连接在一起， 负极分另接 在三相绕组的首端。根据导通原则， 连接在一起的几个二极管中， 正极电位最高的二极管总是优先导通， 即在某一时间内， 只有正 极电位最高或负极电位最低的管子才能导通。
在 t=0 时， UA=0，UC 为正值， UB 为负值， D1、D3 和 D5 负 极电位相同，而 A、B、C 三点中 C 点电位最高， D5 优先导通， 使 3 个正极管子负极的电位等于 C 点电位，这时 D1、D3 因承受 反向电压而截止。而 D2、D4 和 D5 的正极电位相同， A、B、C 三 点中 B 点电位最低， D4 优先导通，使三个负极管了的正极电位 等于 B 点电位，这时 D2 和 D6 承受反向电压而截止。这样 C、B 两点之间的线电压的瞬时值加在负截 RL 上。
4、 硅整流发电机的励磁方式
硅整流发电机开始发电时采取它励方式进行， 即由蓄电池供 给励磁电流。当硅整流发电机电压达到蓄电池电压时转为自励， 即由发电机自身供给励磁电流。
在硅整流发电机中， 转子的爪极有一定的剩磁， 当转子以一 定的转速旋转时， 在三相绕组中产生感应电动势， 经整流器整流后通过电刷和滑环加到励磁绕组上， 励磁绕组有电流通过， 使磁场加强， 三相绕组中的感应电动势进一步提高， 促使磁场进一步 增强， 如此反复， 使硅整流发电机电动势逐渐升高。上述问题存 在的问题是，当加在硅二极管上的正向电压小于其死区电压时 (约 0.6V 左右)，二极管处于截止状不导通，由于硅整流发电机剩磁 较弱， 所以硅整流发电机在低速运转时， 不能建立电压， 而只有在较高 转速时(n＞1200r/min) ，硅整流发电机的电压才能很快上升， 完成自 励过程。
为了克服硅速流硅整流发电机在低速时， 不能建立电压的缺点， 在 硅整流发电机转速较低、硅整流发电机的端电压低于蓄电池端电压时， 由蓄电 池向硅整流发电机供给励磁电流(即他励) ，使硅整流发电机在较强的磁场下 很快地建立起电压。这就使硅整流发电机的低速充电性能较好。
当硅整流发电机的端电压大于蓄电池电压时， 由于硅整流发电机是与蓄电 池并联供电的， 因此， 就自动地转为由硅整流发电机输出的电压向用电设备供电，同时还向自身的励磁绕组供给励磁电流。
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硅整流发电机原理图 |
硅整流发电机接线图 |
二、硅整流发电机结构组成
硅整流发电机主要由定子、转子、整流器和机壳等部分组成。
1、转子
硅整流发电机的转子作用是产生旋转磁场，它主要由两块爪极、磁场绕组、滑环和轴等组成，外观模拟图如图3、图4所示。两块爪极压装在转子轴上，爪极空腔内装有磁场绕组和磁轭，从而形成六个鸟嘴形磁极。磁场绕组引出线分别焊在与轴绝缘的两个滑环上，滑环压装在转子轴上并与轴绝缘。当两滑环通入直流电时，有电流通过磁场绕组，并产生轴向磁通，使爪极一块被磁化为N极，另一块被磁化为S极，从而形成六对相互交错的磁极。当转子转动时，就形成了旋转磁场。
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图3 转子3D侧面模拟图 |
图4 转子3D斜视模拟图 |
2、定子
硅整流发电机的定子又叫电枢，由铁芯和定子绕组组成，如图5所示。定子铁芯由内圆带槽的硅钢片叠成，定子三相绕组采用Y型接法或星形接法，并嵌放在铁芯槽中，如图6所示。三相绕组引出线与整流器相连。
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图5 硅整流发电机定子结构 |
图6 发电机定子线圈绕法 |
3、整流器
硅整流发电机的整流器将发电机发出的交流电转变成直流电，从而供柴油机使用和向蓄电池充电。它由六只接成三相桥式全波整流电路的二极管组成。
4、机壳
机壳是由轻便、散热性好的非导磁材料铝合金制成。二极管和电刷架都在端盖内。
三、发电机输出和输入接线方式
硅整流发电机的接线方法主要包括输出端的接线和输入电源的接线。
1、输出端接线方法
硅整流发电机的输出端一般有两种接线方法：单相接线和三相接线。
（1）单相接线方法
将发电机的输出端分别接到单相负载的两个端子上。其中一个端子连接到发电机的一个输出线圈，另一个端子连接到另一个输出线圈。这种接线方法适用于单相负载较小的情况。
（2）三相接线方法
将发电机的输出端分别接到三相负载的三个端子上。其中一个端子连接到发电机的一个输出线圈，另外两个端子分别连接到另外两个输出线圈。这种接线方法适用于三相负载的情况。
2、输入电源的接线方法
硅整流发电机的输入电源一般为交流电源，接线方法主要分为两种：单相接线和三相接线。
（1）单相接线方法
将输入电源的一个相线连接到发电机的一个端子上，另外一个相线连接到发电机的另一个端子上，接地线连接到发电机的接地端子上。
（2）三相接线方法
将输入电源的三个相线分别连接到发电机的三个端子上，接地线连接到发电机的接地端子上。
需要注意的是，在接线时要确保接线牢固，接触良好，避免因接线不良造成电流过大导致安全事故。
总结：
硅整流发电机由柴油发动机带动，转速随柴油机的转速在一个很大的范围内变动。硅整流发电机的转速高，其发出的电压高；转速低，其发出的电压也低，为了保持硅整流发电机的端电压的基本稳定，必须设置电压调节器。电压调节器安装时必须垂直，其接线柱向下，以达到防滴作用。使用时应注意要与相应型号的充电硅整流发电机配合使用。接线应正确可靠，绝缘应完好，否则可能导致电压调节器烧坏。一般情况下，不要随便打开调节器盖，如有故障应由专业人员检修。
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