发电机工作原理卡片4.docx

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发电机工作原理卡片4

2.2.2交流发电机的基工作原理

1、发电原理

工作原理所示。

三相定子绕组规律分布定子槽中，彼此相差120o电角度。

三相绕组的末端连在一起，成星形连接。

当外加直流电压作用在磁场绕组两端点“F”和“-”之间时，磁场绕组中便有电流通过，产生磁场。

转子由发动机带动旋转时，磁场绕组所产生的磁场也随之转到，形成旋转磁场，固定不动的定子绕组与旋转磁场产生相对运动，在三相绕组中产生频率相同、幅值相等、相位相差120o电角度的三相正弦交流电动势。

各相绕组的起端与末端之间的电压称相电压，用U相表示；端线与端线之间的电压称线电压，用U线。

U线=

U相

中性点：

通过负管整流（即半波整流）的到直流电压。

用来控制继电器、指示灯，电压等于发电机输出电压的一半。

2、整流原理

二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。

交流发电机定子绕组产生的交流电，通过硅整流二极管组成的整流电路转变为直流电。

六只硅整流二极管组成的三相全波桥式整流电路如图。

（1）二极管的导通原则

VD1、VD3、VD5为正二极管，其正极分别接在发电机三相绕组的首端，负极连接在一起，在某一瞬间，正极电位最高者导通；

VD2、VD4、VD6为负极管子，其负极分别接在发电机三相绕组的首端，正极连接在一起，某一瞬间负极电位最低者导通。

（2）整流过程：

1）t＝0时，uA＝0，uB为负值，uC为正值，二极管VD5、VD4获得正向电压而导通，电流由C相流出→VD5→RL→VD4→B相→C相，形成电流回路；

2）t1～t2时间内，A相电压最高，B相电压最低，VD1、VD4管获得正向电压而导通，A、B相之间的线电压加在负载RL上，形成电流回路；

3）t2～t3时间内，A相电压最高，C相电压最低，VD1、VD6管获得正向电压而导通，A、C相之间的线电压加在负载RL上，形成电流回路；

4）t3～t4时间内，B相电压最高，C相电压最低，VD3、VD6管获得正向电压而导通，B、C相之间的线电压加在负载RL上，形成电流回路；

依此循环导通，每一时刻都有一只正管和一只负管同时导通，在负载两端可得到一个平稳的直流脉动电压。

3、自励过程和励磁方式

图1-59交流发电机的励磁电路

（1）原因：

硅整流发电机磁极尺寸小，剩磁少，低速运转时，依靠自身磁场中的剩磁一般难以建立输出电压。

交流发电机在输出电压建立前后，分别采用他励和自励两种励磁方式。

（2）概念：

由蓄电池向发电机提供励磁电流的励磁方式称为他励；

由发电机向自身的磁场绕组供电的励磁方式称为自励。

硅整流发电机由于开始转速低，需先他励后自励。

（3）励磁电路：

1）他励：

当点火开关S接通时，励磁电路：

蓄电池“+”→点火开关S→电压调节器→“F”接线柱→磁场绕组→蓄电池“E”构成回路。

2）自励：

当发电机电压高于蓄电池电压时，励磁电路为发电机定子绕组→正极二极管→“B”接线柱→点火开关S→电压调节器→“F”接线柱→磁场绕组→发电机“E”端→负极二极管→定子绕组构成回路。

2.2.3交流发电机的特性

交流发电机的工作特性：

是指发电机经整流后输出的直流电压U、电流I和转速n之间的关系，包括空载特性、输出特性和外特性。

1、输出特性

输出特性也称负载特性或输出电流特性。

（1）

定义：

当发电机输出电压一定时，输出电流I与发电机转速n之间的关系，称为发电机的输出特性。

n1为发电机空载转速：

表示发电机电压达到额定值的转速。

端电压保持不变，即标称电压12V充电系统，发电机保持额定电压14V；标称电压24V充电系统，发电机保持额定电压28V。

当发电机转速n＞n1时，其输出电流随着转速增加而逐渐增大；

当发电机转速n＜n1时，因发电机端电压低于额定值，不能向外输送电流，只能由蓄电池供电，故称n1为空载转速。

n2为满载转速，表示发电机达到额定功率（或电流）时的转速，发电机额定电流一般规定为最大电流的70％-75％。

（2）结论：

由输出特性可知：

1）交流发电机只需较低的空载转速，就可达到额定的输出电压，说明其交流发电机低速充电性能好。

2）当转速达到一定值后，发电机的输出电流不再随转速的升高和负载的减小而增大。

这说明硅整流发电机具有限制最大输出电流的作用，可避免用电设备过多、用电量过大造成发电机因过载而损坏的危险。

空载转速和满载转速是表示发电机的性能的重要指标，在产品说明书中均有规定。

使用中，只要测得这两个数据与说明书数据比较，即可判断发电机性能好坏。

2、空载特性

（1）定义：

空载特性是指发电机空载运行时，发电机端电压U和转速n之间的关系。

（2）结论：

随转数的升高，端电上升较快，由他励方式转入自励方式，即能向蓄电池补充充电。

空载特性可以判断发电机低速充电性能是否良好的重要依据。

3、外特性

定义：

外特性是指发电机转速一定时，发电机端电压U与输出电流I之间的关系。

结论：

1）发电机的转速越高，端电压越高，输出的电流越大。

但当转速保持恒定，输出电流增加时（即负载增加），发电机端电压有较大幅度的下降。

因此，要使输出电压稳定，必须配备电压调节器。

2）发电机高速运转时，如果突然失去负载，端电压会急剧升高，电气设备中的电子元件将有击穿的危险。

因此，应尽量避免外电路短路现象的发生。

3）特性曲线的折点说明，当输出电流增大到一定值，如负载再增加，输出电流不仅不会增加反而会同端电压一起下降。

2.3新型交流发电机的结构特点

2.3.1八管交流发电机

带中性点输出的交流发电机。

1、中性点输出电压分析

1）中性点抽头

将三相绕组的中性点用导线引出，称为中性点抽头，其接线柱的标记为“N”，输出电压用ＵＮ表示。

由于ＵＮ是通过三个搭铁的负极管子整流后得到的直流电压，即三相半波整流电压，UN=½U，用来控制继电器，如磁场继电器、充电指示灯继电器等。

2）中性点整流输出

中性点N具有直流电压（等于发电机直流输出电压的一半），还包含有交流电压成分。

原因：

发电机空载时，鸟嘴型磁极使磁场分布近似为正玹曲线，从而三相感应电动势接近正弦波。

由于电枢反应的强弱、漏磁、等因素，会使发电机内的磁通变为非正弦分布，从而造成输出电压波畸变（所以有交流电压成分）。

当发电机转速升高到一定程度时（超过2000r／min），交流分量的最高瞬时值有可能超过发电机的直流输出电压UB（14V），最低瞬时值则可能低于搭铁电压

（0V）。

交流分量中高于发电机直流输出电压UB和低于0V时便有可能对外输出。

因此，可在中性点和发电机的“B+”端以及与搭铁端“E”之间分别增加1只整流二极管，这2只二极管称为中性点整流二极管。

如图所示

2、八管交流发电机提高输出功率的原理

工作原理：

1）当中性点的瞬时电压高于发电机的输出电压UB时，二极管VD7导通，电流经VD7→负载→3只负极管子中的1只后经某一相绕组形成回路。

2）当中性点的瞬时电压低于0V时，二极管VD8导通，电流则从某一相流出，经该相的正极管→负载→搭铁→VD8，回到中性点而形成回路。

由此可见：

增加中性点二极管整流输出后，发电机在高速超过2000r/min时，其输出功率与额定功率相比，可增加10～15%。

2.3.2九管交流发电机

1、九管交流发电机的结构特点

在六管发电机的基础上，增加三个功率较小的正二极管，专门用来供给磁场电流，所以又称励磁二极管。

带励磁二极管的交流发电机的基本电路如图所示。

2.工作过程

当发电机处于自励状态时，三相绕组的电流分两路输出，一路作为输出电流通过6只二极管组成的三相全波桥式整流电路通过接线端子“B+”对外输出；另一路通过3只励磁二极管（正二极管）和3只整流负二极管组成的励磁整流电路，作为励磁电流通过接线端子“D+”电压调节器→磁场绕组→搭铁→3只负二极管中的一只经某一相绕组构成回路，向磁场绕组提供励磁电流。

接线端子“D+”同时接充电指示灯。

发动机起动时，点火开关闭合，发电机为他励方式工作，励磁电流经电池“+”→点火开关S→充电指示灯→电压调节器→磁场绕组→电池搭铁构成回路，充电指示灯点亮；发动机正常运转时，接线端子“D+”输出14V电压作用在指示灯的一侧，同时从“B+”输出的相等的电压作用在指示灯的另一侧，因而充电指示灯熄灭。

若发电机不工作或工作不良，充电指示灯经电压调节器、磁场绕组形成闭合回路，充电指示灯点亮，表明有电池供电发电机存在故障。

励磁二极管供给发电机励磁电流，可省去继电器，用简单的指示灯反应交流发电机是否工作正常。

2..3.3十一管交流发电机

带励磁二极管和中性点整流输出的交流发电机。

电路如图1-65示。

VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6六只整流二极管组成全波桥式整流电路，VD10、VD11组成中性点整流输出电路，VD2、VD4、VD6三只负二极管和VD1、VD3、VD5三只正二极管构成励磁整流电路。

该种形式的发电机广泛应用在一汽大众、上海大众生产的各种轿车上。

2.3.4无刷交流发电机

结构简单、减少故障，提高了发电机的工作可靠性和使用寿命，维修保养方便。

无刷交流发电机有爪极式、感应子式。

以爪极式无刷交流发电机为例。

因时间关系，安排在实训课讲解。

（1）结构特点：

爪极式无刷交流发电机磁场绕组不装在转子上，而是装在后端盖上。

磁场绕组不随转子转到，因此激磁电流可以直接从发电机壳体上引入，因此省去滑环和电刷。

由图1-54爪极式无刷交流发电机结构图知，

磁场绕组4通过托架3固定在后端盖上。

两爪极中有一侧爪极9直接固定在发电机的转子轴上，而另一爪极5则用非导磁材料与爪极9焊接成一体。

当转子轴旋转时，两侧连成一个整体在定子内转动。

磁场绕组中有电流通过时，其磁路为：

左侧爪极5的磁极N→主气隙（爪极与定子之间）→定子铁芯7→主气隙→右侧爪极9的磁极S→转子磁轭2→附加气隙（转子磁轭与托架之间）→托架→附加气隙（托架与爪极之间）→左边爪极。

转子旋转时，爪极形成的N极和S极的磁力线在定子绕组内交替通过，定子槽中的三相绕组就感应出交变电动势，在回路中形成三相交流电，经整流后变为直流电。

其缺点是两块爪极间的连接工艺复杂，由于增加了附加气隙，磁路阻力较大，若输出相同功率，其磁场绕组的励磁功率必须加大，即通过增大激磁电流或增加磁场线圈的匝数的方法来保证。

2、永磁式交流发电机

永磁式交流发电机是用永久磁铁作为转子磁极，旋转时产生旋转磁场的。

它不仅去掉了电刷和滑环，而且不需要磁场绕组和爪极，因此，这种发电机的特点是体积减小，质量减轻，而且没有磁损耗，结构更加简单，故障少，使用寿命长。

这种发电机除转子外，其他部分的结构与普通交流发电机相同。

由于转子采用永磁结构，工作时所产生的旋转磁通是不可调的，所以在定子绕组中产生的三相交流感应电动势将随发电机转速变化。

因此，为了保证该发电机在不同转速下输出电压的稳定，采用电压调节器和三相半控桥式整流电路。

2.3.5带泵交流发电机

带真空泵式硅整流发电机结构如图。

把发电机的轴与真空泵的轴联成一个整体。

真空泵为叶片转子式，真空泵的吸气口通过软管连接汽车液压制动系统的真空助力器上，其作用时吸出真空筒内的空气，使其变为真空。

发电机转动时，真空泵按图示方向转动，由于各叶片间的空间变化，就能把空气由进气吸口送到排气吸口，将与进气口联通的真空助力器的真空筒抽成真空。

真空泵的润滑是由泵盖的给油口供给的，来自发动机润滑系的一部分润滑油进入泵内，循环到各个运动部件，最后随空气从排气口排到发动机油底壳中。