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。
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