硅整流發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)器
一、電壓調(diào)節(jié)器的作用
交流發(fā)電機(jī)必須配有電壓調(diào)節(jié)器與之配合工作。這是因?yàn)榻涣靼l(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)一定及磁場強(qiáng)度不變的條件下，其輸出電壓大小與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，而發(fā)電機(jī)由發(fā)動(dòng)帶動(dòng)，其轉(zhuǎn)速則是由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速所決定。汽車正常行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍很大，這勢必對發(fā)電機(jī)輸出電壓的大小有很大影響，為使發(fā)電機(jī)電壓在不同的轉(zhuǎn)速下均能保持一定，且能隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)，使電壓值保持在某一特定范圍，就必須裝置電壓調(diào)節(jié)器。而它的正常工作，對保證整個(gè)汽車電氣系統(tǒng)的正常工作和對延長汽車電氣設(shè)備的使用壽命關(guān)系極大，其輸出電壓（或充電電壓）對蓄電池的使用壽命也影響很大。
二、機(jī)械觸點(diǎn)式電壓調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)及工作原理
汽車在運(yùn)行過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍很大，由于發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)比是固定的，所以發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速將隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，發(fā)電機(jī)的端電壓也將隨發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化而在很大范圍內(nèi)變化。發(fā)電機(jī)對用電設(shè)備供電和向蓄電池充電，都要求其電壓穩(wěn)定，因此必須對發(fā)電機(jī)的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之保持在某一數(shù)值基本不變。
由于發(fā)電機(jī)的輸出電壓U=Cnφ，對于某一臺發(fā)電機(jī)來說，c是常數(shù)。在工作過程中，轉(zhuǎn)速n是不斷變化的，要使發(fā)電機(jī)端電壓保持恒定，可以通過改變磁通φ的大小來進(jìn)行調(diào)節(jié)，而磁通變的大小是由勵(lì)磁電流來決定的。因此，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n升高時(shí)，可以減小勵(lì)磁電流使用權(quán)磁通減小，保持發(fā)電機(jī)的輸出電壓不變；反之，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，增大勵(lì)磁電流，因此電壓調(diào)節(jié)器的作用就是在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，自動(dòng)改變勵(lì)磁電流的大小，使發(fā)電機(jī)輸出電壓保持不變。
電壓調(diào)節(jié)器分為觸點(diǎn)式和電子式2類，觸點(diǎn)式又有雙級式和單級之分。
1．雙級式（FT61型）電壓調(diào)節(jié)器構(gòu)造及工作原理
由于硅整流交流發(fā)電機(jī)的定子繞組具有一定的感抗，使發(fā)電機(jī)輸出電流能自動(dòng)地得到限制，因而不需另加節(jié)流器。同時(shí)，因硅二極管具有單相導(dǎo)電性，而沒有逆流，可以阻止蓄電池的電流倒流入發(fā)電機(jī)，所以也無需另加斷流器。但發(fā)電機(jī)的電壓，則是隨著轉(zhuǎn)速的增高而升高的，必須有節(jié)壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以在硅整流發(fā)電機(jī)上配備的調(diào)節(jié)器，只是1組節(jié)壓器。
有的硅整流發(fā)電機(jī)上（如汽車上所裝配的24V硅整流發(fā)電機(jī)）配備著FT62型調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器只是將原來三聯(lián)調(diào)節(jié)器中的1組節(jié)壓器抽出使用權(quán)用，而它的構(gòu)造以及工作原理與節(jié)壓器基本相同。以FT61型調(diào)節(jié)器為例，對其構(gòu)造及工作情況進(jìn)行說明。
FT61型調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)：調(diào)節(jié)器的磁軛與鐵心鉚固在一起，鐵心上繞有磁化線圈，動(dòng)鐵的左端上、下各有一片觸點(diǎn)（稱為活動(dòng)觸點(diǎn)），活動(dòng)觸點(diǎn)與低速觸點(diǎn)支架的觸點(diǎn)組成了低速觸點(diǎn)K-1，與搭的觸點(diǎn)組成了高速觸點(diǎn)K-2，動(dòng)鐵的另一端用彈簧拉緊，使K-1為常閉觸點(diǎn)，K-2為常開觸點(diǎn)。調(diào)節(jié)器上有加速電阻R-1、附加電阻R-2和溫度補(bǔ)償電阻R-3。FT61型雙級觸點(diǎn)式調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)及電路連接情況如圖1所示。
雙級觸點(diǎn)調(diào)節(jié)器平時(shí)靠彈簧的拉力，使上面的一對觸點(diǎn)保持在閉合狀態(tài)（如圖2所示）。其它構(gòu)造如鐵芯線圈，加速電阻R-1、磁場附加電阻R-2、線圈附加電阻R-3（主要起溫度補(bǔ)償作用），基本上與單級節(jié)壓器相同。
FT61型調(diào)節(jié)器與硅整流發(fā)電機(jī)的接線方法如圖3所示。調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)的內(nèi)部經(jīng)路及用電部分線路如圖4所示。工作情況如下：
1） 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速很低（發(fā)電機(jī)電壓低于蓄電池電壓）時(shí)，由于轉(zhuǎn)子磁極保持剩磁能力較差，磁場繞組應(yīng)先由蓄電池進(jìn)行激磁。因此，只要點(diǎn)火開關(guān)接通，激磁電路接通。而且在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，只要發(fā)電機(jī)的電壓低于蓄電池的電壓，磁場繞組的電流都由蓄電池供給。其電路為：蓄電池正極→電流表→點(diǎn)火開關(guān)→調(diào)節(jié)器火線接柱→觸點(diǎn)①和支架→調(diào)節(jié)器磁場接柱→發(fā)電機(jī)磁場接柱→磁場繞組→“接鐵”接柱→蓄電池負(fù)極。
這時(shí)因激磁電流較強(qiáng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)即能建壓，而且其電壓將隨著轉(zhuǎn)速的增高而很快升高。發(fā)電機(jī)電壓低于蓄電池的電壓時(shí)，用電部分由蓄電池供電。其電路為：蓄電池正極→電流表→用電設(shè)備→接鐵→蓄電池負(fù)極。
2） 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，可分2種情況；
a．發(fā)電機(jī)電壓高于蓄電池電壓（但還未超過限額電壓）時(shí)，發(fā)電機(jī)磁場繞組→硅二極管和元件板→“電樞”接柱→點(diǎn)火開關(guān)→調(diào)節(jié)器火線接柱→觸點(diǎn)①和支架→調(diào)節(jié)器磁場接柱→發(fā)電機(jī)磁場接柱→磁場繞組→“接鐵”接柱→后端蓋、硅二極管→定子繞組。
此時(shí)調(diào)節(jié)器鐵芯線圈的電流也由發(fā)電機(jī)供給。其電路為：發(fā)電機(jī)定子繞組-硅二極管和元件板→“電樞”接柱→點(diǎn)火開關(guān)→調(diào)節(jié)器火線接柱→加速電阻R-1→鐵芯線圈和線圈附加電阻R-3→接鐵→后端蓋、硅二極管→定子繞組。
由于調(diào)節(jié)器鐵芯線圈，通過電阻R-1與R-3和發(fā)電機(jī)“+”、“-”兩端并聯(lián)，承受著發(fā)電機(jī)的全部電壓，故調(diào)節(jié)器鐵芯線圈的電壓，將隨著電機(jī)電壓的變化而變化。當(dāng)發(fā)電機(jī)的電壓未超過限額時(shí)，鐵芯上的電磁吸力就不能克服活動(dòng)觸點(diǎn)臂彈簧的拉力，觸點(diǎn)①就保持在閉合狀態(tài)。發(fā)電機(jī)的電壓高于蓄電池電壓時(shí)，用電部分由發(fā)電機(jī)供電，并向蓄電池充電。
b．發(fā)電機(jī)的電壓超過限額時(shí)，調(diào)節(jié)器鐵芯的吸力增強(qiáng)，克服活動(dòng)觸點(diǎn)臂彈簧的拉力，使觸點(diǎn)①張開（注意：此時(shí)觸點(diǎn)②并未閉合），在磁場電路中便自動(dòng)地接入電阻R-1和R-2。此時(shí)磁場電路為：發(fā)電機(jī)定了繞組→硅二極管和元件板→電樞接柱→點(diǎn)火開關(guān)→調(diào)節(jié)器火線接柱→加速電阻R-1和附加電阻R-2→調(diào)節(jié)器“磁場”接柱→發(fā)電機(jī)“磁場”接柱→磁場繞組→“接鐵”接柱→后端蓋、硅二極管→定子繞組。
由于磁場電路中接入R-1、R-2，共計(jì)9.5Ω的電阻，使磁場電流減小，磁場削弱，發(fā)電機(jī)輸出電壓隨之下降。電壓降低后，通過鐵芯線圈的電流減小，當(dāng)電壓低于限額時(shí)，鐵芯吸力又小于彈簧的拉力，觸點(diǎn)①又重新閉合，磁場電流因不再經(jīng)過附加電阻，發(fā)電機(jī)輸出電壓又重新升高。當(dāng)電壓超過限額時(shí)，觸點(diǎn)①又被拉開，如此循環(huán)。此過程與單級觸點(diǎn)節(jié)壓器*一樣，即觸點(diǎn)①的不斷開閉，附加電阻交替在磁場電路中接入和隔開，使發(fā)電機(jī)輸出電壓在限額上下和微弱脈動(dòng)，保證了工作電壓基本恒定的要求。
發(fā)電機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)，第2級觸點(diǎn)參加工作。由于發(fā)電機(jī)的電壓繼續(xù)升高，調(diào)節(jié)器鐵芯吸力便繼續(xù)增強(qiáng)，把活動(dòng)觸點(diǎn)臂吸得更低，使觸點(diǎn)②閉合。此時(shí)，原來通過磁場繞組的電流，因觸點(diǎn)②閉合接鐵被短路，直接流回定子繞組，其電路為：發(fā)電機(jī)定子繞組→硅二極管和元件板→“電樞”接柱→點(diǎn)火開關(guān)→調(diào)節(jié)器火線接柱→加速電阻R-1和附加電阻R-2→支架、觸點(diǎn)②→接鐵-后端蓋、硅二極管→定子繞組。
由于磁場電路被短路，如圖5所示，當(dāng)觸點(diǎn)②閉合時(shí)，磁場繞組中不再通過電流，磁場則消失至只剩下少量殘磁、發(fā)電機(jī)電壓則很快下降。當(dāng)電壓下降時(shí)，調(diào)節(jié)器鐵芯吸力也減弱，活動(dòng)觸點(diǎn)臂在彈簧的拉力的作用下，又把觸點(diǎn)②斷開（活動(dòng)觸點(diǎn)保持在中間位置），使經(jīng)過R-1、R-2的磁場電路又被接通，電壓又隨之升高，超過限額后，觸點(diǎn)②又閉合，磁場繞組又被短路，這種過程重復(fù)下去，觸點(diǎn)②便不斷振動(dòng)，使發(fā)電機(jī)電壓不再隨轉(zhuǎn)速的升高在而增高。
通過上述可知，F(xiàn)T61型調(diào)節(jié)器是一組雙級觸點(diǎn)節(jié)壓器，它在發(fā)電機(jī)是民壓達(dá)到限額后的全部轉(zhuǎn)達(dá)速范圍內(nèi)兩面三刀對觸點(diǎn)配合工作。其工作過程是：在發(fā)電機(jī)低轉(zhuǎn)速或中等負(fù)荷的情況下，一般是觸點(diǎn)①工作，它是利用觸點(diǎn)①的不斷開閉，使附加電阻交替在磁場電路中接入和隔出的辦法來限制發(fā)電機(jī)的電壓，而在高轉(zhuǎn)速和小負(fù)荷或無負(fù)荷的情況下，般是觸點(diǎn)②工作，它是利用觸點(diǎn)②的不斷開閉，使磁場電路間斷被短路的辦法來限制發(fā)電機(jī)的電壓。從而保證了發(fā)電機(jī)電壓達(dá)到限額后的全部轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，用電設(shè)備恒定電壓的要求。
雙級觸點(diǎn)式電壓調(diào)節(jié)器，供發(fā)電機(jī)磁場用的附加電阻，比單級觸點(diǎn)式節(jié)壓器的附加電阻值要小得多，一般約為1/7~1/10。從前述節(jié)壓器的工作特性中已知，增加調(diào)節(jié)器的附加電阻值，是提高發(fā)電機(jī)工作的zui高轉(zhuǎn)速惟一有效的辦法，而附加電阻串聯(lián)在電機(jī)的磁場電路中，與觸點(diǎn)工聯(lián)，它的數(shù)值越大，在觸點(diǎn)長開時(shí)，磁場線圈中的自感電動(dòng)勢也就超大，致使觸點(diǎn)燒蝕。在電壓調(diào)節(jié)器中，附加電阻值是取大還是取小，這是相互矛盾的2個(gè)方面。為了滿足發(fā)電機(jī)能在較高的轉(zhuǎn)速下工作，同時(shí)又能減小觸點(diǎn)間的火花，便采用雙級觸點(diǎn)式電壓調(diào)節(jié)器。
雙級觸點(diǎn)式電壓調(diào)節(jié)器能提高發(fā)電機(jī)的zui高使用權(quán)用轉(zhuǎn)速，是因?yàn)楫?dāng)電壓調(diào)節(jié)器在第1對觸點(diǎn)工作時(shí)，由于附加電阻很小，地發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷升高的過程中，即使觸點(diǎn)①始終張開，附加電阻直接入磁場電路，發(fā)電機(jī)電壓合肥市會隨轉(zhuǎn)速的升高而升高，也就是說，限制不住發(fā)電機(jī)的電壓，所以電機(jī)的zui高使用轉(zhuǎn)速比單級觸點(diǎn)式調(diào)節(jié)器低許多。但這種調(diào)節(jié)器還有第2對觸點(diǎn)，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高到附加電阻所能控制的極限轉(zhuǎn)速時(shí)，第2對觸點(diǎn)就開始工作。第2對觸點(diǎn)由原來的張開轉(zhuǎn)為閉合時(shí)，發(fā)電機(jī)的磁場繞組由原來有激磁電流變?yōu)楸欢探樱炊搪罚＜ご烹娏鳑]有了，發(fā)電機(jī)就靠剩磁來產(chǎn)生電壓，剩磁很小，就相當(dāng)于附加電阻很大，所以調(diào)節(jié)器不能工作時(shí)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以提高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際發(fā)電機(jī)所能達(dá)到的zui高轉(zhuǎn)速。
雙級觸點(diǎn)式電壓調(diào)節(jié)器能減小觸點(diǎn)間的火花，是因?yàn)楫?dāng)?shù)?對觸點(diǎn)由閉合轉(zhuǎn)為長開狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)磁場電路串入電阻R-1、R-2，激磁電流減小。但由于附加電阻很?。ü?.5Ω），激磁電流減小得不多，就是說電流的變化率不大，因而在觸點(diǎn)張開的瞬間，磁場繞組產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢大大減小。同時(shí)部分自磁場繞組產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢大大減小。同時(shí)部分自感電流勢對電阻R-1、R-2放電。作用在觸點(diǎn)上的自感電動(dòng)勢和自感電流更相應(yīng)減小，因而減弱了火花，起到了保護(hù)第1對觸點(diǎn)的作用。
當(dāng)?shù)?對觸點(diǎn)工作時(shí)，觸點(diǎn)由張開轉(zhuǎn)為閉合，發(fā)電機(jī)磁場由原來通過電阻R-1、R-2供給的激磁電流變?yōu)槔@組被短路，激磁電流要消失。這時(shí)，磁場繞組中將產(chǎn)生自感電動(dòng)勢，由于原來的激磁電流就很小，所以這個(gè)自感電動(dòng)勢也很小，這個(gè)很小的自感電動(dòng)勢并通過已閉合的第二對觸點(diǎn)放電。當(dāng)觸點(diǎn)再由閉合轉(zhuǎn)為張開時(shí)，放電已接近結(jié)束，所以這時(shí)觸點(diǎn)間也不會產(chǎn)生火花。
雙級觸點(diǎn)式調(diào)節(jié)器適用轉(zhuǎn)速范圍大，觸點(diǎn)火花小的情況，但由于存在著兩級調(diào)節(jié)值，其差值又必須很?。?2V系列不超過0.5V，24V系列不超過1V），因而高速隙給調(diào)整和維修都帶來一定困難，且容易產(chǎn)生觸點(diǎn)燒壞等故障。
2．單級觸點(diǎn)式調(diào)節(jié)器的構(gòu)造及工作原理
如圖6為FT111型單級式電壓調(diào)節(jié)器電路圖。電路中主要增加了軛流線圈L-1、二極管和電容器組成的滅弧系統(tǒng)。其工作原理如下：K打開，勵(lì)磁繞組中產(chǎn)生很高的自感電動(dòng)勢，該自感電流經(jīng)VD、L-1、勵(lì)磁繞組構(gòu)成回路，起到了續(xù)流作用，保護(hù)了觸點(diǎn)。與此同時(shí)，流過L-1和L-2的電流生產(chǎn)的電磁方向相反，產(chǎn)生退磁作用，可加速觸點(diǎn)的閉合。另外，在觸點(diǎn)兩端通過L-1，并聯(lián)一電容器用來吸收自感電動(dòng)勢，同時(shí)也減小了觸點(diǎn)火花。
該型調(diào)節(jié)器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)的原理與雙級式調(diào)節(jié)器低速觸點(diǎn)的工作情況基本相同。退磁回路的作用及工作原理如下：
由于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組電感量較大，所以當(dāng)觸點(diǎn)斷開時(shí)，會產(chǎn)生很高的感生電動(dòng)勢。感生電動(dòng)勢的方向與勵(lì)磁電流的方向相同。感受生電流的路徑為：勵(lì)磁繞組搭鐵端→蓄電池→點(diǎn)火開關(guān)→調(diào)節(jié)器火線接線柱→磁軛→動(dòng)鐵→觸點(diǎn)間隙→固定觸點(diǎn)支架→調(diào)節(jié)器磁場接線柱。感生電流在2觸點(diǎn)間產(chǎn)生電火花，燒蝕觸點(diǎn)。
電路中接入L-2與V后，當(dāng)觸點(diǎn)斷開時(shí)，感生電流從勵(lì)磁繞組搭鐵端，經(jīng)二極管V、L-2回到磁場繞組另一端形成回路，使觸點(diǎn)斷開時(shí)的火花明顯減弱。
由于退磁線圈L-2產(chǎn)生的磁場與磁化線圈L-1的磁場方向相反，因而L-2對L-1起退磁作用。當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓稍超過電壓調(diào)節(jié)值、磁化線圈的電磁力使K斷開時(shí)，感生電流在L-2中產(chǎn)生的磁場，使磁化線圈的磁力減弱，加快了K的閉合，提高了觸點(diǎn)的振動(dòng)頻率，減小了輸出電壓的脈動(dòng)性。
在電容器充電時(shí)，能夠儲存能量。當(dāng)觸點(diǎn)斷開時(shí)，感生電動(dòng)勢對電容器充電，使火花進(jìn)一步減小，延長了觸點(diǎn)壽命，減小了無線電干擾。
單級電壓調(diào)節(jié)器與雙級電壓調(diào)節(jié)器的主要區(qū)別，即FT111型調(diào)節(jié)器與FT61型調(diào)節(jié)器的差別是它只有1對觸點(diǎn)，并增加了1個(gè)退磁線圈L-2。L-2的一端與固定觸點(diǎn)臂相連接，另一端通過退磁二極管V搭鐵，在觸點(diǎn)K的兩端還接入了電容器C。附加電阻值從8.5Ω提高到150Ω，保證了當(dāng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電路，就能使勵(lì)磁電流下降，使發(fā)電機(jī)輸出電壓下降到調(diào)壓值以下。
當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓超過額定值時(shí)，鐵心中產(chǎn)生的電磁吸力克服了彈簧拉力使觸點(diǎn)打開，加速電阻R-1和附加電阻R-2串入磁場電路，磁場電流迅速減小，在磁場繞組中產(chǎn)生的自感受電動(dòng)勢其方向與原磁場方向一致，通過二極管VD、軛流圈L、電容器C構(gòu)成回路，被VD、L、C吸收，減小了觸點(diǎn)火花，保護(hù)了觸點(diǎn)，減小了觸點(diǎn)間電蝕現(xiàn)象，提高了調(diào)節(jié)器工作的可靠性和使用壽命，減弱了無線電干擾。此外，當(dāng)觸點(diǎn)打開時(shí)，由于自感電流通過軛流圈時(shí)，產(chǎn)生退磁作用，因此又加速了觸點(diǎn)的閉合，使觸點(diǎn)的振動(dòng)頻率提高，輸出電壓更趨穩(wěn)定。
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