交流充電機工作原理

康明斯柴油發動機無刷充電機的工作原理
柴油發電機組充電系統由充電機、調節器和充電狀態指示裝置組成。充電機作為啟動運行中的主要電源，擔負著向啟動系以外所有用電設備供電的任務，并向蓄電池充電。交流發電機具有輸出功率大、低速充電性能好、所配用的調節器結構簡單且無整流火花、對無線電干擾小等特點，適應了柴油發電機組對電源的要求。
一、工作原理
如圖1所示是交流發電機的工作原理圖。發電機的三相定子繞組按一定規律分布在發電機的定子槽中，彼此相差120°電角度，且匝數相等。三相繞組的首端分別接在整流器上，其末端連在一起，呈星形連接。
當轉子磁場繞組接通直流電時，產生了磁場，使轉子軸上的兩塊爪形磁極被磁化。當轉子旋轉時，形成旋轉磁場，磁力線被定子繞組切割。根據電磁感應原理，勢必在定子三相繞組中產生頻率相同、振幅相等、相位互差120°的正弦交流電動勢。每相繞組的電動勢的有效值e與轉子轉速n以及磁極磁通中成正比，即：
e=cenø
式中：e——每相繞組中電動勢的有效值（v）；
c——電機結構常數；
n——轉子轉速（r/min）；
ø——每極磁通（wb）
圖1 硅整流發電機工作原理
1、充電過程
當充電發電機被柴油發電機組的發動機帶動時，發電機跟隨旋轉，這時便有電壓和電流輸出，使蓄電池充電。柴油發電機組起動期間，充電機電壓小于蓄電池電壓時，整流二極管截止，充電機不能對外輸出，由蓄電池供給磁場電流。路徑為：蓄電池正極→點火開關sw→磁場繞組調節器→搭鐵→蓄電池負極。
說明：發電機的旋轉方向為順時針方向，皮帶輪對準自已。正極搭鐵。
2、搭鐵形式：
① 內搭鐵型交流發電機
發電機磁場繞組的一端與發電機殼體連接的交流發電機。
② 外搭鐵型交流發電機
磁場繞組的一端經點火開關接電源，另一端經調節器后搭鐵的交流發電機。
圖2 發電機搭鐵形式.
二、結構
1、勵磁繞組
流入勵磁繞組的電流，在勵磁鐵心中建立一個帶狀的磁通量。這個帶狀磁通量沿著各個導磁元件環行，在整個磁回路中，這個磁通量將在勵磁繞組周圍找到一個最低磁阻的通道：勵磁電流產生的磁力線通過勵磁鐵心(磁軛托架)→輔助氣隙g1→轉子n極→主氣隙g→定子鐵心→主氣隙g→轉子s極→輔助氣隙g2→勵磁鐵心形成一個閉合的磁路系統。這種結構除轉子爪極外徑與定子內表面之間的氣隙(稱為主氣隙)外，在閉合的磁路系統中，增加了兩個有相對運動的徑向附加氣隙，使閉合回路的磁阻增大。所以必須通過增加磁場繞組的激磁安匝來補有效磁通量所減小的部分，才能保證無刷交流充電機的輸出。
2、定子繞組
隨著轉子的旋轉，使通過定子鐵心的磁通量發生變化，定子繞組切割磁力線而產生感應電動勢，定子繞組發出三相交流電壓，通過三相橋式整流電路整流成直流。當轉速達到1000r/min左右時，充電機應能正常發電并對外輸出，經濾波電容c后輸出28v直流電壓，充電機電壓大于蓄電池電壓，充電機自勵，并對蓄電池充電，或對其他負載供電。n端通過vd4、vd5、vd6中的一個硅管整流，與對地端形成半波整流電壓，被稱為中性點電壓，其輸出信號為14v直流脈動電壓(最大負載不能超過2a)，n端可用于接轉速表。中性點電壓除了直流成分外，還含有交流成分，且幅值隨充電機的轉速而變，與中性點相連的二極管(vd10、vd11)就稱為中性點二極管。當中性點二極管的正極管(vd11)電位最高或負極管(vd11)電位最低時，中性二極管亦處于正向導通，可對外輸出，能有效利用中性點電壓來增加充電機的輸出功率。實踐證明，在交流充電機上安裝中性二極管后，輸出功率可增加10%～15%。
3、調節器
定子繞組的三相交流電壓經三相全橋整流后，經調節器向勵磁繞組供電。調節器以通/斷方式調節勵磁電流，使充電機的輸出電壓保持在(28±0.3)v范圍內波動，給蓄電池浮充電。充電機調節器電路主要由3個電阻r1、r2、r3，2個三極管vt1、vt2和1個穩壓管vr組成。r1、r2，為分壓電阻，vt1為小功率三極管，接在大功率管的前一級，起功率放大作用，也稱前級放大。三極管vt2為大功率三極管，其集電極與充電機磁場繞組相連，磁場繞組為vt2負載，vt2導通時，磁場電流接通反之磁場電流切斷。因此，可以通過控制三極管vt2的導通與截止，改變磁場電流使充電機輸出電壓穩定。
4、穩壓二極管
穩壓二極管avr是感受元件，其一端接三極管vt1的基極，另一端接分壓電阻r1、r2、以組成電壓檢測電路，監測充電機電壓的變化。當充電機的輸出電壓在分壓電阻r1上的電壓達到avr的設定電壓時，avr擊穿，vt1有基極電流使vt1導通，vt2截止，這就使充電機的f點不接地面切斷了磁場繞組的電路，充電機電壓便會下降。充電機電壓下降時又使vr、vt1截止，vt2導通，充電機電壓重又升高如此反復作用，使充電機端電壓被控制在一定的范圍內。
現在集成電路電壓調節器也被廣泛使用。用集成電路開發的電壓調節器體積很小，可方便地安裝在充電機的內部與充電機組成一個整體，稱之為整體式交流充電機。集成電路調節器的基本工作原理與晶體管調節器完全一樣，都是根據充電機的電壓信號(輸入信號)，利用三極管的開關特性控制充電機的磁場電流以此達到穩定充電機輸出電壓的目的。集成電路調節器有內、外搭鐵之分，以外搭鐵形式居多。
圖3 無刷充電機結構圖
三、充電機安裝圖
級別
lv
零件號
part number
圖上標號
ref no
零件名稱 part name
數量
req
中文
英文
02
206996
1
多槽皮帶
belt.vribbed
1
02
3002323
2
發電機皮帶輪
pulley.alternator
1
02
3200770
發電機安裝
alternator.mtg
1
03
70897
5
績緊螺母
nut.lock
1
03
111445
6
弾黃墊圈
lck.wshr


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