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汽车电控系统(2)
第二章 交流发电机及电压调节器
汽车使用的电源有蓄电池和发电机两种。现代汽车采用交流发电机作为主要电源，蓄电池作为辅助电源。在汽车行驶过程中，由发电机向用电设备提供电源，并向蓄电池充电。蓄电池在汽车起动时提供起动电流，当发电机发出电量不足时，可以协同发电机供电。
与直流发电机相比，具有如下几个特点：
1、 体积小，质量轻
2、 在发动机低速运转时，仍能进行充电
3、 故障少，使用寿命长，保修简便
4、 调节器结构简单
5、 很少产生干扰波
第一节 交流发电机的构造
爪极：鸟嘴形：产生近似与正弦波的交流电动势
转子 励磁绕组：有电流通过，产生磁场
滑环
轴
三相绕组：产生相位相差120度，大小相等的三相交流电动势
定子 连接由三角连接和星形连接两种。以星形连接为主。
铁心：由硅钢片叠压而成
整流器：将三相绕组产生的的交流电变为直流。
主要元件：二极管
主要利用了二级管的单向导电性。
前后端盖：由非导磁材料铝合金制成。
特点：漏磁少，质量轻，散热性能好。
第二节 交流发电机的工作原理
1、 发电原理：在汽车用交流发电机中，由于转子磁极是鸟嘴形，其磁场的分布近似 于正弦规律，所以交流电动势也近似于正弦波形，相位差互为120度。
2、 整流原理：:硅二极管具有单向导电性。
在某一瞬间，正极二极管上那一项的电压最高，那一项的正极管子就获得正向电压而导通。负极管上那一项的电压最低，那一项的负极管子就获得正向电压而导通。
实际上，在汽车交流发电机中选用的二极管，其允许的反向电压要高得多，可以承受电路中各种瞬时过电压对二极管的冲击。
三、励磁方法
汽车用交流发电机最常用的是九管的交流发电机，也就是具有九个硅二极管的发电机。其中六个硅二极管组成整流器，利用二极管的单向导电性将交流发电机产生的交流电压转变成直流电压，另外三个二极管提供通过发电机中的励磁绕阻的电流，称为励磁二极管。九管交流发电机不仅可以控制充电指示灯指示蓄电池的充电情况，指示充电系统是否发生故障，还可以在停车时，提醒驾驶员断开点火开关。
图10-1 9管交流发电机的原理图
由于二极管有0.6v的门坎电压，所以汽车用交流发电机只有在发电机在较高转速的时候才能自己发电，称为自励过程。当发电机的转速较低时，由蓄电池供给电流，称为他励过程。因此，交流发电机发电，要先经过他励过程，再经过自励过程。工作原理如下：
当开关闭合后，首先由蓄电池提供电流。电路为：
蓄电池正极→充电指示灯→ 调节器触点 →励磁绕阻Rf →搭铁 →蓄电池负极。此时，充电指示灯由于有电流通过，所以灯会亮。
但发动机起动后，随着发电机转速提高，发电机的端电压也不断升高，。当发电机的输出电压与蓄电池电压相等时，发电机“B”端和“Ｄ”端的电位相等，此时，充电指示灯由于两端电位差为零而熄灭。指示发电机已经正常工作，励磁电流由发电机自己供给。发电机中三相绕阻所产生的三相交流电动势经六只二极管整流后，输出直流电，向负载供电，并向蓄电池充电。
当发电机高速运转、充电系统发生故障而导致发电机不发电时，“Ｄ”端无电压输出，所以充电指示灯由于两端电位差增大而发亮，警告驾驶员及时排除故障。九管交流发电机在停车后，蓄电池向充电指示灯继续提供电流，则充电指示灯会一直亮，提醒驾驶员断开点火开关。
第三节 交流发电机的工作特性
汽车交流发电机的工作特点是转速变化范围大，因此，必须了解其输出电流、端电压与转速变化之间的关系，即交流发电机的工作特性。
交流发电机的空载特性和外特性
一、 输出特性：发电机的端电压不变，输出电流于发电机转速之间的关系。
发电机转速甚低时，其端电压低于额定电压，此时发电机不向外供电；当发电机空载时，电压达到额定电压值的转速n1，称为空载转速。当发电机达到额定功率时的转速成为满载转速n2。
说明：①只有当发电机转速高于n1时才可能向外供电。n1是选定发电机传动比的主要依据。
②满载转速是判断发电机技术性能的重要指标。
③当转速达到一定值时，其输出电流不在随转速升高而升高，因此具有限流的作用。
二、 空载特性：发电机空载时，其端电压与转速之间的关系
说明：空载特性是判断发电机充电性能是否良好的重要依据
三、 外特性： 转速一定时,发电机的端电压与输出电流之间的关系。
当发电机在高速运转时，如果因外电路开路而突然失去负载，则其端电压将急剧升高，这对发电机和晶体管调节器内的电子元件都是有害的。
第四节 交流发电机电子调节器
汽车在行驶过程中，由于发动机的转速随时都在变化，交流发电机的转速也之变化，因此发电机输出电压必然随转速变化而变化。交流发电机电压调节器把交流发电机的电压控制在一定的规定范围内，当发电机转速发生变化时，自动调节发电机输出电压并使电压保持恒定,防止输出电压过高而损坏用电设备和避免蓄电池过量充电。
图10-2 外搭铁型电子电压调节器的基本电路
（一）调节器基本电路
外搭铁型电子调节器的基本电路如图1-2所示，有信号监测电路、信号放大与控制电路、功率放大电路和保护电路四部分组成。
电阻R1和R2稳压管VS构成信号监测电路，电阻R1 、R2串联在交流发电机输出端子“B”和搭铁端子“E”之间,构成分压器，直接监测发电机输出电压U的变化。R1上的分压：
由此可见，发电机电压U升高时，分压电阻R1上的分压值UR1升高，反之，当发电机电压U下降时，分压值UR1下降。
稳压二极管VS一端连接三极管VT1的基极，另一端接在分压电阻R1、R2之间，VS与三极管VT1的发射极串联后再与分压电阻R1并联，从而监测发电机电压的变化，并控制三极管VT1的导通与截止。
三极管VT1和电阻构成信号放大与控制电路，其作用是将电压监测电路输入的信号进行放大处理后，控制功率三极管VT2导通与截止。电阻既是三极管VT1的负载电阻，又是功率三极管VT2的偏流电阻。三极管VT1为小功率三极管，接在大功率三极管VT2的前一级，起功率放大作用，也称为前级放大电路。
功率三极管VT2通常采用达林顿三极管构成功率放大电路，VT2为型大功率三极管，串联在励磁绕组与搭铁端之间，这是外搭铁型调节器的显著特点。励磁绕组的电阻是VT2的负载电阻。VT2导通时，励磁电路接通，有励磁电流；VT2截止时，励磁电流被切断。因此，通过控制三极管的导通与截止，就可以改变励磁电流使发电机输出电压稳定。
续流二极管VD构成保护电路，其功用是防止励磁绕组产生的自感电动势击穿三极管而造成损坏。
（二）电子电压调节器工作原理
电子电压调节器利用三极管的开关特性，将大功率三极管作为一只开关串联在发电机的励磁电路中，根据发电机输出电压的高低，控制三极管导通与截止来调节发电机的励磁电流，使发电机输出电压稳定在一定范围内。发电机电子电压调节器工作过程如下：
1．接通点火开关SW ，发电机电压U低于蓄电池电压时，蓄电池电压经过点火开关SW加在分压电阻R1 、R2两端。由于发电机电压低于调节电压上限值，稳压管VS处于截止状态，VT1基极无电流流过，也处于截止状态。此时，蓄电池经点火开关、电阻向三极管VT2提供基极电流，VT2导通并接通励磁电流，其电路为：
蓄电池正极→电流表→点火开关→熔断器→发电机端子→发电机磁场绕组→发电机磁场端子→调节器磁场端子→三极管→调节器搭铁端子→发电机搭铁端子→发电机负极管→蓄电池负极
此时，随着发电机转动，其电压也将随之上升。
2．当发电机电压上升到高于蓄电池电压但还低于调节电压上限U2时，发电机处于自励状态。（励磁电流由发电机自己提供）
当发电机电压高于蓄电池电压但还低于调节电压上限时U2时，VS与VT1仍截止，VT2保持导通。此时励磁电路为：
发电机定子绕组→正极管→发电机输出端子“B”→点火开关SW →熔断器 F3→ 发电机端子“F1”→ 发电机励磁绕组 RF→发电机端子“F2” →调节器磁场端子“F”→ 三极管VT2 → 调节器搭铁端子“E”→ 发电机搭铁端子“E”→ 发电机负极管 →发电机定子绕组
3．当发电机电压随转速升高到调节电压上限时U2，VS，VT1导通，VT2截止，励磁电流切断，发电机电压降低。
当发电机电压升高到调节电压上限U2时，此时VS导通，它的发射极几乎被短路，流过电阻R3 的电流经VT1集电极和发射极构成回路， VT2因无基极电流而截止，励磁电流被切断，磁通迅速减小，发电机电压迅速下降。
（4）当发电机电压降低到调节电压下限U1时，VS截止，VT1随之截止，VT1集电极电位升高，发电机又经R3向VT2提供基极电流，使VT2导通，励磁电流接通，发电机电压又重新升高。当发电机电压再次升高到调节电压上限U2时，调节器重复（3），（4）工作过程，将发电机电压控制在某一平均值不变。
当由VT2导通转为截止的瞬间，励磁绕组产生的自感电动势经二极管VD构成放电回路，防止三极管VT2击穿损坏。由于放电电流流经VD, 所以 VD称为续流二极管。