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谈车用硅整流发电机的电压调节器
xiao_xiao1 发表于 2008/9/18 10:47:47 967 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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一、电压调节器的作用
交流发电机必须配有电压调节器与之配合工作。这是因为交流发电机在结构一定及磁场强度不变的条件下，其输出电压大小与发电机的转速成正比，而发电机由发动带动，其转速则是由发动机转速所决定。汽车正常行驶时，发动机转速变化范围很大，这势必对发电机输出电压的大小有很大影响，为使发电机电压在不同的转速下均能保持一定，且能随发电机转速的变化而自动调节，使电压值保持在某一特定范围，就必须装置电压调节器。而它的正常工作，对保证整个汽车电气系统的正常工作和对延长汽车电气设备的使用寿命关系极大，其输出电压（或充电电压）对蓄电池的使用寿命也影响很大。
二、机械触点式电压调节器的结构及工作原理
汽车在运行过程中，发动机转速变化范围很大，由于发电机与发动机的传动比是固定的，所以发电机的转速将随发动机转速的变化而变化，发电机的端电压也将随发动机的转速变化而在很大范围内变化。发电机对用电设备供电和向蓄电池充电，都要求其电压稳定，因此必须对发电机的输出电压进行调节，使之保持在某一数值基本不变。
由于发电机的输出电压U=Cnφ，对于某一台发电机来说，c是常数。在工作过程中，转速n是不断变化的，要使发电机端电压保持恒定，可以通过改变磁通φ的大小来进行调节，而磁通变的大小是由励磁电流来决定的。因此，当发电机转速n升高时，可以减小励磁电流使用权磁通减小，保持发电机的输出电压不变；反之，当发电机转速降低时，增大励磁电流，因此电压调节器的作用就是在发电机转速变化时，自动改变励磁电流的大小，使发电机输出电压保持不变。
电压调节器分为触点式和电子式2类，触点式又有双级式和单级之分。
（一）双级式（FT61型）电压调节器构造及工作原理
由于硅整流交流发电机的定子绕组具有一定的感抗，使发电机输出电流能自动地得到限制，因而不需另加节流器。同时，因硅二极管具有单相导电性，而没有逆流，可以阻止蓄电池的电流倒流入发电机，所以也无需另加断流器。但发电机的电压，则是随着转速的增高而升高的，必须有节压器进行调节，所以在硅整流发电机上配备的调节器，只是1组节压器。
有的硅整流发电机上（如汽车上所装配的24V硅整流发电机）配备着FT62型调节器，这种调节器只是将原来三联调节器中的1组节压器抽出使用权用，而它的构造以及工作原理与节压器基本相同。以FT61型调节器为例，对其构造及工作情况进行说明。
FT61型调节器的结构：调节器的磁轭与铁心铆固在一起，铁心上绕有磁化线圈，动铁的左端上、下各有一片触点（称为活动触点），活动触点与低速触点支架的触点组成了低速触点K-1，与搭的触点组成了高速触点K-2，动铁的另一端用弹簧拉紧，使K-1为常闭触点，K-2为常开触点。调节器上有加速电阻R-1、附加电阻R-2和温度补偿电阻R-3。FT61型双级触点式调节器的结构及电路连接情况如图1所示。
双级触点调节器平时靠弹簧的拉力，使上面的一对触点保持在闭合状态（如图2所示）。其它构造如铁芯线圈，加速电阻R-1、磁场附加电阻R-2、线圈附加电阻R-3（主要起温度补偿作用），基本上与单级节压器相同。
FT61型调节器与硅整流发电机的接线方法如图3所示。调节器、发电机的内部经路及用电部分线路如图4所示。工作情况如下：
1．发电机转速很低（发电机电压低于蓄电池电压）时，由于转子磁极保持剩磁能力较差，磁场绕组应先由蓄电池进行激磁。因此，只要点火开关接通，激磁电路接通。而且在发电机转动时，只要发电机的电压低于蓄电池的电压，磁场绕组的电流都由蓄电池供给。其电路为：蓄电池正极→电流表→点火开关→调节器火线接柱→触点①和支架→调节器磁场接柱→发电机磁场接柱→磁场绕组→“接铁”接柱→蓄电池负极。
这时因激磁电流较强，发电机转动时，电机即能建压，而且其电压将随着转速的增高而很快升高。发电机电压低于蓄电池的电压时，用电部分由蓄电池供电。其电路为：蓄电池正极→电流表→用电设备→接铁→蓄电池负极。
2．发电机转速升高时，可分2种情况；
（1）发电机电压高于蓄电池电压（但还未超过限额电压）时，发电机磁场绕组→硅二极管和元件板→“电枢”接柱→点火开关→调节器火线接柱→触点①和支架→调节器磁场接柱→发电机磁场接柱→磁场绕组→“接铁”接柱→后端盖、硅二极管→定子绕组。
此时调节器铁芯线圈的电流也由发电机供给。其电路为：发电机定子绕组-硅二极管和元件板→“电枢”接柱→点火开关→调节器火线接柱→加速电阻R-1→铁芯线圈和线圈附加电阻R-3→接铁→后端盖、硅二极管→定子绕组。
由于调节器铁芯线圈，通过电阻R-1与R-3和发电机“+”、“-”两端并联，承受着发电机的全部电压，故调节器铁芯线圈的电压，将随着电机电压的变化而变化。当发电机的电压未超过限额时，铁芯上的电磁吸力就不能克服活动触点臂弹簧的拉力，触点①就保持在闭合状态。发电机的电压高于蓄电池电压时，用电部分由发电机供电，并向蓄电池充电。
（2）发电机的电压超过限额时，调节器铁芯的吸力增强，克服活动触点臂弹簧的拉力，使触点①张开（注意：此时触点②并未闭合），在磁场电路中便自动地接入电阻R-1和R-2。此时磁场电路为：发电机定了绕组→硅二极管和元件板→电枢接柱→点火开关→调节器火线接柱→加速电阻R-1和附加电阻R-2→调节器“磁场”接柱→发电机“磁场”接柱→磁场绕组→“接铁”接柱→后端盖、硅二极管→定子绕组。
由于磁场电路中接入R-1、R-2，共计9.5Ω的电阻，使磁场电流减小，磁场削弱，发电机输出电压随之下降。电压降低后，通过铁芯线圈的电流减小，当电压低于限额时，铁芯吸力又小于弹簧的拉力，触点①又重新闭合，磁场电流因不再经过附加电阻，发电机输出电压又重新升高。当电压超过限额时，触点①又被拉开，如此循环。此过程与单级触点节压器完全一样，即触点①的不断开闭，附加电阻交替在磁场电路中接入和隔开，使发电机输出电压在限额上下和微弱脉动，保证了工作电压基本恒定的要求。
发电机高转速时，第2级触点参加工作。由于发电机的电压继续升高，调节器铁芯吸力便继续增强，把活动触点臂吸得更低，使触点②闭合。此时，原来通过磁场绕组的电流，因触点②闭合接铁被短路，直接流回定子绕组，其电路为：发电机定子绕组→硅二极管和元件板→“电枢”接柱→点火开关→调节器火线接柱→加速电阻R-1和附加电阻R-2→支架、触点②→接铁-后端盖、硅二极管→定子绕组。
由于磁场电路被短路，如图5所示，当触点②闭合时，磁场绕组中不再通过电流，磁场则消失至只剩下少量残磁、发电机电压则很快下降。当电压下降时，调节器铁芯吸力也减弱，活动触点臂在弹簧的拉力的作用下，又把触点②断开（活动触点保持在中间位置），使经过R-1、R-2的磁场电路又被接通，电压又随之升高，超过限额后，触点②又闭合，磁场绕组又被短路，这种过程重复下去，触点②便不断振动，使发电机电压不再随转速的升高在而增高。
通过上述可知，FT61型调节器是一组双级触点节压器，它在发电机是民压达到限额后的全部转达速范围内两面三刀对触点配合工作。其工作过程是：在发电机低转速或中等负荷的情况下，一般是触点①工作，它是利用触点①的不断开闭，使附加电阻交替在磁场电路中接入和隔出的办法来限制发电机的电压，而在高转速和小负荷或无负荷的情况下，般是触点②工作，它是利用触点②的不断开闭，使磁场电路间断被短路的办法来限制发电机的电压。从而保证了发电机电压达到限额后的全部转速范围内，用电设备恒定电压的要求。
双级触点式电压调节器，供发电机磁场用的附加电阻，比单级触点式节压器的附加电阻值要小得多，一般约为1/7～1/10。从前述节压器的工作特性中已知，增加调节器的附加电阻值，是提高发电机工作的最高转速惟一有效的办法，而附加电阻串联在电机的磁场电路中，与触点工联，它的数值越大，在触点长开时，磁场线圈中的自感电动势也就超大，致使触点烧蚀。在电压调节器中，附加电阻值是取大还是取小，这是相互矛盾的2个方面。为了满足发电机能在较高的转速下工作，同时又能减小触点间的火花，便采用双级触点式电压调节器。
双级触点式电压调节器能提高发电机的最高使用权用转速，是因为当电压调节器在第1对触点工作时，由于附加电阻很小，地发电机转速不断升高的过程中，即使触点①始终张开，附加电阻直接入磁场电路，发电机电压合肥市会随转速的升高而升高，也就是说，限制不住发电机的电压，所以电机的最高使用转速比单级触点式调节器低许多。但这种调节器还有第2对触点，当发电机转速继续升高到附加电阻所能控制的极限转速时，第2对触点就开始工作。第2对触点由原来的张开转为闭合时，发电机的磁场绕组由原来有激磁电流变为被短接（即短路）。激磁电流没有了，发电机就靠剩磁来产生电压，剩磁很小，就相当于附加电阻很大，所以调节器不能工作时的发电机转速可以提高，远远超过实际发电机所能达到的最高转速。
双级触点式电压调节器能减小触点间的火花，是因为当第1对触点由闭合转为长开状态时，发电机磁场电路串入电阻R-1、R-2，激磁电流减小。但由于附加电阻很小（共9.5Ω），激磁电流减小得不多，就是说电流的变化率不大，因而在触点张开的瞬间，磁场绕组产生的自感电动势大大减小。同时部分自磁场绕组产生的自感电动势大大减小。同时部分自感电流势对电阻R-1、R-2放电。作用在触点上的自感电动势和自感电流更相应减小，因而减弱了火花，起到了保护第1对触点的作用。
当第2对触点工作时，触点由张开转为闭合，发电机磁场由原来通过电阻R-1、R-2供给的激磁电流变为绕组被短路，激磁电流要消失。这时，磁场绕组中将产生自感电动势，由于原来的激磁电流就很小，所以这个自感电动势也很小，这个很小的自感电动势并通过已闭合的第二对触点放电。当触点再由闭合转为张开时，放电已接近结束，所以这时触点间也不会产生火花。
双级触点式调节器适用转速范围大，触点火花小的情况，但由于存在着两级调节值，其差值又必须很小（12V系列不超过0.5V，24V系列不超过1V），因而高速隙给调整和维修都带来一定困难，且容易产生触点烧坏等故障。
（二）单级触点式调节器的构造及工作原理
如图6为FT111型单级式电压调节器电路图。电路中主要增加了轭流线圈L-1、二极管和电容器组成的灭弧系统。其工作原理如下：K打开，励磁绕组中产生很高的自感电动势，该自感电流经VD、L-1、励磁绕组构成回路，起到了续流作用，保护了触点。与此同时，流过L-1和L-2的电流产生的电磁方向相反，产生退磁作用，可加速触点的闭合。另外，在触点两端通过L-1，并联一电容器用来吸收自感电动势，同时也减小了触点火花。