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　　發(fā)電機(俗稱電球)是將機械能轉(zhuǎn)變成交流電能的機器,是柴油發(fā)電機組的電能產(chǎn)生和輸出的機器。

　　1 發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)

　　19世紀(jì)英國科學(xué)家法拉第通過實驗發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象;導(dǎo)體與磁場的磁力線相對切割運動時,導(dǎo)體中會感應(yīng)出電動勢。如果將這根導(dǎo)體的兩端連接起來,則在這個閉合導(dǎo)體與磁場相對切割運動時,導(dǎo)體中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種現(xiàn)象可以用多種實驗方式得以驗證,見圖1所示的實驗。

　　原線圈A通以直流電,則線圈因有電流流過而產(chǎn)生直流磁場。在副線圈B的兩端接上電流表G。當(dāng)線圈A穿越線圈B的中間向下運動時,電流表G的指針會隨之從中心點擺向一邊。向上運動時,電流表G的指針會隨之?dāng)[向另一邊。這就是說:由線圈A的直流磁場的磁力線切割線圈B,或者說線圈B內(nèi)的磁場從無到有或從小到大發(fā)生變化時,它就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流。而且線圈B中的感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流的方向還隨磁場方向的變化而變化。通過大量的電磁感應(yīng)實驗,科學(xué)家總結(jié)出了恒定磁場與金屬導(dǎo)體線圈相對切割運動時線圈內(nèi)的感應(yīng)電動勢為:

　　

　　式中,N代表線圈B共有多少圈(也稱匝)。ΔΦ/Δt是線圈B中的一圈在Δt時間內(nèi)磁通(表示磁場的強弱)的變化量ΔΦ。

　　可見線圈B中的感應(yīng)電動勢e與線圈A穿越其中間上下運動形成的磁通變化有關(guān)。而且與其運動的速度也有關(guān),上下運動越快感應(yīng)電動勢e越大。線圈繞的圈數(shù)N越多e也越大。

　　法拉第定律告訴我們:金屬線圈穿過磁場切割磁力線,或者線圈不動而磁場磁力線掃過它,都會在金屬線圈的兩個端頭間產(chǎn)生電壓。發(fā)電機就是根據(jù)這個原理制造的。

　　按照發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu),磁場固定(相當(dāng)于圖1中的線圈A),金屬線圈繞組做成可旋轉(zhuǎn)的以便切割磁力線(相當(dāng)于圖1中的線圈B),電壓從這個線圈繞組引出(稱為電樞繞組),這種結(jié)構(gòu)的發(fā)電機叫做旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機。因為電樞是旋轉(zhuǎn)運動的,電樞繞組的電流要靠活動接觸的電刷和滑環(huán)引出才能供給負(fù)荷。因此輸出電流和電壓都不能太大,一般不超過500V,否則電刷和滑環(huán)之間將產(chǎn)生很大的火花。這種結(jié)構(gòu)形式的發(fā)電機已很少采用。

　　常用的同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)形式是輸出電壓、電流的繞組(即電樞)是固定的(相當(dāng)于圖1中的線圈B),而產(chǎn)生磁力線的線圈繞組是旋轉(zhuǎn)的(相當(dāng)于圖1中的線圈A),其磁場自然也隨之旋轉(zhuǎn),這種叫做旋轉(zhuǎn)磁場式發(fā)電機。發(fā)電機轉(zhuǎn)子部分只產(chǎn)生直流磁場,而取消了滑環(huán)和電刷。定子部分有更多的空間嵌放電樞繞組和絕緣材料,電樞產(chǎn)生的電流可以直接輸往負(fù)荷,其機械強度和絕緣性能都較好,可靠性也大為提高。所以又稱為無刷同步發(fā)電機。

　　4 輸出電壓的調(diào)控

　　調(diào)控的目的就是實現(xiàn)在同步發(fā)電機額定范圍內(nèi)的負(fù)荷,無論其性質(zhì)及大小如何變化都能穩(wěn)住輸出電壓。調(diào)控的技術(shù)方式隨著發(fā)電機額定功率的不同、每個時期技術(shù)發(fā)展程度的不同,有簡潔及完善的許多類型。

　　但總的理念都是:實時從主發(fā)電機電樞取得電壓和電流,經(jīng)自動電壓調(diào)節(jié)器整流和負(fù)反饋調(diào)理后供給勵磁機的定子線圈,使其產(chǎn)生變化規(guī)律與主發(fā)電機輸出電壓變化規(guī)律相反的直流電磁場。這個磁場也必然使勵磁機轉(zhuǎn)子電樞的輸出電壓以及旋轉(zhuǎn)整流器供給主發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈的直流電流按同樣的規(guī)律而變化。從而起到實時調(diào)節(jié)主發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場大小,使主發(fā)電機在額定負(fù)荷范圍內(nèi)保持良好輸出特性的作用。

　　一種電壓調(diào)控裝置的自動控制邏輯如圖3所示。

　　對發(fā)電機輸出電壓的調(diào)控過程,自動電壓調(diào)節(jié)器起著重要作用�？捎脠D4的流程表示。

　　可見,通過勵磁機實時調(diào)控主發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組磁場的大小,就可以穩(wěn)住輸出電壓。這其中起重要作用的是具有負(fù)反饋功能的自動電壓調(diào)節(jié)器。通常也稱其為恒壓勵磁裝置。圖2中(198)指的就是這個裝置。

　　5 自動電壓調(diào)節(jié)器

　　在柴油發(fā)電機組的額定負(fù)荷范圍之內(nèi),無論負(fù)荷是電阻、電容、電感性或兼而有之,也無論它們的大小怎樣變化,對柴油機的主要要求是穩(wěn)住轉(zhuǎn)速(通常柴油發(fā)動機的額定轉(zhuǎn)速為每分鐘1500轉(zhuǎn))。而對同步發(fā)電機的主要要求則是穩(wěn)住輸出電壓。為此,一般都采用以先進(jìn)電子裝置為核心的自動電壓調(diào)控系統(tǒng)。

　　現(xiàn)代交流同步發(fā)電機常用自動電壓調(diào)節(jié)器(AVR)這種電子部件,調(diào)節(jié)勵磁機定子磁場的強弱。進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)住輸出電壓的目的。雖然AVR的種類很多,但性能大同小異。都是實時采樣主發(fā)電機的輸出電壓值與預(yù)先設(shè)定的值相比較,用比較的結(jié)果去調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制器(PWM)。輸出電壓值高則調(diào)制器輸出脈沖寬度窄,反之則寬。然后再用這些脈沖去調(diào)控大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件,控制送入勵磁機定子線圈的電流的時間及大小。從而使它的磁場強弱隨著主發(fā)電機輸出電壓的變化而相反變化。即輸出電壓升高則勵磁機定子磁場減小,輸出電壓降低則勵磁機定子磁場增強,從而達(dá)到負(fù)反饋調(diào)控的目的。

　　常用的一種AVR類型如圖5所示。

　　采樣取自主發(fā)電機輸出的部分電壓,從(8)、(9)兩端進(jìn)入電壓測量單元。經(jīng)降壓、分壓、整流濾波后,得到與發(fā)電機輸出電壓成正比的直流電壓。它被R4、R5、PR1分壓后獲得電壓UA,并送入脈寬調(diào)制器。出廠前或者發(fā)電機帶載正常工作時,調(diào)節(jié)RHR外接電壓微調(diào)電位器使UA確定一個值作為基準(zhǔn)。測量單元輸出的電壓Uc則送入低頻保護(hù)單元。

　　脈沖寬度調(diào)制器(PWM)的輸出調(diào)寬脈沖UB控制調(diào)制管VT3。若由電壓測量單元送來的UA比基準(zhǔn)電壓大,表明主發(fā)電機輸出電壓升高,則大的UA就會使脈沖寬度調(diào)制器輸出的脈沖電壓UB的寬度變窄。窄的脈沖就會使VT3導(dǎo)通時間短,通過的電流小。反之,主發(fā)電機輸出電壓降低,UA變小,則脈沖寬度調(diào)制器輸出UB的寬度隨之變寬,從而使VT3導(dǎo)通時間變長,通過的電流增多。

　　勵磁機的定子線圈一端接在端子X1上,另一端接在XX1端子上。由主發(fā)電機電樞繞組取樣的XA、XB、Xc三相電壓(一般為36～45V),經(jīng)過三個二極管VD10、VD11、VD12整流后,其直流電流從X1端流入勵磁機的定子線圈,由XX1流出,再經(jīng)過調(diào)制管VT3和XN端子流回主發(fā)電機電樞繞組,形成一個勵磁機定子線圈的勵磁電流通路。VT3是這個通路上的開關(guān),它導(dǎo)通時間長,則定子線圈流過的電流大,勵磁機定子磁場強度變大。VT3導(dǎo)通時間短,定子線圈電流少,定子磁場強度小。

　　AVR就是這樣調(diào)控主發(fā)電機的電壓的。主發(fā)電機由于負(fù)荷原因輸出電壓升高,電壓測量單元輸出的UA隨著升高,受UA控制的脈寬調(diào)制器輸出脈沖電壓UB寬度變窄,開關(guān)管VT3導(dǎo)通時間短,勵磁機定子繞組因電流少磁場減弱,勵磁機轉(zhuǎn)子電樞電壓及旋轉(zhuǎn)整流器輸出電流隨之減小，導(dǎo)致供給主發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的勵磁電流變小，則主發(fā)電機因其轉(zhuǎn)子磁場的減小而使輸出電壓降低。反之，AVR的負(fù)反饋調(diào)控功能就會使主發(fā)電機的輸出電壓升高。

　　在主發(fā)電機因負(fù)荷超出額定值而輸出極大電流時,柴油發(fā)動機也需隨之輸出巨大的動力導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速低于額定值。低頻保護(hù)單元的作用就是在這種情況下限制勵磁機定子線圈里電流的超額增大。它以電阻和電容構(gòu)成的充放電支路預(yù)先設(shè)定一個低頻保護(hù)點,當(dāng)主發(fā)電機負(fù)荷正常時,從電壓測量單元來的Uc小于低頻保護(hù)點,則低頻保護(hù)單元輸出的電壓UD高,二極管VD8被截止,UD到不了脈寬調(diào)制器,起不了作用。若主發(fā)電機超載則UD變低,VD8導(dǎo)通,UD和UA就可同時作用于脈寬調(diào)制器,使其輸出的UB隨UD的下降而變窄,調(diào)制管VT3導(dǎo)通時間隨之變短,勵磁電流減小,勵磁機定子磁場變?nèi)酢�從而�?dǎo)致主發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁場減小。發(fā)電機輸出電壓下降、電流減小。低頻保護(hù)單元起到了保護(hù)勵磁機和主發(fā)電機的作用。