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

　　1 發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

　　19世紀(jì)英國(guó)科學(xué)家法拉第通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象;導(dǎo)體與磁場(chǎng)的磁力線相對(duì)切割運(yùn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)體中會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。如果將這根導(dǎo)體的兩端連接起來(lái),則在這個(gè)閉合導(dǎo)體與磁場(chǎng)相對(duì)切割運(yùn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種現(xiàn)象可以用多種實(shí)驗(yàn)方式得以驗(yàn)證,見圖1所示的實(shí)驗(yàn)。

　　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(chǎng)。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(yùn)動(dòng)時(shí),電流表G的指針會(huì)隨之從中心點(diǎn)擺向一邊。向上運(yùn)動(dòng)時(shí),電流表G的指針會(huì)隨之?dāng)[向另一邊。這就是說:由線圈A的直流磁場(chǎng)的磁力線切割線圈B,或者說線圈B內(nèi)的磁場(chǎng)從無(wú)到有或從小到大發(fā)生變化時(shí),它就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流。而且線圈B中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流的方向還隨磁場(chǎng)方向的變化而變化。通過大量的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn),科學(xué)家總結(jié)出了恒定磁場(chǎng)與金屬導(dǎo)體線圈相對(duì)切割運(yùn)動(dòng)時(shí)線圈內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(shí)間內(nèi)磁通(表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱)的變化量ΔΦ。

　　可見線圈B中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與線圈A穿越其中間上下運(yùn)動(dòng)形成的磁通變化有關(guān)。而且與其運(yùn)動(dòng)的速度也有關(guān),上下運(yùn)動(dòng)越快感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(chǎng)切割磁力線,或者線圈不動(dòng)而磁場(chǎng)磁力線掃過它,都會(huì)在金屬線圈的兩個(gè)端頭間產(chǎn)生電壓。發(fā)電機(jī)就是根據(jù)這個(gè)原理制造的。

　　按照發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu),磁場(chǎng)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(gè)線圈繞組引出(稱為電樞繞組),這種結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)叫做旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)。因?yàn)殡姌惺切�轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的,電樞繞組的電流要靠活動(dòng)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(jī)已很少采用。

　　常用的同步發(fā)電機(jī)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(chǎng)自然也隨之旋轉(zhuǎn),這種叫做旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)式發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子部分只產(chǎn)生直流磁場(chǎng),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(jī)械強(qiáng)度和絕緣性能都較好,可靠性也大為提高。所以又稱為無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)。

　　4 輸出電壓的調(diào)控

　　調(diào)控的目的就是實(shí)現(xiàn)在同步發(fā)電機(jī)額定范圍內(nèi)的負(fù)荷,無(wú)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(jī)額定功率的不同、每個(gè)時(shí)期技術(shù)發(fā)展程度的不同,有簡(jiǎn)潔及完善的許多類型。

　　但總的理念都是:實(shí)時(shí)從主發(fā)電機(jī)電樞取得電壓和電流,經(jīng)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器整流和負(fù)反饋調(diào)理后供給勵(lì)磁機(jī)的定子線圈,使其產(chǎn)生變化規(guī)律與主發(fā)電機(jī)輸出電壓變化規(guī)律相反的直流電磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)也必然使勵(lì)磁機(jī)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(jī)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(shí)時(shí)調(diào)節(jié)主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)大小,使主發(fā)電機(jī)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(dòng)控制邏輯如圖3所示。

　　對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓的調(diào)控過程,自動(dòng)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(lì)磁機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)控主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組磁場(chǎng)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(dòng)電壓調(diào)節(jié)器。通常也稱其為恒壓勵(lì)磁裝置。圖2中(198)指的就是這個(gè)裝置。

　　5 自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器

　　在柴油發(fā)電機(jī)組的額定負(fù)荷范圍之內(nèi),無(wú)論負(fù)荷是電阻、電容、電感性或兼而有之,也無(wú)論它們的大小怎樣變化,對(duì)柴油機(jī)的主要要求是穩(wěn)住轉(zhuǎn)速(通常柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為每分鐘1500轉(zhuǎn))。而對(duì)同步發(fā)電機(jī)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(dòng)電壓調(diào)控系統(tǒng)。

　　現(xiàn)代交流同步發(fā)電機(jī)常用自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(AVR)這種電子部件,調(diào)節(jié)勵(lì)磁機(jī)定子磁場(chǎng)的強(qiáng)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(shí)時(shí)采樣主發(fā)電機(jī)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(lì)磁機(jī)定子線圈的電流的時(shí)間及大小。從而使它的磁場(chǎng)強(qiáng)弱隨著主發(fā)電機(jī)輸出電壓的變化而相反變化。即輸出電壓升高則勵(lì)磁機(jī)定子磁場(chǎng)減小,輸出電壓降低則勵(lì)磁機(jī)定子磁場(chǎng)增強(qiáng),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(jī)輸出的部分電壓,從(8)、(9)兩端進(jìn)入電壓測(cè)量單元。經(jīng)降壓、分壓、整流濾波后,得到與發(fā)電機(jī)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(jī)帶載正常工作時(shí),調(diào)節(jié)RHR外接電壓微調(diào)電位器使UA確定一個(gè)值作為基準(zhǔn)。測(cè)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(cè)量單元送來(lái)的UA比基準(zhǔn)電壓大,表明主發(fā)電機(jī)輸出電壓升高,則大的UA就會(huì)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(huì)使VT3導(dǎo)通時(shí)間短,通過的電流小。反之,主發(fā)電機(jī)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(shí)間變長(zhǎng),通過的電流增多。

　　勵(lì)磁機(jī)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(jī)電樞繞組取樣的XA、XB、Xc三相電壓(一般為36～45V),經(jīng)過三個(gè)二極管VD10、VD11、VD12整流后,其直流電流從X1端流入勵(lì)磁機(jī)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(jī)電樞繞組,形成一個(gè)勵(lì)磁機(jī)定子線圈的勵(lì)磁電流通路。VT3是這個(gè)通路上的開關(guān),它導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng),則定子線圈流過的電流大,勵(lì)磁機(jī)定子磁場(chǎng)強(qiáng)度變大。VT3導(dǎo)通時(shí)間短,定子線圈電流少,定子磁場(chǎng)強(qiáng)度小。

　　AVR就是這樣調(diào)控主發(fā)電機(jī)的電壓的。主發(fā)電機(jī)由于負(fù)荷原因輸出電壓升高,電壓測(cè)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(shí)間短,勵(lì)磁機(jī)定子繞組因電流少磁場(chǎng)減弱,勵(lì)磁機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁電流變小，則主發(fā)電機(jī)因其轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(huì)使主發(fā)電機(jī)的輸出電壓升高。

　　在主發(fā)電機(jī)因負(fù)荷超出額定值而輸出極大電流時(shí),柴油發(fā)動(dòng)機(jī)也需隨之輸出巨大的動(dòng)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(lì)磁機(jī)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(gè)低頻保護(hù)點(diǎn),當(dāng)主發(fā)電機(jī)負(fù)荷正常時(shí),從電壓測(cè)量單元來(lái)的Uc小于低頻保護(hù)點(diǎn),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(jī)超載則UD變低,VD8導(dǎo)通,UD和UA就可同時(shí)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(shí)間隨之變短,勵(lì)磁電流減小,勵(lì)磁機(jī)定子磁場(chǎng)變?nèi)酢�從而�?dǎo)致主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)減小。發(fā)電機(jī)輸出電壓下降、電流減小。低頻保護(hù)單元起到了保護(hù)勵(lì)磁機(jī)和主發(fā)電機(jī)的作用。