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柴油发电机的工作原理
工作原理
一、柴油发电机组生成机理：
柴油发电机组中常用的发电机为同步交流发电机，是以电磁感应为基础的旋转式机械。根据其结构特点可分为旋转电枢式和旋转磁极式两种。
在柴油机汽缸内，经过空气滤清器过滤后的洁净空气与喷油嘴喷射出的高压雾化柴油 充分混合，在活塞上行的挤压下，体积缩小，温度迅速升高，达到柴油的燃点。柴油被点燃，混合气体剧烈燃烧，体积迅速膨胀，推动活塞下行，称为‘作功’。各汽缸按一定顺序依次作功，作用在活塞上的推力经过连杆变成了推动曲轴转动的力量，从而带动曲轴旋转。
将无刷同步交流发电机与柴油机曲轴同轴安装，就可以利用柴油机的旋转带动发电机的转子，利用‘电磁感应’原理，发电机就会输出感应电动势，经闭合的负载回路就能产生电流。
柴油发电机组工作结构图
二、交流发电机生成机理
以旋转电枢式同步发电机为例介绍柴油机组中发电机的工作原理。
旋转磁极式发电机产生电动势的原理与旋转电枢式相同，都是电磁感应现象。而主要区别有两点：
（1）产生感应电流的方式：旋转电枢式发电机通过电枢的旋转使闭合线圈的磁通量变化，从而产生感应电流；旋转磁极式发电机则通过磁极的旋转使定子线圈切割磁力线，从而在定子线圈中产生感应电流。
（2）电力输出方式：旋转电枢式发电机通过电刷和集电环向外接电路供电；而旋转磁极式发电机则直接将电力送往外接电路，因此相对于旋转电枢式、旋转磁极式发电机可提供电高的电压，适用于大型发电机。
1、电动势的产生
● 当导体切割磁场的磁力线时，会在导体中产生感应电动势。
● 线圈abcd代表整个电伛绕组、其两端分别固定在同一转轴上的滑环1和2上，两者同轴旋转，且相对位置和连接关系不随转子位置的变化而变化。电刷A和B通过刷架固定在发电机的端盖上、且与滑环1、2的滑动接触关系不变。
● 当电枢沿顺时针方向旋转，ab边处于N极下时、山边的感应电动势方向为由c至d，并设此时电动势方向为正方向;当电枢旋转180。后、ab边处于S极下，cd边处于N极下，此时ab和cd边中的电动势均改变方向，显然此时电动势为负值。
由上述过程可知，对于一对磁极的单向同步交流发电机、其转子旋转一周，在电枢绕组中产生一个周波的交流电动势。若磁通密度B按正弦规律分布，则可产生正弦交流电动势。而对于三相同步交流发电机、其各项绕组产生交流电动势的原理与单项同步交流发电机完全相同。
2、电动势的大小
根据电磁感应定律,当导体与磁场发生相对运动时、导体中的感应电动势e可由式求得:
E=BLV
● B——磁通密度；
● L——导体在磁场中的有效长度；
● V——导体垂直于磁场方向的运动速度。
而正弦交流电动势的有效值E计算：
E=Kn
● 式中n——发电机转速；
● K——发电机的结构常数。
同步交流发电机制成后，其结构常数K已成定值。因此，可通过改变发电机的转速n或每极磁通来调整其输出电压的高傲。但是，通常情况下要求电动势的频率f恒定，而频率f与转速n成正比，所以发电机的转速是不能随便调整的。因此，主要通过调节同步交流发电机磁通量的大小，达到调整其输出电压的目的。
3、电动势的频率
● 当发电机磁极对数一定时(如P=1)，其转子每旋转一周，电枢绕组可产生一个周波的交流电动势。转子旋转两周，产生两个周波的交流电动势，苦转子每秒旋转n/60周，则产生n/60周/s的交流电动势。由此可知，交流电动势的频率f与发电机转速n成正比。
● 当发电机的转速一定时(如n=1周/s)，磁极对数P=1，转子每旋转一周产生一个周波的交流电动势。磁极对数P=2，转子每旋转一周产生两个周波的交流电动势。若为P对磁极，转子每旋转一周产生P个周波的交流电动势。由此可知，交流电动势的频率f还与磁极对数P成正比。
综上所述，同步交流发电机电动势的频率f与其转速n 和磁极对数P成正比，因此f的计算公式为：
F=P*n/60 (周/s)
改变同步交流发电机的转速n或磁极对数P,均可改变其频率f。但是，发电机制成后，其磁极对数P是不能改变的因此,只能通过改变转速n来调整频率f。一旦频率f达到额定值后，就不能再随便改变转速n。
4、改善电动势波形的措施
根据要求，同步交流发电机输出电压应为正弦波。但是，由于发电机定子铁芯结构、磁极结构、电枢绕组结构、三相发电机电枢绕组的连接形式等因素的影响，电动势的波形会产生畸变，形成非正弦交流电动势。
非正弦交流电动势中除含有基波分量外，还含有频率不同的许多高次谐波分量。不仅严重影响发电机的性能和工况，还影响用电设备的正常工作。因此，在设计、生产同步交流发电机时，采取了诸多方法，改善电动势波形，使其成为正弦波。其具体方法有：改善磁极形状、采用斜槽定子、改善定子绕组结构和三相发电机采用星形接法。
（1）改善磁极形状：磁极的分布规律由磁极的形状决定，将磁极尖削尖或采用扭斜磁极，使磁通密度B近似按正弦规律分布，进而使电动势成为正弦波；
（2）采用斜槽定子：将定子铁芯扭斜一个槽距的位置，使其成为斜糟定子，无论转子旋转至何种位置，磁极端画所覆盖的铁芯齿面积始终保持不变，这样可齿谐波的影响；
（3）改善定子绕组结构：同步交流发电机通常采用短距分布式绕组结构，可或削弱许多高次谐波分量，使电动势接近于正弦波；
（4）三相发电机采用星形接法：三相同步发电机的三相电枢绕组采用星形接法，其线电压中将不再含有三次及三的整倍数次谐波分量·改善线电压的波形。
5、同步交流发电机励磁方式
发电机励磁功率的产生方式，称为其励磁方式。同步交流发电机的励磁方式有他励式和自励式两种。
（1）他励式：励磁功率由本身以外的其他电源供给，这种发电机称为:他励式发电机。根据获得励磁功率形式的不同，他励式交流发电机又有采用血流励磁机励磁和采用无刷交流励磁机励磁之分。其中、采用直流励磁机励磁是靠同轴转动的并励直流发电机供给励磁功率的；采用无刷交流励磁机励磁是由同轴转动的交流励磁发电机供给励磁功率的。
（2）自励式：励磁功率由本身供给的发电机称为自励式发电机。其励磁功率一般由以下三种方法获得：直接从同步交流发电机输出端取得，由安装在同步交流发电机的定子槽中的副绕组供给；发电机电枢绕组为带抽头式的，由抽头处引出部分电枢绕组供给。
综上所述，无论是他励式同步交流发电机，还是自励式同步交流发电机，改变励磁电流的大小，均可调整发电机的输出电压。
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无刷充电机的工作原理
发动机起动期间，发电机电压小于蓄电池电压时，整流二极管截止，发电机不能对外输出，由蓄电池供给磁场电流。路径为：蓄电池正极→点火开关SW(或点火继电器触点)→磁场烧组调节器→搭铁→蓄电池负极。
流入励磁绕组的电流，在励磁铁心中建立一个带状的磁通量。这个带状磁通量沿着各个导磁元件环行，在整个磁回路中，这个磁通量将在励磁绕组周围找到一个 磁阻的通道：励磁电流产生的磁力线通过励磁铁心(磁轭托架)→辅助气隙g1→转子N极→主气隙g→定子铁心→主气隙g→转子S极→辅助气隙g2→励磁铁心形成一个闭合的磁路系统。这种结构除转子爪极外径与定子内表面之间的气隙(称为主气隙)外，在闭合的磁路系统中，增加了两个有相对运动的径向附加气隙，使闭合回路的磁阻增大。所以必须通过增加磁场绕组的激磁安匝来补有效磁通量所减小的部分，才能保证无刷交流发电机的输出。
随着转子的旋转，使通过定子铁心的磁通量发生变化，定子绕组切割磁力线而产生感应电动势，定子绕组发出三相交流电压，通过三相桥式整流电路整流成直流。当转速达到1000r/min左右时，发电机应能正常发电并对外输出，经滤波电容C后输出28V直流电压，发电机电压大于蓄电池电压，发电机自励，并对蓄电池充电，或对其他负载供电。N端通过VD4、VD5、VD6中的一个硅管整流，与对地端形成半波整流电压，被称为中性点电压，其输出信号为14V直流脉动电压( 负载不能超过2A)，N端可用于接转速表。中性点电压除了直流成分外，还含有交流成分，且幅值随发电机的转速而变，与中性点相连的二极管(VD10、VD11)就称为中性点二极管。当中性点二极管的正极管(VD11)电位 或负极管(VD11)电位 时，中性二极管亦处于正向导通，可对外输出，能有效利用中性点电压来增加发电机的输出功率。实践证明，在交流发电机上安装中性二极管后，输出功率可增加10%～15%。
定子绕组的三相交流电压经三相全桥整流后，经调节器向励磁绕组供电。调节器以通/断方式调节励磁电流，使充电机的输出电压保持在(28±0.3)V范围内波动，给蓄电池浮充电。发电机调节器电路如图8-14中调节器部分所示，主要由3个电阻R1、R2、R3，2个三极管VT1、VT2和1个稳压管VR组成。R1、R2，为分压电阻，VT1为小功率三极管，接在大功率管的前一级，起功率放大作用，也称前级放大。三极管VT2为大功率三极管，其集电极与发电机磁场绕组相连，磁场绕组为VT2负载，VT2导通时，磁场电流接通反之磁场电流切断。因此，可以通过控制三极管VT2的导通与截止，改变磁场电流使发电机输出电压稳定。
稳压二极管VR是感受元件，其一端接三极管VT1的基极，另一端接分压电阻R1、R2、以组成电压检测电路，监测发电机电压的变化。当发电机的输出电压在分压电阻R1上的电压达到VR的设定电压时，VR击穿，VT1有基极电流使VT1导通，VT2截止，这就使发电机的F点不接地面切断了磁场绕组的电路，发电机电压便会下降。发电机电压下降时又使VR、VT1截止，VT2导通，发电机电压重又升高如此反复作用，使发电机端电压被控制在一定的范围内。
现在集成电路电压调节器也被广泛使用。用集成电路开发的电压调节器体积很小，可方便地安装在发电机的内部与发电机组成一个整体，称之为整体式交流发电机。集成电路调节器的基本工作原理与晶体管调节器完全一样，都是根据发电机的电压信号(输入信号)，利用三极管的开关特性控制发电机的磁场电流以此达到稳定发电机输出电压的目的。集成电路调节器有内、外搭铁之分，以外搭铁形式居多。
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