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硅整流發電機的電壓調節器
一、電壓調節器的作用
交流發電機必須配有電壓調節器與之配合工作。這是因為交流發電機在結構一定及磁場強度不變的條件下，其輸出電壓大小與發電機的轉速成正比，而發電機由發動帶動，其轉速則是由發動機轉速所決定。汽車正常行駛時，發動機轉速變化范圍很大，這勢必對發電機輸出電壓的大小有很大影響，為使發電機電壓在不同的轉速下均能保持一定，且能隨發電機轉速的變化而自動調節，使電壓值保持在某一特定范圍，就必須裝置電壓調節器。而它的正常工作，對保證整個汽車電氣系統的正常工作和對延長汽車電氣設備的使用壽命關系極大，其輸出電壓（或充電電壓）對蓄電池的使用壽命也影響很大。
二、機械觸點式電壓調節器的結構及工作原理
汽車在運行過程中，發動機轉速變化范圍很大，由于發電機與發動機的傳動比是固定的，所以發電機的轉速將隨發動機轉速的變化而變化，發電機的端電壓也將隨發動機的轉速變化而在很大范圍內變化。發電機對用電設備供電和向蓄電池充電，都要求其電壓穩定，因此必須對發電機的輸出電壓進行調節，使之保持在某一數值基本不變。
由于發電機的輸出電壓U=Cnφ，對于某一臺發電機來說，c是常數。在工作過程中，轉速n是不斷變化的，要使發電機端電壓保持恒定，可以通過改變磁通φ的大小來進行調節，而磁通變的大小是由勵磁電流來決定的。因此，當發電機轉速n升高時，可以減小勵磁電流使用權磁通減小，保持發電機的輸出電壓不變；反之，當發電機轉速降低時，增大勵磁電流，因此電壓調節器的作用就是在發電機轉速變化時，自動改變勵磁電流的大小，使發電機輸出電壓保持不變。
電壓調節器分為觸點式和電子式2類，觸點式又有雙級式和單級之分。
1．雙級式（FT61型）電壓調節器構造及工作原理
由于硅整流交流發電機的定子繞組具有一定的感抗，使發電機輸出電流能自動地得到限制，因而不需另加節流器。同時，因硅二極管具有單相導電性，而沒有逆流，可以阻止蓄電池的電流倒流入發電機，所以也無需另加斷流器。但發電機的電壓，則是隨著轉速的增高而升高的，必須有節壓器進行調節，所以在硅整流發電機上配備的調節器，只是1組節壓器。
有的硅整流發電機上（如汽車上所裝配的24V硅整流發電機）配備著FT62型調節器，這種調節器只是將原來三聯調節器中的1組節壓器抽出使用權用，而它的構造以及工作原理與節壓器基本相同。以FT61型調節器為例，對其構造及工作情況進行說明。
FT61型調節器的結構：調節器的磁軛與鐵心鉚固在一起，鐵心上繞有磁化線圈，動鐵的左端上、下各有一片觸點（稱為活動觸點），活動觸點與低速觸點支架的觸點組成了低速觸點K-1，與搭的觸點組成了高速觸點K-2，動鐵的另一端用彈簧拉緊，使K-1為常閉觸點，K-2為常開觸點。調節器上有加速電阻R-1、附加電阻R-2和溫度補償電阻R-3。FT61型雙級觸點式調節器的結構及電路連接情況如圖1所示。
雙級觸點調節器平時靠彈簧的拉力，使上面的一對觸點保持在閉合狀態（如圖2所示）。其它構造如鐵芯線圈，加速電阻R-1、磁場附加電阻R-2、線圈附加電阻R-3（主要起溫度補償作用），基本上與單級節壓器相同。
FT61型調節器與硅整流發電機的接線方法如圖3所示。調節器、發電機的內部經路及用電部分線路如圖4所示。工作情況如下：
1） 發電機轉速很低（發電機電壓低于蓄電池電壓）時，由于轉子磁極保持剩磁能力較差，磁場繞組應先由蓄電池進行激磁。因此，只要點火開關接通，激磁電路接通。而且在發電機轉動時，只要發電機的電壓低于蓄電池的電壓，磁場繞組的電流都由蓄電池供給。其電路為：蓄電池正極→電流表→點火開關→調節器火線接柱→觸點①和支架→調節器磁場接柱→發電機磁場接柱→磁場繞組→“接鐵”接柱→蓄電池負極。
這時因激磁電流較強，發電機轉動時，電機即能建壓，而且其電壓將隨著轉速的增高而很快升高。發電機電壓低于蓄電池的電壓時，用電部分由蓄電池供電。其電路為：蓄電池正極→電流表→用電設備→接鐵→蓄電池負極。
2） 發電機轉速升高時，可分2種情況；
a．發電機電壓高于蓄電池電壓（但還未超過限額電壓）時，發電機磁場繞組→硅二極管和元件板→“電樞”接柱→點火開關→調節器火線接柱→觸點①和支架→調節器磁場接柱→發電機磁場接柱→磁場繞組→“接鐵”接柱→后端蓋、硅二極管→定子繞組。
此時調節器鐵芯線圈的電流也由發電機供給。其電路為：發電機定子繞組-硅二極管和元件板→“電樞”接柱→點火開關→調節器火線接柱→加速電阻R-1→鐵芯線圈和線圈附加電阻R-3→接鐵→后端蓋、硅二極管→定子繞組。
由于調節器鐵芯線圈，通過電阻R-1與R-3和發電機“+”、“-”兩端并聯，承受著發電機的全部電壓，故調節器鐵芯線圈的電壓，將隨著電機電壓的變化而變化。當發電機的電壓未超過限額時，鐵芯上的電磁吸力就不能克服活動觸點臂彈簧的拉力，觸點①就保持在閉合狀態。發電機的電壓高于蓄電池電壓時，用電部分由發電機供電，并向蓄電池充電。
b．發電機的電壓超過限額時，調節器鐵芯的吸力增強，克服活動觸點臂彈簧的拉力，使觸點①張開（注意：此時觸點②并未閉合），在磁場電路中便自動地接入電阻R-1和R-2。此時磁場電路為：發電機定了繞組→硅二極管和元件板→電樞接柱→點火開關→調節器火線接柱→加速電阻R-1和附加電阻R-2→調節器“磁場”接柱→發電機“磁場”接柱→磁場繞組→“接鐵”接柱→后端蓋、硅二極管→定子繞組。
由于磁場電路中接入R-1、R-2，共計9.5Ω的電阻，使磁場電流減小，磁場削弱，發電機輸出電壓隨之下降。電壓降低后，通過鐵芯線圈的電流減小，當電壓低于限額時，鐵芯吸力又小于彈簧的拉力，觸點①又重新閉合，磁場電流因不再經過附加電阻，發電機輸出電壓又重新升高。當電壓超過限額時，觸點①又被拉開，如此循環。此過程與單級觸點節壓器*一樣，即觸點①的不斷開閉，附加電阻交替在磁場電路中接入和隔開，使發電機輸出電壓在限額上下和微弱脈動，保證了工作電壓基本恒定的要求。
發電機高轉速時，第2級觸點參加工作。由于發電機的電壓繼續升高，調節器鐵芯吸力便繼續增強，把活動觸點臂吸得更低，使觸點②閉合。此時，原來通過磁場繞組的電流，因觸點②閉合接鐵被短路，直接流回定子繞組，其電路為：發電機定子繞組→硅二極管和元件板→“電樞”接柱→點火開關→調節器火線接柱→加速電阻R-1和附加電阻R-2→支架、觸點②→接鐵-后端蓋、硅二極管→定子繞組。
由于磁場電路被短路，如圖5所示，當觸點②閉合時，磁場繞組中不再通過電流，磁場則消失至只剩下少量殘磁、發電機電壓則很快下降。當電壓下降時，調節器鐵芯吸力也減弱，活動觸點臂在彈簧的拉力的作用下，又把觸點②斷開（活動觸點保持在中間位置），使經過R-1、R-2的磁場電路又被接通，電壓又隨之升高，超過限額后，觸點②又閉合，磁場繞組又被短路，這種過程重復下去，觸點②便不斷振動，使發電機電壓不再隨轉速的升高在而增高。
通過上述可知，FT61型調節器是一組雙級觸點節壓器，它在發電機是民壓達到限額后的全部轉達速范圍內兩面三刀對觸點配合工作。其工作過程是：在發電機低轉速或中等負荷的情況下，一般是觸點①工作，它是利用觸點①的不斷開閉，使附加電阻交替在磁場電路中接入和隔出的辦法來限制發電機的電壓，而在高轉速和小負荷或無負荷的情況下，般是觸點②工作，它是利用觸點②的不斷開閉，使磁場電路間斷被短路的辦法來限制發電機的電壓。從而保證了發電機電壓達到限額后的全部轉速范圍內，用電設備恒定電壓的要求。
雙級觸點式電壓調節器，供發電機磁場用的附加電阻，比單級觸點式節壓器的附加電阻值要小得多，一般約為1/7~1/10。從前述節壓器的工作特性中已知，增加調節器的附加電阻值，是提高發電機工作的zui高轉速惟一有效的辦法，而附加電阻串聯在電機的磁場電路中，與觸點工聯，它的數值越大，在觸點長開時，磁場線圈中的自感電動勢也就超大，致使觸點燒蝕。在電壓調節器中，附加電阻值是取大還是取小，這是相互矛盾的2個方面。為了滿足發電機能在較高的轉速下工作，同時又能減小觸點間的火花，便采用雙級觸點式電壓調節器。
雙級觸點式電壓調節器能提高發電機的zui高使用權用轉速，是因為當電壓調節器在第1對觸點工作時，由于附加電阻很小，地發電機轉速不斷升高的過程中，即使觸點①始終張開，附加電阻直接入磁場電路，發電機電壓合肥市會隨轉速的升高而升高，也就是說，限制不住發電機的電壓，所以電機的zui高使用轉速比單級觸點式調節器低許多。但這種調節器還有第2對觸點，當發電機轉速繼續升高到附加電阻所能控制的極限轉速時，第2對觸點就開始工作。第2對觸點由原來的張開轉為閉合時，發電機的磁場繞組由原來有激磁電流變為被短接（即短路）。激磁電流沒有了，發電機就靠剩磁來產生電壓，剩磁很小，就相當于附加電阻很大，所以調節器不能工作時的發電機轉速可以提高，遠遠超過實際發電機所能達到的zui高轉速。
雙級觸點式電壓調節器能減小觸點間的火花，是因為當第1對觸點由閉合轉為長開狀態時，發電機磁場電路串入電阻R-1、R-2，激磁電流減小。但由于附加電阻很小（共9.5Ω），激磁電流減小得不多，就是說電流的變化率不大，因而在觸點張開的瞬間，磁場繞組產生的自感電動勢大大減小。同時部分自磁場繞組產生的自感電動勢大大減小。同時部分自感電流勢對電阻R-1、R-2放電。作用在觸點上的自感電動勢和自感電流更相應減小，因而減弱了火花，起到了保護第1對觸點的作用。
當第2對觸點工作時，觸點由張開轉為閉合，發電機磁場由原來通過電阻R-1、R-2供給的激磁電流變為繞組被短路，激磁電流要消失。這時，磁場繞組中將產生自感電動勢，由于原來的激磁電流就很小，所以這個自感電動勢也很小，這個很小的自感電動勢并通過已閉合的第二對觸點放電。當觸點再由閉合轉為張開時，放電已接近結束，所以這時觸點間也不會產生火花。
雙級觸點式調節器適用轉速范圍大，觸點火花小的情況，但由于存在著兩級調節值，其差值又必須很小（12V系列不超過0.5V，24V系列不超過1V），因而高速隙給調整和維修都帶來一定困難，且容易產生觸點燒壞等故障。
2．單級觸點式調節器的構造及工作原理
如圖6為FT111型單級式電壓調節器電路圖。電路中主要增加了軛流線圈L-1、二極管和電容器組成的滅弧系統。其工作原理如下：K打開，勵磁繞組中產生很高的自感電動勢，該自感電流經VD、L-1、勵磁繞組構成回路，起到了續流作用，保護了觸點。與此同時，流過L-1和L-2的電流生產的電磁方向相反，產生退磁作用，可加速觸點的閉合。另外，在觸點兩端通過L-1，并聯一電容器用來吸收自感電動勢，同時也減小了觸點火花。
該型調節器進行電壓調節的原理與雙級式調節器低速觸點的工作情況基本相同。退磁回路的作用及工作原理如下：
由于發電機勵磁繞組電感量較大，所以當觸點斷開時，會產生很高的感生電動勢。感生電動勢的方向與勵磁電流的方向相同。感受生電流的路徑為：勵磁繞組搭鐵端→蓄電池→點火開關→調節器火線接線柱→磁軛→動鐵→觸點間隙→固定觸點支架→調節器磁場接線柱。感生電流在2觸點間產生電火花，燒蝕觸點。
電路中接入L-2與V后，當觸點斷開時，感生電流從勵磁繞組搭鐵端，經二極管V、L-2回到磁場繞組另一端形成回路，使觸點斷開時的火花明顯減弱。
由于退磁線圈L-2產生的磁場與磁化線圈L-1的磁場方向相反，因而L-2對L-1起退磁作用。當發電機端電壓稍超過電壓調節值、磁化線圈的電磁力使K斷開時，感生電流在L-2中產生的磁場，使磁化線圈的磁力減弱，加快了K的閉合，提高了觸點的振動頻率，減小了輸出電壓的脈動性。
在電容器充電時，能夠儲存能量。當觸點斷開時，感生電動勢對電容器充電，使火花進一步減小，延長了觸點壽命，減小了無線電干擾。
單級電壓調節器與雙級電壓調節器的主要區別，即FT111型調節器與FT61型調節器的差別是它只有1對觸點，并增加了1個退磁線圈L-2。L-2的一端與固定觸點臂相連接，另一端通過退磁二極管V搭鐵，在觸點K的兩端還接入了電容器C。附加電阻值從8.5Ω提高到150Ω，保證了當發電機勵磁電路，就能使勵磁電流下降，使發電機輸出電壓下降到調壓值以下。
當發電機電壓超過額定值時，鐵心中產生的電磁吸力克服了彈簧拉力使觸點打開，加速電阻R-1和附加電阻R-2串入磁場電路，磁場電流迅速減小，在磁場繞組中產生的自感受電動勢其方向與原磁場方向一致，通過二極管VD、軛流圈L、電容器C構成回路，被VD、L、C吸收，減小了觸點火花，保護了觸點，減小了觸點間電蝕現象，提高了調節器工作的可靠性和使用壽命，減弱了無線電干擾。此外，當觸點打開時，由于自感電流通過軛流圈時，產生退磁作用，因此又加速了觸點的閉合，使觸點的振動頻率提高，輸出電壓更趨穩定。
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