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摘要:从理论上分析了星形连接交流发电机中性点二极管的作用原理, 中性点二极管通过将电动势绝对值较低的发电机定子绕组及时 “短路”, 减少发电机的内部损失、增加发电机输出。确定了中性点二极管发挥作用的转速条件和负载条件, 即发电机转速高于 3. 3倍空载转速、负载电阻小于一相定子绕组的阻抗。 为了获得平滑的输出电压 ,汽车发电机采用三相桥式整流。发电机的三相定子绕组有 2种连接类型 :星形(也叫 Y形)和三角形 (即 Δ形 )。采用星形连接时 ,发电机以三相定子绕组之间的线电压对外供电 ,所以低速时输出电压高 、充电性好 ,但输出电阻大 、效率低;采用三角形连接时 ,发电机以三相定子绕组的相电压对外供电 ,所以输出电阻小、效率高, 但低速输出电压低、充电性差 。为了既获得好的低速充电性能 ,又获得高的输出效率, 现在许多汽车发电机在三相定子绕组星形连接的基础上,采用中性点二极管 ,改善星形连接发电机的输出性能 。 中性点二极管就是对于星形连接的发电机 ,在定子绕组中性点和发电机正负极之间连接的两只二极管 。发电机高速运转时,中性点二极管可以使发电机的输出功率增加 10% ～ 15%。但是, 关于中性点二极管的作用原理,国内外文献都没有给出严谨科学的解释, 很多都是简言概括 ,认为是畸变的中性点三次谐波电压在发电机高速下高于发电机端电压而输出, 这种解释过于牵强,没有真正分析出中性点二极管的工作情况,缺乏足够的理论依据 ;关于中性点二极管作用的影响因素也没有文献报道 。为此本文对中性点二极管的作用原理、条件和影响因素进行了深入的分析研究, 希望有助于合理设计和使用星形连接发电机。 1 中性点二极管的作用原理 1. 1 基本整流电路的不足 星形连接交流发电机的基本整流电路是由六只硅整流二极管组成的三相桥式整流电路, 如图 1a)所示 ;三相绕组产生的交流电动势如图 1b)所示。由硅二极管单相导电特性得出 ,在任一时刻, 总是正极电位最高和负极电位最低的一对管子导通, 其整流过程如下: 在 0 ～ t 1 时间内, C相输出端电位最高, 而 B相输出端电位最低 ,所对应的二极管 VD 5 , VD 4 均处于正向导通 , C相和 B相绕组串联供电 。电流从绕组 C出发, 经 VD 5 →负载→VD 4 →绕组 B构成回路。忽略二极管上的导通电压 ,发电机的输出电压可视为 C, B绕组之间的线电压与 C, B绕组上的电压之差 。在 t 1～ t 2 时间内 , A相输出端电位最高 ,而 B相输出端电位最低,所对应的二极管 VD 1 , VD 4 均处于正向导通 ,A相和 B相绕组串联供电,发电机的输出电压可视为 A, B绕组之间的线电压与 A, B绕组上的电压之差 。依次类推,周而复始, 这种基本整流电路的输出电压始终等于两相绕组之间的线电压与两相绕组上的电压降之差,在负载上便可得到一个平稳的直流脉动电压 ,如图 1b)所示： 交流发电机三相绕组都存在阻抗 (电阻和感抗 ),且其值随发电机转速升高而增大, 所以每相绕组阻抗产生的电压降随着转速的升高和输出电流的增大而增大。当发电机的转速和输出电流达到一定值时 ,串联提供输出的两相绕组电动势大小相差过大 ,其中一相绕组的电动势就可能小于其阻抗上的电压降 ,该绕组不仅无法向外输出电能 ,而且还消耗另一相绕组的电能 ,使发电机内部损耗增大 、输出效率下降 。如同容量差异过大的两块电池串联使用, 随着输出电流的增大,低容量电池供电能力逐渐减小, 当其电动势小于内阻上的电压降时 ,就完全失去供电能力而成为大容量电池的负载, 消耗大容量电池的电能, 使电池组内部损耗增大、输出效率下降。
随着发电机转速的提高和用电设备的增多 ,中性点二极管起作用的角度范围也增大。发电机的磁极对数越多,定子绕组电感越大,同样使用条件下定子绕组阻抗就越大,中性点二极管起作用的角度范围就越大。磁极对数和定子绕组电感属于结构因素 ,制造时综合考虑确定。 星形连接交流发电机的中性点二极管是通过将电动势绝对值较低 、没有输出能力的发电机定子绕组及时“短路”,避免其消耗其他定子绕组的电能 ,以减少发电机的内部损失、增加发电机的输出。 理论分析表明,只有当发电机转速高于 3. 3倍空载转速运转、负载电阻小于一相定子绕组的阻抗时 ,两个中性点二极管才开始间隔导通, 发挥作用 。 影响中性点二极管作用大小的因素包括负载电阻、发电机转速 、磁极对数、定子绕组电感等 。随着发电机负载电阻减小和转速的提高,中性点二极管起作用的角度范围增大 ,作用越来越明显 。 |
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