第二节　交流发电机的工作原理

一、交流发电机发电原理

如图3-11所示，发电机定子的三相绕组按一定规律分布在发电机的定子槽中，内部有一个转子，转子上安装着爪极和励磁绕组。当外电路通过电刷使励磁绕组通电时，便产生磁场，使爪极被磁化为N极和S极。当转子旋转时，磁通交替地在定子绕组中变化，根据电磁感应原理可知，定子的三相绕组中便产生交变的感应电动势。这就是交流发电机的发电原理。

由原动机（即发动机）拖动直流励磁的同步发电机转子以转速n（r/min）旋转，三相定子绕阻便感应交流电动势。定子绕阻若接入用电负载，电动机就有交流电能输出，经过发电机内部的整流桥将交流电转换成直流电从输出端子输出。

交流发电机分为定子绕组和转子绕组两部分，三相定子绕组按照彼此相差120°电角度分布在壳体上，转子绕组由两块极爪组成。当转子绕组接通直流电时即被励磁，两块极爪形成N极和S极。磁力线由N极出发，透过空气间隙进入定子铁芯再回到相邻的S极。转子一旦旋转，转子绕组就会切割磁力线，在定子绕组中产生互差120°电度角的正弦电动势，即三相交流电，再经由二极管组成的整流元件变为直流电输出。

①交流电动势的变化频率f和转速、磁极对数成正比。

式中　p——磁极对数；

n——发电机转速，r/min。

在交流发电机中，由于转子磁极呈鸟嘴形，其磁场的分布近似正弦规律，所以交流电动势的波形也近似正弦规律。如果发电机定子的三相绕组是对称绕制的，则产生的三相电动势也是对称的。

②定子每相电动势的有效值的表示。

式中　K——绕组系数（和发电机定子绕组的绕线方式有关）；

N——每相绕组的匝数，匝；

f——频率，Hz；

Φ——每极磁通，Wb；

C_e——电动机结构常数（C_e=4.44KNp/60）；

E_ϕ——相电动势。

由此可见，当交流发电机结构一定时（结构常数不变），相电动势和发电机转速、磁通成正比。

二、交流发电机整流原理

交流发电机定子的三相绕组中，感应产生的是交流电，是通过6个二极管组成的三相桥式整流电路整流为直流电的，整流电路如图3-12（a）所示。二极管具有单向导通性，当给二极管加上正向电压时二极管导通，当给二极管加上反向电压时二极管截止。将定子的三相绕组和6个整流二极管按图3-12（a）所示的电路连接，发电机的输出端B、E上就输出一个脉动直流电压，如图3-12（c）所示，这就是发电机的整流原理。

1.整流原理

（1）二极管的导通原则

①当3个正二极管负极端连接在一起时，正极端电位最高者导通。

②当3个负二极管正极端连接在一起时，负极端电位最低者导通。

（2）整流过程的分析

①同时导通的二极管总是两个，正、负二极管各一个。

②三相桥式整流电路中二极管依次循环导通，使得负载R_L两端得到一个比较平稳的脉动直流电压，如图3-12（c）所示。

2.中性点电压

在定子绕组为星形连接时，三相绕组的公共结点称为中性点。从三相绕组的中性点引一根导线到发电机外，标记为“N”。“N”点电压称为中性点电压。中性点电压的瞬时值是一个三次谐波电压，如图3-13所示，平均值为发电机输出电压（平均值）的一半，即带有中性点接线柱的发电机，可用中性点电压来控制各种用途的继电器工作。

利用中性点电压提高发电机功率。有的发电机（如夏利发电机）的整流器有8个整流管，其中两个整流管接在中性点处（1个正极管和1个负极管），如图3-14所示。把中性点电压和三相绕组并联输出，实践证明这样可提高发电机功率10%～15%。由于中性点电压的瞬时值是一个三次谐波，其波峰在有些时候可能大于三相绕组的最高值，此时，中性点正极管VD₇导通，其他三个正极管截止，由VD₇供给外电路高电压；同理，波谷也能小于三相绕组的最低值，此时，中性点负极管VD₈导通，参与对外输出，这样就提高了发电机的对外输出能力，提高了发电机的输出功率。

三、串激式交流发电机的励磁

当开关闭合后，首先由蓄电池提供电流。电路为蓄电池正极→充电指示灯→调节器触点→励磁绕阻→搭铁→蓄电池负极。此时，充电指示灯由于有电流通过，所以灯会亮。

但发动机启动后，随着发电机转速提高，发电机的端电压也不断升高。当发电机的输出电压与蓄电池电压相等时，发电机“B”端和“D”端的电位相等，此时，充电指示灯由于两端电位差为零而熄灭。指示发电机已经正常工作，励磁电流由发电机自己供给。发电机中三相绕阻所产生的三相交流电动势经二极管整流后，输出直流电，向负载供电，并向蓄电池充电。

除了永磁式交流发电机不需要励磁以外，其他形式的交流发电机都需要励磁，因为它们的磁场都是电磁场，必须给励磁绕组通电才会有磁场产生而发电，否则发电机将不能发电。将电流引入到励磁绕组使其产生磁场称为励磁。目前汽车上用的交流发电机大多为串激式交流发电机，这种发电机的工作有他励和自励两个过程。

1.他励

在发电机转速较低时（发动机未达到怠速转速），自身不能发电，需要蓄电池供给发电机励磁绕组电流，使励磁绕组产生磁场来发电。这种由蓄电池供给磁场电流发电的方式称为他励发电。

2.自励

随着转速的提高（一般在发动机达到怠速时），发电机定子绕组的电动势逐渐升高并能使整流器二极管导通，当发电机的输出电压U_B大于蓄电池电压时，发电机就能对外供电。当发电机能对外供电时，就可以把自身发的电供给励磁绕组，这种自身供给磁场电流发电的方式称为自励发电。交流发电机励磁过程是先他励后自励。当发动机达到正常怠速转速时，发电机的输出电压一般高出蓄电池电压1～2V，以便对蓄电池充电，此时，由发电机自励发电。不同汽车的励磁电路各不相同，但有一个共同特点是励磁电路都必须由点火开关控制。交流发电机的励磁电路如图3-15和图3-16所示。