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汽车电工新手入门教程(上)
来源:本站整理  作者:佚名  2014-03-22 10:43:12



    第五章 交流发电机调节器
    第一节 调节器概述

    交流发电机调节器是把交流发电机的输出电压控制在规定范围内的控制装置或由该控制装置与其他辅助控制装置组合在一起的装置,这些辅助控制装置通常是指过电压保护控制装置、磁场继电器或控制器、充电指示灯继电器或控制器。控制交流发电机输出电压的装置称为电压调节器,通常简称调节器。
    一、交流发电机调节器功能
    交流发电机在汽车上是由发动机按固定的传动比驱动旋转,因此其转速高低完全取决于发动机转速。由交流发电机的发电原理可知,每相绕组产生的感应电动势EID如下:

式中Eφ----每相绕组产生的感应电动势;
      K----绕组系数;
      W----每相绕组的匝数;
      f----感应电动势的频率;
      Ce----发电机结构常数;
      φ----每极磁通;
      n----发电机转速。
    可见,每相绕组感应电动势Eφ的大小与发电机转速n和每极磁通确φ乘积成正比。
    汽车行驶过程中,发动机转速经常都在变化,致使交流发电机转速随之改变(现代汽车发电机转速将在0~18000r/min范围内变化),因此,发电机的输出电压必然随转速的变化而变化。交流发电机电压调节器的功能:在发电机转速变化时,自动调节发电机输出电压,使其保持恒定,以防止输出电压过高而损坏用电设备和避免蓄电池过量充电。
    二、交流发电机电压调节原理
交流发电机的输出电压U与其感应电动势成正比关系,而感应电动势与发电机转速和磁通成正比,即

    当发电机转速变化时,如果要保持发电机电压恒定,就必须相应地改变磁极磁通。因为磁极磁通的多少取决于磁场电流的大小,所以在发电机转速变化时,只要自动调节磁场电流,就能使发电机电压保持恒定。调节器就是利用自动调节磁场电流使磁极磁通改变这一原理来调节发电机输出电压的。
    当发电机转速一定时,电压调节情况如图5-1所示。

    当发电机转速n达到一定值(即n=C=常数),其输出电压U达到调节电压上限值U2时,电压调节器就使磁场电流寿减小,因此磁通φ减少,电动势Eφ下降,输出电压随之下降。当输出电压降到调节电压下限值U1时,调节器就使磁场电流寿增大,因此磁通φ增多,电动势Eφ升高,输出电压随之升高。当输出电压再次升高到调节电压上限值U2时,调节器重复上述工作情况,使发电机输出电压U在调节电压上下限U2、U1之间脉动而保持平均电压Ur不变。上述调节过程可简要表达为

    三、磁场电流调节方法
    虽然各种调节器都是通过调节磁场电流使磁极磁通改变来控制发电机的输出电压,但是调节总体结构不同,调节磁场电流的方法也不相同。
    电磁式调节器调节磁场电流的方法是通过触点断开与闭合,使磁场电路的总电阻值改变来调节磁场电流。
    电子式电压调节器调节磁场电流的方法是利用大功率三极管的开关特性,使磁场电流接通与切断来调节磁场电流。
    四、交流发电机调节器分类
    汽车交流发电机调节器的种类繁多、型式各异。按其总体结构可分为电磁振动式(触点式)调节器和电子式调节器两大类。
   (一)电磁振动式调节器
    电磁振动式调节器(简称电磁式调节器)是通过一对或两对触点的断开与闭合,通过改变发电机磁场电路的电阻来调节磁场电流调节器。
    1.按调节器触点对数分类
(1)单级振动式。只有一对触点,如FT111、FT211型调节器。
   (2)双级振动式。有两对触点,如FT61、FT70型调节器。
    2.按组成联数分类
   (1)单联电磁式。只有一组电压调节器,如FT60, FT70型调节器。
   (2)双联电磁式。除电压调节器之外,另有一组磁场继电器或触点指示继电器,如FT61 A型调节器。
   (二)电子式调节器
    电子式调节器是利用三极管的开关特性,通过接通与切断磁场电路来调节磁场电流的调节器。
    交流发电机电子式调节器是按结构型式、安装方式、功能和搭铁型式分类的。
    1.按结构型式分类
   (1)分立元件式。利用分立电子元件组成的调节器,如解放CA1091型载货汽车用JFT 106型电子调节器和东风EQ 1090型载货汽车用JFT 149型电子调节器。
   (2)集成电路式。利用集成电路(IC)组成的调节器,如北京切诺基(BJ2021),长风猎豹PAJERO吉普车、斯太尔SX2190和东风EQ2102型越野汽车、上海桑塔纳、天津夏利TJ7100、TJ7130U型以及奥迪100型轿车均采用集成电路调节器。集成电路调节器大都为混合集成电路调节器,常用的集成电路有厚膜集成电路,薄膜集成电路和单片集成电路。
    2.按安装方式分类
   (1)外装式。与交流发电机分开安装的调节器,如解放CA1091型载货汽车用JFT 106型电子调节器和东风EQ 1090型载货汽车用JFT 149型电子调节器。
   (2)内装式。安装在交流发电机上的调节器。内装式调节器一般都为集成电路调节器。如北京切诺基吉普车,上海桑塔纳和一汽捷达等轿车用调节器。
    3.按功能分类
   (1)单功能调节器。仅有调节发电机输出电压功能的调节器,如JFT106、JFT149型调节器。
   (2)多功能调节器。除具有调节输出电压功能之外,还具有控制充电指示灯电路功能(如天津夏利轿车用ICR1761 W型集成电路调节器)或带有过电压控制器的调节器。
    4.按搭铁型式分类
   (1)内搭铁式。与内搭铁型交流发电机配套工作的调节器,如JFT 126A型调节器。
   (2)外搭铁式。与外搭铁型交流发电机配套工作的调节器,如JFT106型调节器。
    五、交流发电机调节器型号
    根据QC/T 73-1993规定,汽车交流发电机调节器的型号组成如图5-2所示。

    1.产品代号
夺流发电机调节器的产品代号为FT、FTD两种,分别表示发电机调节器和电子发电机调节器(字母F、T、D分别为“发”、“调”、“电”字汉语拼音第一个大写字母)。

    2.电压等级代号
    电压等级代号与交流发电机代号相同。
    3.结构型式代号
    调节器的结构型式代号用1位阿拉伯数字表示,见表5-1。

    4二设计序号
    交流发电机调节器型号按产品设计先后顺序,用1~2位阿拉伯数字表示。
    5.变形代号
    交流发电机调节器型号变形代号用汉语拼音大写字母A、B、C…顺序表示(但不能用O和I两个字母)。
    【例5-1】FT 126A表示电压等级为12V的双联电磁式调节器,第6次设计、第一次变型。
    【例5-2】FTD 152表示电压等级为12V的集成电路调节器,第三次设计(旧标准JB 1546-1983规定的型号为JFT152) 。

    第二节 电磁式调节器
    一、电磁式调节器基本结构

    电磁式调节器的基本结构由电磁铁机构、触点组件和调节电阻Rr三部分组成,如图5-3所示。

    电磁铁机构由铁芯、线圈③和磁轭⑤组成。电磁铁就是绕有线圈的铁芯,铁芯固定在磁轭⑤上,磁轭⑤固定在调节器底座上。线圈③称为磁化线圈,绕在铁芯上。线圈一端经调节器接线端子B与发电机输出端子B连接,另一端搭铁而直接承受发电机的端电压。
    触点组件由触点K、静触点支架①、衔铁②和弹簧④组成。静触点固定在支架①上,动触点固定在衔铁②的一端;衔铁的另一端支承在磁扼⑤上,可绕支点转动微小角度。弹簧④一端挂在衔铁端部,另一端挂在支架上。触点K串联在发电机磁场电路中,当调节器不工作时,触点在弹簧拉力作用下保持闭合状态。调节电阻Rr与触点K并联。
    二、电磁式调节器工作原理
    交流发电机尚未转动时,触点K在弹簧力矩作用下保持闭合状态,将调节电阻Rr短路。
    当发电机转动时,其感应电动势E便随转速n升高而升高,发电机电压U随之升高。当发电机电压低于蓄电池电压时,磁场绕组和磁化线圈由蓄电池供电。磁场电流的电路为:蓄电池正极→电流表A→点火开关SW→调节器正极端子B→调节器静触点支架→触点K→衔铁→磁扼→调节器磁场端子F→磁场绕组RF→搭铁端子E→蓄电池负极。
    磁化线圈电流的电路为蓄电池正极→电流表A→点火开关SW→调节器正极端子B→磁化线圈RX→搭铁→蓄电池负极。
    当发电机电压U高于蓄电池电压但尚低于调节电压上限值U2时,磁场绕组和磁化绕圈则由发电机供电,磁场电流的电路为发电机正极→调节器触点K一磁化线圈③→搭铁→发电机负极。磁化线圈电流的电路为发电机正极端子B→点火开关SW→调节器正极端子B→磁化线圈RX→搭铁→发电机负极端子E。
    磁化线圈通过电流产生电磁力矩吸引衔铁,磁力线从铁芯出发,经衔铁和磁扼回到铁芯而构成回路。由于发电机电压U低于调节电压上限值UZ,因此磁化线圈电流产生的电磁力矩Me小于弹簧拉力形成的力矩Ms,触点K仍保持闭合状态,调节电阻Rr仍被触点K短路。
    当发电机转速n升高到一定值,其输出电压U达到调节电压上限值U2时,磁化线圈产生的电磁力矩Me便大于弹簧力矩MS而将衔铁向下吸引,使触点K断开,调节电阻Rr随之串入磁场电路中。此时的磁场电路为发电机正极端子B→点火开关SW→调节器正极端子B→调节电阻Rr→磁场绕组→搭铁→发电机负极端子E。
    由于磁场电路中串入了调节电阻,因此磁场电路的总电阻Rf增大,磁场电流If减小,磁极磁通减少,发电机电压U下降。当发电机端电压降到调节电压下限值U1时,由于磁化线圈电流减小使电磁力矩小于弹簧力矩,因此触点重合,调节电阻又被短路,磁场电流又增大,发电机电压又升高。
    当发电机电压升高到调节电压上限值时,触点又断开。如此循环,发电机输出电压U便在调节电压上、下限值U1、U1之间脉动而保持平均电压值Ur不变。

    三、电磁式调节器调节电压
    调节器控制的平均电压Ur就是发电机的输出平均电压,称为调节器的调节电压平均值,通常简称调节电压,用Ur表示。
    根据QC/T 729-2005《汽车用交流发电机技术条件》规定:12V调节器调节电压平均值范围为14.2V±0.25V; 24V调节器的调节电压平均值范围为28V±0.3V。
调节电压Ur可用力矩平衡原理求得,其表达式为

式中C----调节器结构常数;
      δ----衔铁与铁芯间的气隙;
      Rx----磁化线圈电阻;
      Nx----磁化线圈匝数;
      Fs----弹簧拉力。
    由式可见,调节电压Ur与弹簧拉力以及衔铁与铁芯间的气隙大小有关。
    当调节器结构一定时,磁化线圈的匝数是不变的;在一定温度下,磁化线圈的电阻也是不变的,所以,’调节电压与弹簧拉力的平方根和衔铁与铁芯间气隙的乘积成正比。这说明可以通过调节气隙或弹簧拉力来得到所需的调节电压。由于在弹簧拉力不变的情况下,气隙与调节电压成正比,对电压影响较大,因此可用作粗调;在气隙不变的情况下,弹簧拉力的平方根与调节电压成正比,对电压影响较小,因此可用作微调。就车调整调节电压通常都是通过调节弹簧拉力来获得需要的调节电压值。
    四、电磁式调节器工作特性
    汽车发电机的转速变化范围很大,由电压调节原理可知,要使发电机输出电压在不同转速下都能保持恒定,就必须使磁场电流随转速的升高而减小,换句话说,调节器的工作特性应能满足这一要求。
    1.触点开闭规律
在讨论调节器的工作特性之前,先来分析一下调节器工作时触点的开闭规律。利用示波器检测发电机在不同转速下磁场绕组两端的电压波形,即可求得调节器触点的开闭规律。实测结果见表5-2和图5-4所示。触点开闭周期(也称振动周期)是触点断开与闭合一次所经历的时间;相对闭合率是触点闭合时间与开闭周期的比率;相对断开率是触点断开时间与开闭周期的比率。

    由表5-2和图5-4可知,当调节器工作时,触点的开闭规律:当发电机转速升高时,触点闭合时间缩短,相对闭合率减小;触点断开时间增长,相对断开率增大。反之,当发电机转速降低时,触点闭合时间增长,相对闭合率增大;触点断开时间缩短,相对断开率减小。


      2.调节器工作特性
        调节器与发电机配合工作时,发电机的输出电压和磁场电流随转速变化的关系,称为调节器的工作特性。特性曲线如图5-5所示。

        由调节器工作特性曲线可见:当发电机转速n由零开始升高时,发电机电压U和磁场电流If随之增大,即

此时触点保持闭合,磁场电流为

式中RF----磁场绕组电阻。
  当转速”升高到某一转速ns时,发电机输出电压达到调节电压上限值姚,调节器开始工作,触点K开始振动(即周期性的断开与闭合)。若转速继续升高,则触点继续振动,直到转速升高到某一转速nmax时振动才停止。在调节器工作期间(即转速从ns升到nmax期间),由触点开闭规律可知,触点相对闭合率随转速升高而减小,所以平均磁场电流减小,磁极磁通减少,从而便使发电机电压保持稳定。当转速升高到nmax 之后,发电机输出电压和磁场电流将又随转速升高而升高,调节器失去调节作用。
    转速ns称为调节器的开始工作转速或工作下限转速,转速nmax称为调节器的终止工作转速或工作上限转速。从工作下限转速到工作上限转速之间的范围,称为调节器的调节范围。对调节器的工作特性可作如下定性分析:
    在调节器调节范围内,触点在周期性的断开与闭合。当触点闭合时,磁场电路的电阻只有磁场绕组电阻RF;当触点断开时,调节电阻Rr便串入磁场电路,此时磁场电)路的电阻为磁场绕组电阻与调节电阻之和(即为RF+Rr)。因此在触点开闭的一个周期T内,磁场电路的平均电阻为

平均磁场电流If为

    在发电机转速n由零升高到调节器开始工作转速n,前的瞬间(即触点即将断开的瞬间),断开时间为零即tk=0,相对断开率为零即τk=0,此时磁场电路中只有磁场绕组电阻,磁场电流最大,即

    当转速达到开始工作转速n,后继续升高时,由触点开闭规律可知,转速n升高,则触点断开瞬间增长,相对断开率增大,由式可见,磁场电流If随转速n升高而减小,从而便使输出电压平均值保持恒定。
    当转速继续升高到调节器终止工作转速nmax时,触点将一直断开而不再闭合,即触点闭合时间为零,断开时间等于开闭周期tk=T,相对断开率等于,此时调节电阻Rr一直串入磁场电路,磁场电流值最小,即

    所以磁极磁通最少,即φ= φmin。而不能再减小。因为发电机输出电压U≈E= Ceφn,所以当转速达到工作上限转速继续升高时,发电机电压和磁场电流将随转速升高而升高,调节器失去调节作用,发电机电压失控。
    由此可见,在调节器调节范围内,当转速从工作下限升高到工作上限时,触点相对闭合率从1降低到0,相对断开率从零增大到1,磁场电流从最大值减小到最小值,发电机输出的平均电压则保持恒定。
    影响调节器工作下限的主要因素有调节器的调整参数、发电机的结构和负载电流的大小;影响调节器工作上限的主要因素有调节器调节电阻值的大小和发电机负载电流的大小。当调节电阻值增大时,磁场电流最小减小,终止工作转速增高,调节范围扩大;反之,当调节电阻值减小时,调节范围缩小。在实际应用中,调节电阻值不能过大,否则在触点振动时,将会产生强烈火花而烧坏触点;负载电流对调节器工作上、下限转速的影响如图5-6所示。

    当交流发电机带负载时,由于发电机内压降和电枢反应的影响,因此在调节器触点投入工作之前,发电机在相同转速条件下的电压比空载时要低,又因调节电压是一定值,所以当发电机电压达到调节电压值时,转速必然高于空载时的开始工作转速ns。
    在调节器调节范围内,要使调节电压(即发电机输出电压)保持不变,在相同转速条件下,就必须增大磁场电流来补偿内压降和电枢反应降低的电压,因为磁场电流最大值和最小值都不会改变,所以当发电机带负载时,调节器的终止工作也比空载时的终止工作转速高。
    五、提高电磁式调节器性能措施
   (一)提高触点振动频率
    提高交流发电机电磁式调节器性能措施有提高触点振动频率、温度补偿和减弱触点火花。
    电磁式调节器解决了发电机转速变化时,用电设备要求电压恒定的问题。但是,由于电磁式调节器的机械部件有机械惯性,磁化线圈有磁滞性,因此触点振动频率较低。
    振动频率是决定调节器工作性能的重要参数,振动频率低时,发电机电压在调节上下值之间变化就慢,会导致灯光闪烁、仪表指针不稳而影响用电设备正常工作。因此,必须设法提高调节器触点的振动频率,其方法如下。
    1.减小机械惯性
在调节器机械运动部件方面,采用薄而轻的衔铁,并将其外形做成三角形或半圆形,目的是缩短衔铁重心与支点间的距离,减小衔铁的转动惯量。
    2.减小衔铁磁滞性
    减小衔铁磁滞性可以提高铁芯磁通的变化速率,即在触点由闭合状态转为断开状态时,加速铁芯磁化,使触点迅速断开;在触点由断开状态转为闭合状态时,加速铁芯退磁,使触点迅速闭合,从而使触点振动频率提高。
    减小铁芯磁滞影响的方法过去曾用加速线圈,后来采用加速电阻。
    综上所述,加速电阻提高触点K振动频率的实质是:当触点断开时,加速铁芯退磁,使触点迅速再次闭合。当触点闭合时,加速铁芯磁化,使触点迅速再次断开。
   (二)温度补偿
    调节器的工作过程,是以温度不变为前提条件的。当环境温度变化以及磁化线圈通过电流而发热时,磁化线圈W的电阻就会随之发生变化,调节电压Ur也会随之发生变化。由于铜导线的电阻随温度升高而增大,交流发电机输出电压将随温度升高而升高,因此必须采取补偿措施。常用方法有以下两种。
    1.采用康铜导线电阻
    方法是将磁化线圈的一部分用康铜(即铜镍合金,含铜60%、镍40%)导线绕制。设计时,康铜导线电阻占磁化线圈总电阻值的30%~65%。由于康铜导线的电阻温度系数很小(为0.000 002),仅为铜导线的1/2000,因此总电阻值随温度变化的变化量相对减小,发电机输出电压受温度的影响也相对减小。

    采用康铜导线电阻进行温度补偿的具体方法有三种:第一种是将康铜导线绕制成电阻后再与磁化线圈串联,如图5-7中的电阻Rt;第二种是将康铜导线作为磁化线圈的一部分绕在铁芯上;第三种是将加速电阻用康铜导线绕制。

    2.采用磁分路片
    康铜导线电阻只能减小温度的影响,还不能达到完全补偿的目的,所以在调节器中还广泛采用了磁分路片进行补偿。在图5-7中,磁分路片⑥安装在铁芯与磁辘⑤之间,与衔铁②形成并联磁路。磁分路片的材料大都采用铁镍合金(含铁69%、镍31%)或铁镍铝合金(含铁64%、镍34%、铝2%)制成,其磁阻都是随温度升高而增大。磁分路片的温度补偿原理如下:
    磁化线圈在铁芯中产生的磁通分为两路:一路经气隙、衔铁②和磁辘⑤回到铁芯,这部分磁通越多,吸引衔铁的力矩越大;另一路磁通经磁分路片⑥和磁辘⑤回到铁芯。当温度升高时,虽然磁化线圈电阻增大、电流减小会使磁通减少,但是,温度升高又使磁分路片的磁阻增大,通过磁分路片的磁通减少,使通过气隙和衔铁的磁通相对增多,从而弥补线圈电流减小带来的影响;当温度降低时,磁分路片的作用与上述相反,从而便使发电机输出电压不随温度变化而变化。
   (三)减弱触点火花
    在电磁式调节器工作过程中,当触点断开或闭合时,都有可能产生电弧。电弧是弧光放电的一种现象。当流过触点的电流和触点上的电压达到一定值时,就能产生持续的电弧(当电流不大而触点电压达到300V时,就能产生电弧),通常将电弧称为触点火花。触点火花会引起电蚀(通常称为烧蚀)现象(在高温下,电场中的金属从一个触点向另一个触点转移的现象称为电蚀现象)。其结果是在一个触点上产生凹坑,在另一个触点上产生凸起。触点火花是触点工作可靠性的决定因素,进而影响充电系统正常工作。
    对只有一个磁化线圈的单级电磁式调节器,触点断开功率可用下式表示:
Pk=IkUk=I       (5-1)
    因为磁场绕组为感性元件,其电流不能跃变,所以触点断开瞬间流过的电流Ik等于磁场电流If,加在触点两端的电压Uk等于调节电阻值Rr两端的电压,即Uk=IfRr。
    由式(5-1)可见,触点断开功率与发电机磁场电流的平方和调节电阻值的乖积成正比。磁场电流和调节电阻值越大,则断开功率越大,触点火花也就越强,触点越易烧蚀。但要减小触点断开功率,又不能从减小If或Rr着手,因为Rr决定发电机的工作转速范围,不能任意减小。而减小If又要保持足够的磁场强度,就必然要增加磁场绕组的匝数而导致发电机质量和尺寸增加。为了解决触点易烧蚀的问题,触点应采用高熔点、耐氧化的钨触点和钨银触点,并在调节器线路上采用熄弧措施来提高触点的使用寿命,除此以外,大多数采用具有两对触点的双级电磁振动式调节器来解决上述矛
盾,减弱交流发电机电磁式调节器触点火花。

    六、具有灭弧系统单级电磁式调节器
    1.灭弧系统结构特点
    FT111、FT211型调节器是上海实业交通电器有限公司生产的一种具有灭弧系统的单级电磁式调节器,它能有效克服普通单级电磁式调节器触点易产生火花而迅速烧蚀的缺点,FT111型适用于12V, 300~500W内搭铁型交流发电机,FT211型适用于24V,300~500W内搭铁型交流发电机。两种型号调节器的结构与电路基本相同,如图5-8所示。由图可见,两种调节器在单级电磁式调节器的基础上,增加一个由二极管VD、扼流线圈W2和电容C组成的VD-L-C触点灭弧系统。

    2.灭弧系统工作原理
    在调节器工作过程中,每当发电机电压达到调节电压上限值时,磁化线圈W1产生的电磁力矩便将触点K吸开,加速电阻和调节电阻随即串入磁场电路中,使磁场电流急剧减小。

    由于磁场电流急剧减小,因此在磁场绕组中便会感应产生电动势,该电动势称为浪涌电压。
    该浪涌电压正向加在二极管VD上,使二极管VD、扼流线圈W2与磁场绕组构成放电回路,起到续流作用而保护触点。同时也使浪涌电压迅速衰减,防止汽车上的电子装置和电子元件被反向击穿而损坏。另外,电容器C通过扼流线圈W2并联在触点K两端,用来吸收浪涌电压,加速感应电动势衰减,减少触点电蚀。
    上述具有灭弧系统的单级电磁式调节器的优点是:只有一对触点,调节容易;不仅减小了触点火花,减弱了无线电干扰,使触点寿命延长;而且还有提高触点振动频率的功能。当触点断开时,由于放电电流通过扼流线圈W2时产生的磁通与磁化线圈W1产生的磁通方向相反,加速了铁芯退磁,因此能够加速触点闭合,提高触点振动频率。

    七、FT61型双级电磁式调节器
    1.基本原理
    双级电磁式调节器的原理电路如图5-9所示,它与单级电磁式调节器的区别在于:①多设计了一对触点(即二级触点或高速触点)K2,且高速触点直接搭铁;②调节电阻的阻值比单级式要小得多。双级电磁式调节器的基本工作原理如下:

    调节器不工作时,其初始状态是一级触点(低速触点)K1闭合,二级触点(高速触点)K2处于断开状态。
    当发电机低速运转时,一级触点K1工作,其工作情况与前述单级电磁式调节器相同。当发电机转速升高到调节电阻Rr不能起到调压作用的极限转速(即一级触点工作的上限转速)时,衔铁居于中间位置,低速触点K1和高速触点K2均处于断开状态,此时调节电阻RT串在磁场电路中,磁场电流最小。若转速继续升高,则发电机电压和磁场电流就会升高,一级触点K1失去调节作用。当发电机电压升高、磁化线圈电磁力矩增大、衔铁进一步下移使二级触点K2闭合时,磁场绕组被短路,磁场电流迅速减小到零,发电机电压随之迅速下降。电压下降又使磁化线圈的电磁力矩减小,在弹簧力矩作用下,二级触点K2重又断开,衔铁又居中间位置,磁场电流又经调节电阻构成回路,发电机电压重又升高。如此循环,通过二级触点K2振动,使磁场绕组周期性地被短接,便将发电机电压控制在某一平均值不变。
    双级电磁式调节器的工作特性如图5-10所示。图中ns1~n1max为第一级低速触点K1工作时的调节范围,nS2~n2max为第二级高速触点K2工作时的调节范围。调节器触点从第一级过渡到第二级工作时,由于弹簧拉力以及衔铁之间的空气隙发生变化,所以两级调节电压的平均值也略有不同,出现一个级差△U。

    级差电压△U随高速触点间隙以及衔铁与铁芯间气隙不同可分为正级差(即第二级高速触点工作电压高于第一级低速触点工作电压)或负级差(即第二级高速触点工作电压低于第一级低速触点工作电压),如图5-11所示。一般来说,衔铁与铁芯间气隙增加时为正级差。

    而在气隙不变的情况下,当触点间隙戊小于最佳间隙δk0(约0.25mm)时,二级调节电压Ur2将高于一级调节电压Ur1,即为正级差,如曲线①所示;当触点间隙δk大于最佳触点间隙δk0时,二级调节电压Ur2将低于一级调节电压Ur1,即为负级差,如曲线③所示。这是因为在高速触点间隙增大的情况下,当其闭合时弹簧伸长,拉力增加。弹簧拉力与伸长距离成正比增大,但与此同时衔铁与铁芯间的气隙减少,而铁芯的电磁吸力是按抛物线规律增加的缘故。

    在生产和使用中,由于触点间隙很难保证调整在最佳间隙值,加上衔铁与铁芯间的气隙变化也会影响调节电压,因此对12V电气系统,允许级差为0.5V;对24V电气系统,允许级差为1.0V。在调整调节器触点间隙和衔铁与铁芯间隙时应予以注意。
    双级电磁振动式电压调节器的优点是触点火花小,调节器的适用转速范围大,因为设计调节器时,使其大部分工作时间是在第二级,而第一级的转速范围不大,调节电阻Rr可设计得较小,约为单级式的1/7~1/10,所以低速触点的切断功率很小,火花大大减小。而高速触点闭合时,磁场绕组短路,触点打开时也无火花。故双级式调节器的触点火花小、使用寿命长。又由于调节器在第二级工作时,是用短路磁场绕组的方法来减小磁场电流以保持电压恒定的,则第二级的终止转速只受发电机剩磁的限制,所以调节器的转速范围大大增加。
    双级式调节器虽然使触点火花减小,调节器适用转速范围大,但由于有两对触点且高速触点间隙很小(一般为0.2~0.4mm),因此调整比单级式困难。并且当高速触点之间夹有灰尘而不导电时,触点闭合不能将磁场绕组短路,电压将随转速升高而增高,使发电机和用电设备具有烧坏的危险,为此双级式调节器的盖子与底座之间必须良好密封。
    2.结构特点
    FT61型双级电磁式调节器可与BJ2020、EQ 1090等型汽车用12V, 350~500W的内搭铁型交流发电机配套使用,结构与内部电路如图5-12所示,由电磁铁机构、触点组件和3只电阻R1、R2、R3组成。

    触点有两对,上、下两个为静触点,其塑料支架绝缘固装在磁扼上。两静触点之间的动触点铆接在衔铁的一端,衔铁的另一端用弹簧拉紧。当调节器不工作时,在弹簧力矩作用下,上对触点(即一级触点或低速触点)处于闭合状态,下对触点(即二级触点或高速触点)处于断开状态。一级触点的静触点支架用导线与调节器的正极接柱端子B(又称为点火端子或S端子)相连;二级触点的静触点支架用导线与调节器底座相连而搭铁。衔铁与磁辘之间用铜质导电片铆接而连接。动触点经衔铁、导电片、磁辘与调节器“磁场”端子F相连。电阻R1、R2串联后跨接在调节器接线端子B与F之间。磁化线圈一端接在电阻R1与R2之间,另一端与电阻R3相连,电阻R3的另一端搭铁。因为磁化线圈电流是从端子B经电阻R1、磁化线圈和电阻R3后流回电源负极,所以由前述加速原理与温度补偿原理可知:电阻R1为加速电阻,R2为调节电阻,R3为温度补偿电阻。
    3.工作情况
    点火开关SW一旦接通,发电机磁场绕组和调节器磁化线圈就有电流流过。
   (1)发电机尚未转动或其电压低于蓄电池电压时,磁场电流由蓄电池供给,电压随转速升高而升高。
    磁场电流电路为蓄电池正极→电流表A→发电机B端子→点火开关SW→调节器B端子→低速触点的静触点支架①→低速触点K1→衔铁②→磁轭⑤→调节器磁场接线端子F→发电机磁场接线端子F→电刷→集电环⑦→磁场绕组⑧→集电环一电刷⑥→发电机负极接线端子E→搭铁~蓄电池负极。
    磁化线圈电流电路为:蓄电池正极一电流表A→点火开关SW→调节器正极接线端子B→加速电阻→磁化线圈③→温补电阻→搭铁→蓄电池负极。此时用电设备由蓄电池供电。
   (2)当发电机转速升高,其电压高于蓄电池电压(但尚低于调节电压上限值)时,磁场电流和磁化线圈电流均由发电机供给,发电机由他励发电转为自励发电,其电压随转速升高和磁场电流增大而升高。
    磁场电流电路为发电机定子绕组→正极管→发电机输出端子B→点火开关SW→调节器正极端子B→低速触点K1→衔铁②→磁扼⑤→调节器磁场端子F→发电机磁场端子F→集电环⑦→磁场绕组⑧→集电环→电刷⑥→搭铁→发电机负极管→定子绕组。
    磁化线圈电流电路为发电机定子绕组→正极管→发电机输出端子B→点火开关SW→调节器正极端子B→加速电阻一磁化线圈③→温补电阻→搭铁→发电机端子E→负极管→定子绕组。
    发电机同时还向用电设备供电和向蓄电池充电,其充电电路为:发电机定子绕组→正极管→发电机输出端子B→电流表A→蓄电池→搭铁→发电机端子E→负极管→定子绕组。发电机电压升高时,磁化线圈两端的电压随之升高。磁化线圈电流增大,产生的电磁力矩也增大,力图克服弹簧力矩而吸下衔铁使低速触点K1断开。但是,由于发电机电压低于调节电压上限值,因此电磁力矩尚未超过弹簧力矩,触点K1仍保持闭合状态,发电机电压随转速升高和磁场电流增大而继续升高。
   (3)当发电机电压随转速升高而升高到低速触点K1控制的调节电压上限值时,触点振动工作,将发电机输出电压控制在某一平均值Ur1不变。
    当发电机输出电压上升到低速触点K1控制的调节电压上限值时,磁化线圈产生的电磁力矩Me略大于弹簧力矩MS,电磁吸力克服弹簧力矩将衔铁向下吸引,使低速触点K1断开(高速触点K2仍处于断开状态)。
    磁场电路为发电机输出端子B→点火开关SW→调节器正极端子B→加速电阻R1→调节电阻Rz→调节器磁场端子F→发电机磁场端子F→磁场绕组⑧→搭铁→发电机负极端子E。
    磁场电路中串入了加速电阻和调节电阻,因此磁场电路总电阻值增大,磁场电流减小,磁极磁通减少,发电机电动势降低,输出电压下降。当输出电压下降至低速触点K1控制的调节电压下限值时,磁化线圈因电压降低和电流减小而产生的电磁力矩小于弹簧力矩,低速触点K1在弹簧力矩作用下又闭合,加速电阻R1和调节电阻R2又被低速触点K1短接,磁场电路总电阻值减小,磁场电流增大,磁极磁通增多,发电机电动势升高,输出电压又升高。当输出电压升高到调节电压上限值时,低速触点又被吸开。如此循环上述过程,通过低速触点K1振动,使加速电阻和调节电阻循环串入和隔出磁场电路,便将发电机电压控制在某一平均值不变。
   (4)当发电机转速继续升高时,调节器高速触点K2工作,将发电机电压控制在某一平均值不变。
    随着发电机转速的升高,由触点开闭规律可知,低速触点的相对断开率增大,当转速升高到一级触点(低速触点)工作的上限转速时,低速触点不再闭合即相对断开率为1,动触点停留在中间位置。虽然此时加速电阻和调节电阻串在磁场电路中,但是由于磁场电流已减小到最小值,因此发电机电压将随转速升高而升高。
    当发电机电压随转速继续升高而升高时,磁化线圈电流增大,产生的电磁力矩也增大,克服弹簧力矩后,将把衔铁吸得更低,衔铁位移量增大。当发电机输出电压升高到二级触点(高速触点)工作的调节电压上限值时,磁化线圈电流产生的电磁力矩略微超过此时弹簧力的力矩,吸引衔铁进一步下移而使高速触点K2闭合。
    当高速触点K2闭合时,磁场绕组两端均搭铁,即磁场绕组被高速触点K2短路,如图5-13(a)所示。当磁场绕组被高速触点K2短路时,磁场电流急剧减小,磁极磁通急剧减少,发电机电压急剧下降。与此同时,磁化线圈两端的电压也急剧下降,磁化线圈电流急剧减小,电磁力矩急剧减小。当发电机电压降到高速触点K2工作的调节电压下限值时,磁化线圈的电磁力矩减小到略小于弹簧力矩,衔铁在弹簧力矩作用下又回到中间位置,使低速触点和高速触点都处于断开状态,磁场电路如图5-13(b)所示,此时磁场电流相对于高速触点K2闭合时又急剧增大,发电机电压又升高,如此循环上述过程,通过高速触点K2周期性地短路磁场绕组使磁场电流改变,便将发电机电压控制在某一平均值Ur2不变。

    综上所述,FT61型双级电磁式调节器的工作情况如下:
    在交流发电机低速或大负荷时,由一级触点或低速触点K工作,工作情况与单级电磁式调节器相同,通过改变磁场电路电阻,使磁场电流变化来控制发电机电压。
在交流发电机高速或小负荷时,由二级触点或高速触点K2工作,通过短路磁场绕组,使磁场电流变化来控制发电机电压。

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