摘要:從理論上分析了星形連接交流發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)二極管的作用原理, 中性點(diǎn)二極管通過將電動(dòng)勢(shì)絕對(duì)值較低的發(fā)電機(jī)定子繞組及時(shí) “短路”, 減少發(fā)電機(jī)的內(nèi)部損失、增加發(fā)電機(jī)輸出。確定了中性點(diǎn)二極管發(fā)揮作用的轉(zhuǎn)速條件和負(fù)載條件, 即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于 3. 3倍空載轉(zhuǎn)速、負(fù)載電阻小于一相定子繞組的阻抗。

       為了獲得平滑的輸出電壓 ,汽車發(fā)電機(jī)采用三相橋式整流。發(fā)電機(jī)的三相定子繞組有 2種連接類型 :星形(也叫 Y形)和三角形 (即 Δ形 )。采用星形連接時(shí) ,發(fā)電機(jī)以三相定子繞組之間的線電壓對(duì)外供電 ,所以低速時(shí)輸出電壓高 、充電性好 ,但輸出電阻大 、效率低;采用三角形連接時(shí) ,發(fā)電機(jī)以三相定子繞組的相電壓對(duì)外供電 ,所以輸出電阻小、效率高, 但低速輸出電壓低、充電性差 。為了既獲得好的低速充電性能 ,又獲得高的輸出效率, 現(xiàn)在許多汽車發(fā)電機(jī)在三相定子繞組星形連接的基礎(chǔ)上,采用中性點(diǎn)二極管 ,改善星形連接發(fā)電機(jī)的輸出性能 。

       中性點(diǎn)二極管就是對(duì)于星形連接的發(fā)電機(jī) ,在定子繞組中性點(diǎn)和發(fā)電機(jī)正負(fù)極之間連接的兩只二極管 。發(fā)電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),中性點(diǎn)二極管可以使發(fā)電機(jī)的輸出功率增加 10% ～ 15%。但是, 關(guān)于中性點(diǎn)二極管的作用原理,國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)都沒有給出嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的解釋, 很多都是簡(jiǎn)言概括 ,認(rèn)為是畸變的中性點(diǎn)三次諧波電壓在發(fā)電機(jī)高速下高于發(fā)電機(jī)端電壓而輸出, 這種解釋過于牽強(qiáng),沒有真正分析出中性點(diǎn)二極管的工作情況,缺乏足夠的理論依據(jù) ;關(guān)于中性點(diǎn)二極管作用的影響因素也沒有文獻(xiàn)報(bào)道 。為此本文對(duì)中性點(diǎn)二極管的作用原理、條件和影響因素進(jìn)行了深入的分析研究, 希望有助于合理設(shè)計(jì)和使用星形連接發(fā)電機(jī)。

1　中性點(diǎn)二極管的作用原理

1. 1　基本整流電路的不足

       星形連接交流發(fā)電機(jī)的基本整流電路是由六只硅整流二極管組成的三相橋式整流電路, 如圖 1a)所示 ;三相繞組產(chǎn)生的交流電動(dòng)勢(shì)如圖 1b)所示。由硅二極管單相導(dǎo)電特性得出 ,在任一時(shí)刻, 總是正極電位最高和負(fù)極電位最低的一對(duì)管子導(dǎo)通, 其整流過程如下:

       在 0 ～ t 1 時(shí)間內(nèi), C相輸出端電位最高, 而 B相輸出端電位最低 ,所對(duì)應(yīng)的二極管 VD 5 , VD 4 均處于正向?qū)?, C相和 B相繞組串聯(lián)供電 。電流從繞組 C出發(fā), 經(jīng) VD 5 →負(fù)載→VD 4 →繞組 B構(gòu)成回路。忽略二極管上的導(dǎo)通電壓 ,發(fā)電機(jī)的輸出電壓可視為 C, B繞組之間的線電壓與 C, B繞組上的電壓之差 。在 t 1～ t 2 時(shí)間內(nèi) , A相輸出端電位最高 ,而 B相輸出端電位最低,所對(duì)應(yīng)的二極管 VD 1 , VD 4 均處于正向?qū)?,A相和 B相繞組串聯(lián)供電,發(fā)電機(jī)的輸出電壓可視為 A, B繞組之間的線電壓與 A, B繞組上的電壓之差 。依次類推,周而復(fù)始, 這種基本整流電路的輸出電壓始終等于兩相繞組之間的線電壓與兩相繞組上的電壓降之差,在負(fù)載上便可得到一個(gè)平穩(wěn)的直流脈動(dòng)電壓 ,如圖 1b)所示：

       交流發(fā)電機(jī)三相繞組都存在阻抗 (電阻和感抗 ),且其值隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高而增大, 所以每相繞組阻抗產(chǎn)生的電壓降隨著轉(zhuǎn)速的升高和輸出電流的增大而增大。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出電流達(dá)到一定值時(shí) ,串聯(lián)提供輸出的兩相繞組電動(dòng)勢(shì)大小相差過大 ,其中一相繞組的電動(dòng)勢(shì)就可能小于其阻抗上的電壓降 ,該繞組不僅無法向外輸出電能 ,而且還消耗另一相繞組的電能 ,使發(fā)電機(jī)內(nèi)部損耗增大 、輸出效率下降 。如同容量差異過大的兩塊電池串聯(lián)使用, 隨著輸出電流的增大,低容量電池供電能力逐漸減小, 當(dāng)其電動(dòng)勢(shì)小于內(nèi)阻上的電壓降時(shí) ,就完全失去供電能力而成為大容量電池的負(fù)載, 消耗大容量電池的電能, 使電池組內(nèi)部損耗增大、輸出效率下降。

結(jié)語：

       隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高和用電設(shè)備的增多 ,中性點(diǎn)二極管起作用的角度范圍也增大。發(fā)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)越多,定子繞組電感越大,同樣使用條件下定子繞組阻抗就越大,中性點(diǎn)二極管起作用的角度范圍就越大。磁極對(duì)數(shù)和定子繞組電感屬于結(jié)構(gòu)因素 ,制造時(shí)綜合考慮確定。

       星形連接交流發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)二極管是通過將電動(dòng)勢(shì)絕對(duì)值較低 、沒有輸出能力的發(fā)電機(jī)定子繞組及時(shí)“短路”,避免其消耗其他定子繞組的電能 ,以減少發(fā)電機(jī)的內(nèi)部損失、增加發(fā)電機(jī)的輸出。

       理論分析表明,只有當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于 3. 3倍空載轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)、負(fù)載電阻小于一相定子繞組的阻抗時(shí) ,兩個(gè)中性點(diǎn)二極管才開始間隔導(dǎo)通, 發(fā)揮作用 。

       影響中性點(diǎn)二極管作用大小的因素包括負(fù)載電阻、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速 、磁極對(duì)數(shù)、定子繞組電感等 。隨著發(fā)電機(jī)負(fù)載電阻減小和轉(zhuǎn)速的提高,中性點(diǎn)二極管起作用的角度范圍增大 ,作用越來越明顯 。