特斯拉发明的交流发电机及工作原理

1.交流电动势的产生

交流发电机的工作原理如图2-10所示。

图2-10 交流发电机发电原理示意图

1—定子铁心 2—定子绕组 3—转子 4—励磁绕组 5—整流二极管 6—电刷

交流发电机定子的三相绕组按一定规律均布在发电机的定子槽中，依次相差120°电角度。中间的转子上安装着爪极和励磁绕组。当电源通过电刷、集电环使励磁绕组通电时，励磁绕组周围便产生磁场，使爪极被磁化为N极和S极。当转子旋转时，定子绕组与磁力线有相对的切割运动，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频率相同，幅值相等，相位互差120°电角度的正弦感应电动势U_U、U_V和交变的电动势U_W（图2-11）。

图2-11 交流发电机整流原理

a）整流电路图 b）三相绕组电压波形图 c）整流后发电机波形输出图

每相绕组的电动势有效值的大小与转子的转速成正比，与磁极磁通成正比，还与发电机的结构有关，即

E=CФ_n

式中 E——电动势；

C——发电机结构常数；

Ф——磁极磁通；

n——转子转速。

2.整流原理

交流发电机三相定子绕组中所感应出的电动势是交流电，需要由二极管组成的整流器转变成直流电后，才可以向用电设备输出供电电流。交流发电机采用的是三相桥式整流，利用二极管的单向导电性进行整流。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，如图2-12所示。

在三相桥式全波整流电路中，三个正二极管VD₁、VD₃、VD₅的正极引出线分别同三相绕组的首端相连，负极端连接在一起，在某一瞬间只有与电位最高的一相绕组相连的正二极管导通（图2-13）。三个负二极管VD₂、VD₄、VD₆的负极引出线也同三相绕组的首端相连，正极端连接在一起，在同一瞬间只有与电位最低的一相绕组相连的负二极管导通（图2-13）。照此原则，每个时刻整流器上都有两个二极管即正、负管子各一个同时导通。这样反复循环，6只二极管轮流导通，使得负载R_L两端得到一个比较平稳的脉冲直流电压。(www.xing528.com)

当定子绕组采用星形联结时，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2-14所示。中性点电压的平均值为发电机输出电压（平均值）的一半。该中性点电压可用来控制各种用途的继电器工作，也可用来提高发电机功率。中性点电压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，和三相绕组的六只整流二极管并联输出，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。实践证明这样可提高发电机功率10%～15%。

图2-12 二极管的单向导电特性

图2-13 具有中性点的二极管整流电路图

3.交流发电机的励磁

将电流输入到励磁绕组，使之产生磁场称为发电机的励磁。除了永磁式交流发电机外，其他形式的交流发电机都需要给励磁绕组通电才会有磁场产生而发电。交流发电机励磁方式有自励和他励两种，如图2-15所示。

1）他励。汽车在起动和发电机转速较低时，发电机自身不能发电，需要蓄电池给发电机励磁绕组提供电流，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。

图2-14 中性点电压波形图

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（一般高出蓄电池电压1～2V），发电机就能对外供电了。此时，发电机就可以把自身发出的电流供给励磁绕组，这种自身供给励磁电流发电的方式称为自励发电。

提示：硅整流发电机的实际励磁过程是“先他励后自励”。

图2-15 交流发电机的励磁方式

知识链接

尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，1856-1943年）是世界知名的发明家、物理学家、机械工程师和电机工程师。塞尔维亚血统的他出生在克罗地亚（后并入奥地利帝国）。特斯拉被认为是历史上一位重要的发明家。他在19世纪末和20世纪初对电和磁性的研究做出了巨大的贡献。他的专利和理论工作帮助了第二次工业革命。

他是一个被世界遗忘的伟人，交流发电机就是他发明的。如果特斯拉不是被迫放弃了交流电的专利权供世人免费使用，那他会是世界上最富有的人。他的梦想就是给世界提供用之不竭的能源，但他的一生很悲惨；他是一个绝世天才，但很遗憾没有多少人记得他。