重康动力（深圳）有限公司

摘要： 旋转整流器是与交流励磁机同轴旋转的装置，其作用是将交流励磁机电枢输出的三相交流励磁电流，通过整流器上的二极管转换成直流电流，供给转子绕组作为励磁电流。正是由于旋转整流器的应用，交流同步发电机摆脱了电刷的束缚，不再有频繁维修更换零件的麻烦。本文阐述旋转整流器的组成结构与三相桥式全波整流工作原理，分析整流器常见故障现象（无输出电压、励磁绕组烧毁）、故障原因（过压过流、安装力矩不当、负载功率因数过低），并提出元件选型、紧固力矩控制及过电压保护措施（压敏电阻与阻容吸收回路）等处理方法。

 

一、旋转整流器作用和原理

 

1. 作用

（1）发电机中五大部件的功能定位。发电机主要由主定子、主转子、励磁机定子、励磁机转子、自动电压调节器（AVR）五大部件组成。主转子和励磁机定子是励磁绕组，需要通入直流电以形成足够强的磁场；主定子和励磁机转子是电枢绕组，需要通过切割磁力线来进行发电。

（2）励磁电流转换的必要性。励磁机转子发出的电是三相交流电，如何变成主转子需要的直流电以形成磁场也是发电机的一个关键所在，这就要求在励磁机转子与主转子中间增加一套整流装置，将励磁机转子交流电流整流成主转子需要的直流电流。

（3）无刷结构的优势。正是由于旋转整流器的应用，交流同步发电机摆脱了电刷和滑环的束缚，消除了电刷磨损产生的碳粉污染和火花隐患，不再有频繁维修更换零件的麻烦，显著提高了发电机的运行可靠性和维护便利性。

（4）整流器的物理组成。发电机整流器由一个体积较大的圆环形整流轮、一块反向集电铝板、三个反向二极管、一块正向集电铝板、三个正向二极管、一个压敏电阻、六个铜接头、六条连接励磁机转子、所有二极管的引线以及多个紧固定件等众多零部件组成，如图1所示。

（5）安装与电气连接。通过长螺栓等紧固件固定在预先压入转子主轴的励磁机转子铁心上，六条励磁机转子引线分别接到整圆环形整流轮的六个接线柱上，两条主转子引线分别接到正向集电铝板和反向集电铝板的接线柱上，以达到对主转子通电，产生主磁场的目的。原理如图2所示。

 

图1  无刷发电机旋转整流器结构图

图2  发电机旋转整流器结构图

 

2. 整流过程

（1）整流的基本原理。整流器是利用硅二极管的单向导电性，将交流电转换为直流电。在硅整流发电机中，将六只硅二极管连接成三相桥式全波整流电路，如图3所示。

（2）三相桥式整流电路的连接方式。在图3中三个正极管子D1、D3和D5的负极连接在一起，正极分别接在发电机的三相绕组的首端，另外三个负极管子D2、D4和D6的正极连接在一起，负极分别接在三相绕组的首端。

（3）二极管的导通原则。根据导通原则，连接在一起的几个二极管中，正极电位最高的二极管总是优先导通，即在某一时间内，只有正极电位最高或负极电位最低的管子才能导通。整流过程如图4所示。

（4）一个完整周期内的导通顺序。在t=0时，UA=0，UC为正值，UB为负值，D5、D4导通，其余4管截止。其电路为：电枢绕组eC→C→D5→"+"→R→"－"→D4→B→电枢绕组eB→电枢绕组eC。在t1～t2时间内，UA最高，UB为最低，D1、D4导通，其余4管截止。其电路为：电枢绕组eA→A→D1→"+"→R→"－"→D4→B→电枢绕组eB→电枢绕组eA。在t2～t3时间内，UA最高，UC最低，D1、D6导通，其余4管截止。其电路为：电枢绕组eA→A→D1→"+"→R→"－"→D6→C→电枢绕组eC→电枢绕组eA。在t3～t4时间内，UB最高，UC最低，D3、D6导通，其余4管截止。

以此类推，循环反复，六只管子轮流导通，在负载R两端得到较平稳的脉动直流电压。

 

图3 发电机三相桥式整流电路图

图4 发电机三相桥式整流电压波形图

 

二、发电机整流器常见故障

 

1. 故障现象

旋转整流器所在位置如图5所示，电路如图6所示。整流器通常是硅整流元件构成的整流电路，若电路中一个或几个旋转硅元件损坏，损坏后的硅元件将失去单向导电性（正反向都导通），造成电路处于短路状态。一旦旋转硅元件短路，当柴油发电机组运行时，发电机无输出电压。若不及时发现和排除故障，就会导致交流励磁机电枢绕组烧毁，发电机被迫停机。

2. 故障原因

（1）旋转整流器硅整流二极管因过压或过流而损坏。

（2）旋转整流器的硅整流元件安装时扭力矩过大，导致管壳变形，内部硅片损伤。

（3）负载功率因数过低，使励磁电流长期超过硅整流元件额定电流而使其损坏。

3. 处理方法

（1）应按图纸规定的电流等级配用旋转硅元件。如果手边无图纸资料，可按主发电机励磁电流值上靠到标准规格的硅元件。目前，国内生产的旋转整流器常见规格有16A、25A、40A、70A和200A等几种。

（2）合理选择旋转硅元件的电压等级，旋转硅元件的反向峰值电压URN应为10～15倍励磁电压UIN。

（3）紧固旋转硅元件螺母，其扭力矩应适当，用恒力矩扳手旋紧螺母。紧固旋转硅元件螺母的扭力矩数值按表1所示的规定。

表1 紧固旋转硅元件螺母的扭力矩

（4）采取过电压保护措施。过电压保护通常在旋转整流器的直流侧装设压敏电阻或阻容吸收回路。

压敏电阻选择方法如下：

交流同步电机用的压敏电阻一般为MY31型氧化锌压敏电阻器，其使用规格的选取主要以标称电压（U1mA）值来选定。

标称电压的下限一般按下列式计算：

直流电路：U1mA ≥ (1.8~2)UDC（公式1）

交流电路：U1mA ≥ (2~2.5)UAC（公式2）

式中，UDC为线路的直流电压，V；UAC为线路的交流电压有效值，V。

标称电压的上限由被保护设备的耐压来决定，应使压敏电阻器在吸收过电压时将残压抑制在设备的耐压以下。压敏电阻并联于整流器直流输出端，正常工作时呈高阻状态，当过电压出现时迅速导通，将过电压能量泄放，保护二极管不被击穿。

阻容吸收回路的C、R值按下式计算：

 

$$\begin{array}{cc}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">C</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">K</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">C</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">d</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">\cdot </span>\frac{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">I</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">02</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">2</span>}}}{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">U</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">02</span>}}}<span\; style="font-size:\; 14px;">(</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\mu </span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">F</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">)</span>& \text{<span style="font-size: 14px;">(公式3)</span>}\end{array}$$
$$\begin{array}{cc}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">R</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">K</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">R</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">d</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">\cdot </span>\frac{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">U</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">02</span>}}}{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">I</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">02</span>}}}<span\; style="font-size:\; 14px;">(</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\Omega </span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">)</span>& \text{<span style="font-size: 14px;">(公式4)</span>}\end{array}$$

式中，I₀₂为交流励磁机电枢相电流，A；U₀₂为交流励磁机电枢线电压，V；K_Cd、K_Rd为抑制电路计算系数，如表2所示。

表2 抑制电路计算系数K_cd、K_Rd的数值

阻容吸收回路通常并联于整流桥的交流输入侧或直流输出侧，利用电容两端电压不能突变的特性吸收尖峰过电压，电阻则用于限制电容放电电流和抑制振荡。

 

图5  发电机旋转整流器位置图

图6 发电机旋转整流器电路图

 

三、旋转整流器的日常维护与预防性检修

 

1. 日常维护要点

（1）外观检查。定期检查旋转整流器外观，确认整流轮无松动、无异常变色或烧蚀痕迹，连接线无断裂或绝缘破损。

（2）紧固件检查。每运行500小时应检查整流器各紧固螺栓的力矩是否在规定范围内（按表1标准），防止因振动导致螺栓松动而引发接触不良或电弧烧伤。

（3）清洁保养。清除整流器表面积聚的灰尘和油污，避免灰尘进入二极管管壳与散热片之间，影响散热效果，导致元件过热损坏。

2. 预防性检修

（1）二极管性能检测。在停机状态下，拆下旋转整流器总成，使用万用表二极管档分别测量六个二极管的正向电阻和反向电阻，确认单向导电性正常。正向电阻应较小（通常在几十至几百欧姆），反向电阻应接近无穷大。

（2）压敏电阻检查。检查压敏电阻外观有无裂纹、变色或烧焦痕迹，若表面出现明显损伤应予以更换。有条件时测量压敏电阻的标称电压值，确认其在允许偏差范围内。

（3）阻容元件检查。检查阻容吸收回路中的电容器有无鼓包或漏液，电阻有无烧焦或阻值漂移，必要时更换同规格元件。

3. 更换操作的注意事项

（1）元件匹配性。更换二极管或压敏电阻时，必须使用同型号、同规格元件，确保电流、电压和功率参数一致，不得随意代用。

（2）极性确认。安装二极管时务必确认极性方向，正极管与负极管安装位置不可互换，否则将造成整流电路短路。

（3）力矩控制。紧固二极管螺母时，必须使用扭矩扳手按表1规定的力矩旋紧，防止过紧损伤管壳或过松导致接触不良。

4. 运行参数监测

（1）励磁电流监测。定期记录发电机运行时的励磁电流值，若发现励磁电流异常升高（超过历史平均值20%以上），应停机检查旋转整流器是否存在二极管断路或短路。

（2）发电机输出电压监测。若发电机输出电压下降或完全失压，在确认AVR正常后，应优先排查旋转整流器是否损坏。

 

 

总结： 旋转整流器是无刷交流发电机的关键部件，通过三相桥式全波整流将励磁机转子的交流输出转换为直流励磁电流。整流过程中六只二极管按三相电压的相位关系轮流导通，在负载两端得到平稳的脉动直流电压。常见故障由二极管过压过流损坏、安装力矩不当或负载功率因数过低引起，表现为发电机无输出电压，严重时可能烧毁励磁机电枢绕组。维修时应选用合适的电流和电压等级元件，压敏电阻选型遵循标称电压下限公式，阻容吸收回路按公式计算C、R值，安装时按标准力矩紧固。日常维护中应定期检查外观、紧固件和清洁度，预防性检修时需检测二极管单向导电性并检查压敏电阻和阻容元件状态。更换操作须严格匹配元件规格、确认极性正确并按标准力矩紧固。运行中应监测励磁电流和发电机输出电压的变化趋势，以便及早发现旋转整流器异常，避免故障扩大。

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