第五章 發電機(2/3)
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圖5.14、二極體橋式整流器的電路及整流示意圖
電流通過每一個二極體時，使用0.7伏特克服二極體阻抗，整流一次需要通過二個二極體，因此總共產生1.4伏持的壓降。當風車的交流發電機連接一個橋式整流器對一個12伏特的電池時，因為壓降減少了1.4伏特，所以要能對12V電池充電則需13.4伏特的交流電電壓。因為橋式整流器消耗掉1.4伏特是以熱能方式釋出，所以橋式整流器要接在一個散熱鰭板上，防止散熱不良良而燒毀整流器。下圖(右側)是機殼內整流器接在散熱鰭片的情形。
圖、散熱鰭片與整流器連接圖
電流以脈衝的形式從交流發電機流出時，輸出電壓超過電池電壓和整流器二極體的1.4V壓降後，開始對電池進行充電。當交流電電壓升高則電流增強也相對較穩定。尤其是三相交流電其電流及電壓均較單相交流發電機的穩定。
電機的電刷(brush)與滑環(slipring)
圖5.4是一個內轉子有線圈的永磁鐵交流發電機。而巿面上您找的到的電機或馬達大部份在外轉子上也都有線圈。內轉子不動接線容易，而外轉子會轉動因此要將線圈輸出連接到外部電路就因為轉動問題變的比較複雜。解決外轉子轉動的接線方法就是在轉軸上加上滑環。滑環是用車床車出來的固定在外轉子上的光滑銅環。周圍用於當做連接點的稱為電刷，電刷用彈簧壓住而與滑環結合。早期的電刷是用紮成辮子的細銅線做成的。現在大部份的電刷是用碳棒製作。所以電刷又有人稱它為碳刷。
圖5.15、汽車發電機的外轉子實體、立體及棋剖面構造示意圖
圖5.15是一顆外轉子有勵磁線圈的汽車發電機。勵磁電流透過電刷與滑環饋入線圈。這股電流也通過調節電路以防止過大的電壓超過電池充電電壓的安全上限。這個勵磁線圈的作用機制是避免產生過高的電壓用於保護電池，和外轉子轉速無關。如果發電機是使用永磁鐵就不需要電刷，但是發電機電壓及電流輸出就沒有辦法用這種方式調控。
電刷用久了會磨損，滑環上也會有電刷磨擦產生的細銅粉或碳粉把滑環弄髒。這些髒東西或者是在電壓過載情形下，因為細粉造成的絶緣不良會引發短路放電的火花。有電刷的發電機保養比較麻煩也會火花產生的問題，於是人類又發明了無電刷發電機。當然囉，無電刷電機比電刷電機可靠多了，價格也高出許多。
換向器(交流整流子發電機，commutator)
在半導體製程製造的二極體還沒發明問世之前，要把交流電變成直流電電池充電是一件很困難的事。那年代是用一種很特殊的直流發電機(dynamo)直接產生直流電對電池充電。
直流發電機(Dynamo)的內轉子是由場磁場構成，內部有一個構造特殊的外轉子稱為電樞(armature)，電樞由數組圈和一個換向器(交流整流子)構成。
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圖5.16、直流發電機(Dynamo)外轉子及橫剖面構造圖
若就Dynamo的外轉子構造來看，它所發出的電是交流電。利用由電刷和滑環的機械組合構成的換向器(commutator)而將交流電改變為直流電輸出。換向器的工作原理用圖看的糊里糊塗，請參考下列網址的動畫，您就會很清楚的了解其原理
http://www.gearseds.com/curriculum/images/figures/dcmotor.swf。
換向器(commutator)的英文意義就是交換器(switcher)。外轉子磁蕊上的繞線圈組合最後連接到換向器的銅環上(下圖)。將電刷正確的放在線圈輸出的正負極的相對銅環位置上，使得線圈切割磁通量時所產生的電流輸出都在同一方向。即然是同向，那麼就是所謂的直流電輸出的電機。
換向器也用在其它的電機或馬達上，這類電機都稱為直流馬達(d.c. motor)或是通用型馬達(universal motor)。
圖、外轉子、銅環與電刷構成的換向器及直流電輸出示意圖
改變發電機的轉速
設計風車發電系統的最麻煩部份是發電機轉速的設定與控制。大部份製作風車的人都希望他的發電機的最大效率輸出的轉速和風車葉片轉子的轉速一樣最好。也就是說要不您的發電機轉速比一般的發電機低很多或者您的風車是超高速。很不幸的，低速發電機發不出什麼電，高速風車不太合乎空氣動力學也容易壞。所以風車轉速過低與發電機要求的高轉速之間必需有一些減低運轉速度的調適方法。
如本章前面所述，發電機內線圈輸出的電壓及功率受到轉速、磁通量強度及線圈繞線匝數影響。其中影響最大的限制因子是磁通量強度。因此，為了能在低轉速條件下運轉而有高效率輸出，我們可能的做法是將線圈從併聯改成串聯(三角接線星形接線)或是增加線圈匝數的方法來解決低電壓輸出的問題。
很不幸的，您想採用的方法在不考慮銅損失的情形下，還是明顯的降低額定(最大) 輸出功率。例如：理論上，您可以把12V發電機的接線改併聯成為24V的發電機，那麼您的交流發電機運轉速度就只需要1/2就可以對12V的電池充電。因為功率(W) = 電流(I)*電壓(V)，所以如果電流大小相同，您只能得到1/2的電能(W)。因為您沒有改變線圈銅線粗細和匝數，所以12與24V的線圈內的銅損失相同。但是線圈輸出後的銅損失變成2倍，效率就大打折扣了。
如果我們轉速減一半還要保持相同的效率，那麼就必需減少電流和降低電壓。結果就是額定功率依額定轉速減低量的平方減少，損失極為慘重。例如：轉速減少1/2，則發電機輸出功率降為(1/2)2 = 1/4。這是風車及發電機低轉速運轉的代價。也就是說發電機大一點，輸出功率就會多一些。這並不是說發電機越重就越好，因為您必需把發電機抬上半空中，這可不是很好玩的事。SO，重點是發電機的效率要高才是關鍵，而效率高的發電機多多少少有些增加的重量，多這些重量算一算划得來。
發電機的種類
電機有很多種(下圖)那些大型發電廠用的超大型發電機組不在本書中討論。小風車用不到那些污染環境的大怪物。您常聽到馬達、電機、發電機等名詞，其實他們都統稱為電機，事實上有很多不同功能作用的電機，就馬達部份就分成2~30種(下圖)。所以啦，在您弄到一顆不知是什麼電機、馬達或發電機的時候，您最好先搞清楚”它”是啥玩意兒之後，再把它搞成您的風車專用發電機。(說明：因為我不是學電機，這麼馬達名詞我也不會太懂，SO…不翻成中文，省得越翻越糊塗。)
圖、電動馬達的家族分類樹
因為太多種電機了，本章就一些比較常見及可以應用在風車發電機的電機做一概略性的介紹。如果您對電機著迷，電機系可以考慮唸一唸，”電機”可能會玩您一輩子。
汽車交流發電機和直流發電機(dynamo)
汽車交流發電機在風車新手裏算是一個蠻受歡迎的發電機。為什麼會受歡迎呢?其一、因為家家有汽車，汽車發電機取得很容易。其二、它的輸出功率和設計也和小型風車發電量蠻接近的。其三、這型發電機可是專門設計用來充電用的。聽起來不錯的感覺，其實它不太適合做為小型風車用的發電機。原因是它的內轉子的勵磁線圈需要供給電流，使得它在部份負載發電時的功率輸出效率超低。現在使用的汽車發電機的特徵是重量輕、專為汽車發電用、全球大量產價格最便宜以及適合高轉速發電。聽起來就不太適合風力發電，本來嘛，人家本來就叫做"汽車發電機"。
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雖然直流發電機(dynamo)也需要勵磁電流，不過它好一點比較適合做小型風車的發電機。問題是這是古老的發電機，您在台灣大概找不太到。老式的直流發電機的設計是針對低轉速發電用的，所以它的部份負載發電的效率比最大功率輸出時的效率高。問題是dynamo可不像汽車發電機一樣輕巧，如果您要用dynamo直接用風車轉子驅動發出300W的電力，那顆dynamo可是要重達30公斤才辦的到。基本上，本段是在講一個存在且可能發生的風車神話。如果您真為了一台直徑2公尺發電300~500W的小風車配上這麼一個大怪物，整組掛在半空中，您的鄰居一定會來警告您說您搞了一個會砸死人的危險物品而要求您拆掉。哈哈!!
為什麼要提這兩種發電機呢???
直流發電機(dynamo)和交流發電(alternator)的重要特性
第一、直流發電機(dynamo)和交流發電(alternator)都是自激型的發電機：
當超過一定的轉速時，兩種發電機都切入(cut-in)並且激發自己的磁場。而且這兩種發電機的勵磁線圈是以併聯方式與輸出端連接。切入發電的發生是自發性。磁鐵本身保有一延剩餘磁性(remanent magnetism)，而產生一個小小的電壓。有了電壓當然就會產生電流，這個小電流增強現有的場而使它產生更多的電流，如此自激循環作用而使電壓快速升高。達到最高電壓的時間大約只需1秒。一般的交流發電機切入發電並沒有像汽車發電機那麼容易。通常勵磁線圈需要一股由指示燈提供的小電流供應。
第二、兩者的切入發電與最大輸出轉速不同：
直流發電機(dynamo)在達到切入發電的轉速時，其發電產生的電流隨發電機轉速增加而快速升高。所以與dynamo配合的風車是可以在真實可能發生的轉速下發揮最大的電能輸出的。而交流發電就需要切入轉速的3~4倍轉速才有辦法達到最大輸出(圖5.17)，這是dynamo和汽車發電機最大的差異。
第三、高轉速的過載保護能力不同：
汽車發電機會受到線圈的電感抗產生的反向電流(下圖)而抵銷或限制自己的電流量，在良好的散熱設計條件下汽車發電機幾乎不可能因為轉速過高發生過載而燒毀。但是，dynamo就會因為過載而燒毀。同樣的，汽車交流發電機的外轉子也可以在高轉速下存活，而dynamo的電樞就受不了高轉速而會燒毀。
圖、電感抗抵銷主電流的發生
第四、軸承與轉軸承受力大不同：
因為dynamo很重，所以它的軸承承受力特強而轉軸也比較粗可以耐重負荷，直接在轉軸的輪軸上接個直徑2~3公尺的大風車葉片轉子沒什麼問題。汽車發電機輕巧，軸承和轉軸相對細小很多，無法承受直接大風車葉片轉子，很容易壞掉。
圖5.17、直流(dynamo)與汽車交流發電機轉速與功率特性
第五、電池反向輸出：
基本上，dynamo和一般的馬達沒什麼太大的差異，所以電池裏的電也會藉由電纜及線圈流入發電機裏面。在沒風沒法子發電的情形下，您會發現dynamo變成馬達反而轉起風車來。為了避免這個問題的發生，dynamo的電路上要加裝一個防止電流逆流的二極體。而汽車發電機就不會變成馬達，原因是逆電流被整流器所阻斷不會有逆電流發生。
第六、電纜正負極問題：
Dynamo沒有正負極接線問題，接上電池後會自動判別電池的正負極，它的勵磁線圈也會自動感應出極性。汽車發電機則相反，只要正負極接錯就會燒掉。
第七、旋轉方向
汽車發電機運轉沒有方向性順逆時針都行，但是請注意要配合散熱風扇的方向。相反的，dynamo只能固定單一方向轉動，變成馬達時也是轉同一方向。改變方向的方法是把勵磁線圈的正負極跳線交換就成了。
第八、噪音：
Dynamo沒什麼噪音，運轉時算是安靜的發電機。相反的，汽車發電機因為轉速很高會發出嗡嗡響的噪音。
直流發電機(dynamo)保養與維修
直流發電機(Dynamo)的保養與維修
汽車交流發電機蠻耐操的，壞掉換一顆新的也不會太貴。Dynamo就沒有這麼簡單，它的維修工作比較繁雜一些。Dynamo大概需要定期保修，時間間隔大約為一年一次，保養得宜保修間隔時間可以長一些。主要的保修工作有：
電樞：將電樞拆下來，把電刷產生的碳粉灰塵清除。
換向器：換向器的表面一定要清潔乾淨，可以用車床重新車過。
軸承：更換軸承的潤滑油，油漬清除乾淨。
電刷：磨損不堪使用要換新。確保在滑環上滑動順暢，也不可沾有油污。
保修dynamo算是”黑手”做的工作，所以搞的全身沾滿油污是一定會發生的，不要想穿西裝打領帶就可以把這工作完成。保修工作一定要落實，如果保養不得宜，dynamo沒辦法產生自激作用，您的風車很快就會轉速過快而壞掉。
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圖5.18、12及24V電壓的dynamo接線法
12V的Dynamo可以將勵磁線圈的串聯接線改成併聯接線成為24V輸出電壓，dynaomo改成24V的效率比12V的好，而且可以直接對12V的電池充電。改接線的方法可參考圖5.18。
如果您的運氣真的不錯被您找到一顆古老的dynamo，小心使用千萬不要把它搞到過載。過載產生的大電流會在電刷與滑環間產生火花，滑環磨損也會加劇。最慘的結果就是電樞燒掉，電樞的線圈構造複雜，重新繞線很難搞，不要自找麻煩。
汽車發電機(car alternator)
如果您真的要用汽車發電機當風車發電機，那麼圖5.19有關汽車發電機的構造和電路圖您就需要弄個明白。
外轉子產生的三相電流通過橋式整流器整流成直流電進行電池充電。汽車電機安裝時有下列事項一定要注意：
極性：三相電的正極與電池的電池連接。負極則與機殼連接當做接地。千萬不要把正負極接反了，接反了橋式整流器當場就燒壞了。
沒接上電池前，發電機不要轉太快而產生電壓。轉太快產生的電壓會很高會電人或是把橋式整器也給搞壞掉。
汽車發電機的勵磁線圈需要透過電刷饋電維持其自激作用所需的電流，因此在風車沒轉動之前電能會從電池中輸出持續供應勵磁線圈所需的電流。換言之，為了達到這個供電目的，總共用了9個二極體搞成橋式整流器對勵磁線圈提供正極電流。
橋式整流器另外多出來的三個終端通常電線上會標IND(indicator，指示燈)，這三條線與指示燈連在一起。這個燈只會在發電機不發電的時候才會亮，表示發電機沒有在發電。當發電機開始發電後，燈泡邊的電壓會相等而抵銷，燈光就熄滅表示在發電。
圖5.19、汽車發電機電路、整流器及構造圖
大部份的汽車發電機裏會內建一個調整器，這個調整器是利用勵磁電流控制輸出電壓。這個裝置在風力發電方面用不上，需要跳線跳過去或是拆掉。這個裝置無法感應電池的電壓，而且會因為有饋電會造成發電機自轉而壞掉。要感測調控電池的電壓要改用低電壓並聯穩壓器(shunt regulator)(如下圖)。
圖、低電壓並聯穩壓器(shunt regulator)單元電路、裝設位置及實體成品
汽車發電機的修改
汽車發電機要用於風力發電需要做部份的修改工作。首先要將外轉子線圈的匝數增加，使汽車發電機在低轉速運轉時也有相同的電壓輸出。在您把舊線圈拆掉之前，先量測漆包線的直徑和規格。用舊漆包線直徑的70%粗細的新漆包線重新繞線，以塞的進去為原則繞線圈數儘可能的多，大概會有原先繞線圈數的2倍以上。
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改變之後的汽車發電機的切入發電轉速大致可以和1.5m直徑的風車匹配，直接驅動不需要變速器。這麼做是可以四配成功，但是輸出功率和效率不可避免的會減少一些。
另外的方法是將外轉子的鐵蕊改成永久磁鐵，增加磁通量。這種簡單修改的汽車發電機的效率會提高，但是它的輸出功率還是相當的低。這是沒辦法的事，因為汽車發電機天生就長這樣…莫法度!!
永磁鐵交流發電機
永磁鐵交流發電機和汽車發電機的特性類似，較大的差異是永磁鐵交流發電機
沒有勵磁線圈。永磁鐵交流發電機應用在小型風力發電的優越性遠超過汽車發電機，因為永磁鐵交流發電機的構造簡單而且效率高。永磁鐵交流發電機的構造方面，它的外轉子沒有電刷和滑環等易損壞和引起故障的元件，會損壞的部份只有軸承。內轉子上也不需要有勵磁線圈及其饋電問題，使得永磁鐵交流發電機在低風速時的發電損失較小，相對的發電效率較高。
永磁鐵交流發電機是不錯的選擇，問題是台灣巿面上有的大概都不怎麼樣。您大概可以從下列數個來源找到一些有優點和缺點永磁鐵交流發電機：
無電刷同步發電機(brushless synchronous generator)的激磁器(exciter)。激磁器其實就是一個裝在大發電機前面的小發電機。這玩意不錯，不過很貴。
腳踏車或摩托車的交流發電機，這玩意還算容易找到，問題是它們的發電量大概只有數瓦，連點個省電燈泡可能都有問題。腳踏車的發電倒是很適合做小小風車在低轉速下表現不錯發個3~5瓦特點些LED燈玩玩。摩托車的發電機和腳踏車的相反，是設計用於高轉速發電用的，，一點都不適合用風車直接驅動。
古老的焊接機。資源回收場找找吧。
上網找找有一些中國製造的小型風車。近年來中國有生產一些相對價格很便宜的永磁鐵交流發電機，據風車達人Hugh Piggott試用後的評價是不怎麼好用。搜尋技巧：上阿里巴巴貿易網http://china.alibaba.com/ 搜尋關鍵字風力發電機(記得用簡體字)，您會找到一大堆。
圖、激磁器、腳踏車、摩托車發電機(由左至右)
馬達當發電機使用
如果您對電機有點基本知識，您會了解發電機和馬達是非常類似的東西，兩者之間的差異是來自內部小部份的改變或者根本就一模一樣。差別只是一個吃電(馬達)產生動力，一個藉動力產生電力(發電機)。事實上，馬達轉動時也會產生電壓，這個電壓被稱為反電動勢(back emf)。反電動勢遠低於工作電壓，所以淨反應還是電流流入馬達而沒有反電動勢的電流流出。當馬達轉速增加時，反電動勢也跟著升高，主供應電壓因互相抵銷而降低。因此，馬達的轉速受到主電壓的調控。
馬達轉動和發電機運轉的差別在於速度。假設我們把一個dynamo與12V的電池連接。當dynamo的轉速超過切入發電的轉速，產生12V以上的電壓。此時，讓發電機轉的更快，則產生更高電動使得電流流入電池。當發電機轉速降低，電動勢也跟著降，降到12V以下電流就從電池流到dynamo內，迫使dynamo轉動而變成馬達。
同理，交流電馬達的工作原理是一樣的。事實上，大部份的大型風車是利用極板網栅和感應馬達連接，把感應馬達拿來當發電機使用。您可以想像一下大風車在微風情形下轉不起來時會因為受風而左右擺盪，這個情形發電機一下子是發電一下子變成馬達轉動，兩種角色變來變去。這時大風車的控制系統會將電機接續或斷開與電極板網栅的連接，目的是要風力發電機產生最大效益。
無電刷直流馬達
現今有一些低轉速、無電刷的永磁鐵伺服馬達可用，這玩意應用在小型風車上幾乎接近完美。無電刷馬達和永磁鐵交流發電機很像。為了當馬達用無電刷馬達的設計是利用轉動時的相變化，所以可以直接供給交流電驅動。這是靠特殊的電源轉換器完成任工作的。無電刷直流馬達的重量很輕，全靠昂貴的稀土磁體構成主體，稀土磁鐵在馬達內部產生超強的磁通量密度。
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