轉(zhuǎn)換器控制的汽車感應(yīng)發(fā)電機(jī)發(fā)電效率的優(yōu)化控制

戰(zhàn)金玉，高月珍，孫玉梅

(煙臺(tái)南山學(xué)院，龍口265713)

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，汽車的安全性、自動(dòng)性和舒適性逐步提高［1］，車上的用電設(shè)備增多，消耗的電量上升，車上發(fā)電機(jī)的輸出功率增大。同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快，農(nóng)村人口不斷向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，城市人口和車輛增多，導(dǎo)致交通擁擠，致使汽車發(fā)電機(jī)經(jīng)常在低速狀態(tài)中運(yùn)轉(zhuǎn)。因此提高車用發(fā)電機(jī)低速發(fā)電性能和比功率輸出具有現(xiàn)實(shí)意義。

目前，已有部分專家學(xué)者在高效低速大功率汽車交流發(fā)電機(jī)領(lǐng)域進(jìn)行過研究和探索。其中一種研究是在發(fā)電機(jī)的定子繞組內(nèi)嵌入2套三相繞組，根據(jù)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速狀況，在定子繞組輸出的交流回路上通過控制晶閘管的通斷改變2套繞組的連接，其結(jié)果是晶閘管的觸發(fā)電路復(fù)雜，再加上晶閘管本身的管壓降比較大，增加熱損耗，增加了發(fā)電機(jī)的溫升，降低了發(fā)電機(jī)的可靠性。其他研究之一，例如增加發(fā)電機(jī)每相繞組的匝數(shù)降低發(fā)電機(jī)零電流的轉(zhuǎn)速，然而此時(shí)的發(fā)電機(jī)在中高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)內(nèi)阻會(huì)增大，扼制了發(fā)電機(jī)電流的輸出［2］。因此，一個(gè)既要在低速狀態(tài)下有較好電流輸出，又要在高速狀態(tài)下減小發(fā)電機(jī)內(nèi)阻，并且控制電路簡單，可靠性高，具備可行性的問題需要研究解決。

1 發(fā)電系統(tǒng)理論分析

汽車發(fā)電機(jī)通常為六爪凸極式同步交流發(fā)電機(jī)(以下簡稱發(fā)電機(jī))，U和I是同相位，定子繞組一般采用Y形連接，經(jīng)過三相橋式整流向外輸出供電，輸出電壓U在電壓調(diào)節(jié)器作用下可以認(rèn)為保持不變，所以發(fā)電機(jī)的輸出功率就可以認(rèn)為與輸出電流成正比關(guān)系［3］。其電壓方程:

式中:E，U，I分別是發(fā)電機(jī)每一相的相電動(dòng)勢、相電壓、相電流，其中，I=Id+j Iq;R，Xd，Xq分別是發(fā)電機(jī)每一相定子繞組的電阻、直軸同步電抗和交軸同步電抗［4］。

為了分析進(jìn)行簡化，忽略繞組電阻影響，忽略發(fā)電機(jī)的凸極效應(yīng)，即:Xs=Xd=Xq，則式(1)可簡化:

由式(2)得到:

又:

式中:K是繞組分布系數(shù);f是頻率;N是定子繞組的每相有效匝數(shù)，Φ是主極下平均磁通［5］。

式中:p是主極對(duì)數(shù)。

由式(4)和式(5)得到:

發(fā)電機(jī)制造完成后，K，Φ，P認(rèn)為不變，簡化式(6)得到:

式中:Ke為比例系數(shù)。又:

式中:Kx為比例系數(shù)。

由式(3)、式(7)、式(8)得到:

對(duì)式(9)求d I/d N，并且令d I/d N=0，得:

由此可知，在電動(dòng)勢系數(shù)和輸出電壓一定的條件下，發(fā)電機(jī)輸出最大電流時(shí)，其繞組線圈匝數(shù)僅與轉(zhuǎn)速有關(guān)，并且成反比關(guān)系。

2 改進(jìn)設(shè)想

發(fā)電機(jī)在低速狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速較小，由式(10)可知，若想在較低的轉(zhuǎn)速下輸出較大的電流，勢必增大每相繞組的匝數(shù)。此時(shí)繞組的匝數(shù)增加，輸出的電動(dòng)勢相對(duì)增加。由于轉(zhuǎn)速較低，頻率較小，所以阻抗較小，由I=(E－U)/Z(Z為阻抗)可知，輸出電流I也上升了。因此，在低速狀態(tài)下采取增加發(fā)電機(jī)定子繞組的匝數(shù)方法，能夠增大發(fā)電機(jī)的輸出電流值，增大發(fā)電機(jī)的輸出功率。

發(fā)電機(jī)在中高速狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)速較高，頻率增大，內(nèi)部阻抗增大，發(fā)電機(jī)內(nèi)部消耗也增大，扼制了電流輸出，降低了發(fā)電機(jī)整體功率輸出。此時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n增大，由式(10)和I=(E－U)/Z可知，采取減少繞組匝數(shù)的方法能增大發(fā)電機(jī)的輸出電流或功率。但是為了降低繞組的電流密度和降低溫升，需要增大繞組的線徑。

我們可以用兩個(gè)Y形的電樞繞組，在發(fā)電機(jī)低速狀態(tài)時(shí)將2個(gè)整流后的直流源串聯(lián)連接，總電動(dòng)勢相當(dāng)于2個(gè)獨(dú)立直流源的疊加，也相當(dāng)于一個(gè)電樞繞組的每相匝數(shù)疊加。此時(shí)，發(fā)電機(jī)能夠在較低的轉(zhuǎn)速下，達(dá)到串接前在較高轉(zhuǎn)速時(shí)的發(fā)電效果。發(fā)電機(jī)在中高速狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將兩整流后的直流源并聯(lián)連接，相當(dāng)于把2個(gè)Y形電樞繞組并聯(lián)，降低了發(fā)電機(jī)的總內(nèi)阻。此時(shí)，既能輸出較大的電流，又能降低繞組的電流密度和降低發(fā)電機(jī)溫升，提高了發(fā)電機(jī)的輸出功率。

因此，在發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部采用雙漆包線并繞，即嵌入雙繞組，連接成雙Y形方式，再分別與各自的三相橋式整流橋連接。發(fā)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)條件，自動(dòng)改變兩整流后的直流源的連接方式，優(yōu)化發(fā)電機(jī)的內(nèi)部電氣結(jié)構(gòu)，使發(fā)電機(jī)的輸出功率和輸出效率提高。

3 改進(jìn)的發(fā)電系統(tǒng)組成和原理

改進(jìn)的汽車發(fā)電機(jī)電氣原理圖如圖1所示，主要由2套Y形繞組G1和G2，勵(lì)磁繞組FW，整流橋1和整流橋2，二極管D13－D15，直流源連接轉(zhuǎn)換器(以下簡稱轉(zhuǎn)換器)，電壓調(diào)節(jié)器組成。定子繞組G1的輸出端U1，V1，W1與整流橋1連接，定子繞組G2的輸出端U2，V2，W2與整流橋2連接。整流橋1的共陰極端與轉(zhuǎn)換器的K1端連接，整流橋1的共陽極端與轉(zhuǎn)換器的K4端連接。整流橋2的共陰極端與轉(zhuǎn)換器的K2端連接，整流橋2的共陽極端與轉(zhuǎn)換器的K3端連接。K1端與K2端之間、K3端與K4端之間、K1端與K3端之間分別在轉(zhuǎn)換器的作用下能夠連接在一起或者斷開，控制著整流橋1和整流橋2的串接或并接。轉(zhuǎn)換器的K5，K6端分別與定子繞組G1的輸出端V1，W1連接，完成速度信號(hào)的采集。D4，D5和D6的共陽極端為發(fā)電機(jī)的負(fù)極。D7，D8和D9的共陰極端為B+，它是發(fā)電機(jī)的對(duì)外輸出直流電壓端。FW為發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組，它與電壓調(diào)節(jié)器等其他器件、電路組成發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁回路，為發(fā)電機(jī)提供可調(diào)磁場。轉(zhuǎn)換器由場效應(yīng)管、單片機(jī)和其他電子元件組成。場效應(yīng)管因?yàn)楣軌航递^小，熱損耗小，所以發(fā)電機(jī)的溫升小。單片機(jī)根據(jù)設(shè)定好的轉(zhuǎn)速條件控制著場效應(yīng)管的導(dǎo)通或關(guān)斷。電壓調(diào)節(jié)器為通用14 V電子式電壓調(diào)節(jié)器。

圖1 改進(jìn)的汽車發(fā)電機(jī)電氣原理圖

4 改進(jìn)實(shí)施

為了證實(shí)本文所研究方案的正確性，選擇2臺(tái)型號(hào)、規(guī)格都一樣的成品發(fā)電機(jī)JFZ193A，其額定電壓14 V，額定功率1 500 W。將其中的一臺(tái)解體，按照?qǐng)D1的電氣原理圖改裝成一臺(tái)JFZ193B發(fā)電機(jī)，將電樞繞組分解為雙Y形獨(dú)立回路，再與轉(zhuǎn)換器等其他電器連接。表1為發(fā)電機(jī)JFZ193A與JFZ193B的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 發(fā)電機(jī)JFZ193A與JFZ193B的結(jié)構(gòu)參數(shù)

5 計(jì)算發(fā)電機(jī)改進(jìn)的合理性

改進(jìn)的發(fā)電機(jī)JFZ193B的數(shù)據(jù):主極對(duì)數(shù)p=6，定子鐵心內(nèi)徑D=101 mm，鐵心有效長度l=26．7 mm，每相繞組匝數(shù)為30，測定轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min，繞組分布系數(shù)K=1，測定輸出電壓U=13．58 V，輸出電流I=117．8 A，電阻R1=0．050 5 Ω，電感量L1=61．91 μH，電阻 R2=0．050 5 Ω，電感量 L2=76．37 μH。

每極面積:

電壓頻率:

由此可知，改進(jìn)后的發(fā)電機(jī)主極下磁通密度(磁感應(yīng)強(qiáng)度 B)為0．70 T，它在0．60 ～1．10 T 范圍之間，因此所改進(jìn)的發(fā)電機(jī)從理論方面判斷是合理的［6］。

6 發(fā)電機(jī)臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)改進(jìn)實(shí)施完成后，分別將發(fā)電機(jī)JFZ193B和JFZ193A在試驗(yàn)臺(tái)架上做了發(fā)電機(jī)的熱態(tài)性能測試試驗(yàn)，表2為JFZ193B與JFZ193A發(fā)電機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比技術(shù)數(shù)據(jù)。

表2 發(fā)電機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比技術(shù)數(shù)據(jù)

從表2中可以看出:

(1)改裝后的發(fā)電機(jī)空載轉(zhuǎn)速由原發(fā)電機(jī)790 r/min下降到420 r/min。

(2)改裝后的發(fā)電機(jī)零電流轉(zhuǎn)速由原發(fā)電機(jī)950 r/min下降到560 r/min。

(3)改裝后的發(fā)電機(jī)在1 500 r/min時(shí)輸出電流達(dá)到46．3 A，比改裝前的輸出電流增大32%。

(4)在1 700 r/min狀態(tài)時(shí)發(fā)電機(jī)JFZ193A與JFZ193B的兩輸出電流大小接近，其他情況是發(fā)電機(jī)JFZ193B輸出電流大于JFZ193A的輸出電流。

(5)發(fā)電機(jī)JFZ193B在3 000 r/min時(shí)輸出電流為117．8 A，在6 000 r/min時(shí)輸出電流為148．6 A。

對(duì)測試后所記錄的轉(zhuǎn)速和電流試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過整理，繪制了發(fā)電機(jī)JFZ193A與JFZ193B的轉(zhuǎn)速電流輸出特性曲線圖如圖2所示，曲線a為發(fā)電機(jī)原機(jī)JFZ193A的轉(zhuǎn)速電流輸出特性曲線，曲線b為改進(jìn)后的發(fā)電機(jī)JFZ193B的轉(zhuǎn)速電流輸出特性曲線。

圖2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速電流輸出特性曲線圖

7 發(fā)電機(jī)裝車應(yīng)用對(duì)比試驗(yàn)

為了掌握改進(jìn)發(fā)電機(jī)的技術(shù)性能和可靠性情況，將發(fā)電機(jī)JFZ193B和JFZ193A分別安裝到龍口市的同一條公交線路、相同車型的客車B和客車A上，做了為期1年的具體裝車運(yùn)營試驗(yàn)，累計(jì)行駛里程達(dá)72 000 km，JFZ193B發(fā)電機(jī)沒有發(fā)生故障，輸出的電壓、電流技術(shù)指標(biāo)都符合國家標(biāo)準(zhǔn)，滿足車上的使用要求。表3為JFZ193A與JFZ193B發(fā)電機(jī)裝車應(yīng)用試驗(yàn)對(duì)比部分結(jié)果。

表3 發(fā)電機(jī)裝車應(yīng)用試驗(yàn)對(duì)比部分結(jié)果

從表3中可以看出，改進(jìn)后的發(fā)電機(jī)質(zhì)量可靠，油耗降低5%，節(jié)能減排和間接延長蓄電池的使用壽命，具備可行性和實(shí)用性。

8 結(jié) 語

電力電子器件在轉(zhuǎn)換器作用下，能夠在直流回路上自動(dòng)變換電氣連接方式，串接或并接發(fā)電機(jī)內(nèi)部經(jīng)整流后的2個(gè)直流源，優(yōu)化汽車發(fā)電機(jī)的輸出性能，提高發(fā)電機(jī)輸出效率。

所研究改進(jìn)的發(fā)電機(jī)，在額定輸出功率等同于常規(guī)結(jié)構(gòu)電機(jī)條件下，低速運(yùn)行時(shí)輸出平均功率比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)至少提高25%，轉(zhuǎn)速運(yùn)行到中高速(3 000～6 000 r/min)區(qū)段，輸出平均功率提高30%以上，比功率達(dá)到307W/kg，提高了電機(jī)制造材料的利用率和間接延長蓄電池的使用壽命。

所研究改進(jìn)的發(fā)電機(jī)，如果適當(dāng)改變發(fā)電機(jī)皮帶輪的傳動(dòng)比，降低發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，它仍能與常規(guī)發(fā)電機(jī)的輸出功率相當(dāng)，但能延長發(fā)電機(jī)的使用壽命。如果允許發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速適當(dāng)降低，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨之降低，它仍能與常規(guī)發(fā)電機(jī)的輸出功率相當(dāng)，但能夠降低車的油耗，節(jié)能減排。

通過臺(tái)架試驗(yàn)和真實(shí)裝車應(yīng)用試驗(yàn)表明，本文所做的研究是可行合理的，值得借鑒和推廣應(yīng)用［7］。

［1］ 李玉生．重型載貨汽車產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)展綜述［J］．重型汽車，2004(3):7－9．

［2］ 白崟儒．無源型最大風(fēng)能自動(dòng)跟蹤風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010．

［3］ 陳世坤．電機(jī)設(shè)計(jì)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013．

［4］ 宋志環(huán)，李建富，劉傳坤，等．兆瓦級(jí)電勵(lì)磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁場有限元計(jì)算與分析［J］．東方電機(jī)，2012(2):33－37．

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［7］ 張付義．電動(dòng)汽車試驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)與技術(shù)研究［D］．西安:長安大學(xué)，2006．