直驅永磁同步風力發(fā)電機在運動車輛中的應用

沖蕾

摘 要:利用車輛在運動中產生的空氣氣流來推動直驅發(fā)電機發(fā)電。根據(jù)不同車輛的構造設計出相適應的空氣導流裝置。該裝置能將氣流壓縮,并形成一定壓力,通過導流裝置導向風動機并帶動直驅發(fā)電機實現(xiàn)發(fā)電。由于車輛的運動是變速的,所以利用氣流發(fā)出的電壓不穩(wěn)定。根據(jù)這一因素設計相適應的控制電路來穩(wěn)定發(fā)電機的輸出電壓。所發(fā)出的電能可作為車輛儲備電源使用。這一技術可使不利車輛運動的空氣阻力變?yōu)橛杏玫娘L力發(fā)電的氣流動力。

關鍵詞:車輛運動 永磁同步發(fā)電機 直驅空氣導流裝置 風動機電氣控制

中圖分類號:TM315 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)10(c)-0099-02

任何車輛在行駛中都不可避免的遇到空氣阻力。車輛在行駛中速度越快產生的空氣阻力就越大。怎樣能夠把這種不利因素轉化為有用？本文提出風力發(fā)電技術在行駛車輛中的應用就是解決這一問題的有效方法。根據(jù)不同車輛的構造設計相適應的空氣導流裝置。該裝置能最大限度的獲得車輛行駛中產生的風力,并將氣流壓縮,形成一定的壓力去推動風動機轉動,進而帶動發(fā)電機發(fā)電。

根據(jù)車輛行駛的特點采用高功率因數(shù)的直驅永磁同步風力發(fā)電機(DDPMG)。該類型的發(fā)電機采用永磁體勵磁,消除了勵磁所損耗,提高了效率,實現(xiàn)發(fā)電機無刷化。采用風動機對發(fā)電機直驅的方式,取消齒輪箱,可以提高發(fā)電機的效率及其可靠性。風力機因有成熟產品,這里不再詳述。

由于車輛行駛中速度是不斷變化的,所形成的風力也是起伏變化的。發(fā)電機所發(fā)出的電壓極不穩(wěn)定。因此要設計相適應的控制電路來穩(wěn)定發(fā)電機輸出的電壓,平抑因風力起伏引起的電勢波動。

本發(fā)電系統(tǒng)主要由機械部分和電氣控制部分組成。

1 機械組成

本系統(tǒng)采用雙喇叭口空氣導流罩和雙風力機的組合方式。這一方式有利于最大限度的獲得風力。喇叭口式結構能夠促使風力壓縮和提高風壓。采用雙風力機可以提高風能的利用率,增強輸入發(fā)電機的功率。當車輛高速行駛時,迎面產生的風阻力進入空氣導流罩,由雙喇叭口導向風力機,并帶動發(fā)電機運轉。

2 電氣控制

為平抑發(fā)電機因風力起伏引起的電勢波動。設計如（圖1、2)所示的電氣控制系統(tǒng)。（圖1）是電氣控制組成框圖。

主要有:輸入濾波電路,VI-ARM可自動調整輸入電壓范圍的整流模塊,Vicor DC/DC變換器等組成。電氣控制流程為:發(fā)電機發(fā)出的電壓經(jīng)濾波電路整形后輸入到VI-ARM模塊,進行電壓調整,然后由DC/DC變換器變換成符合車輛使用要求的電源。應用電路如圖2所示。

在通用輸入電壓范圍內,VI-ARM模塊直流出母線電壓可保持在200～375 V之間。該模塊可與VICOR公司的VI-260系列和輸入電壓為300 V的直流變換器模塊配套,組成離線式開關穩(wěn)壓電源。VI-ARM模塊的輸入引腳L和N之間應加入輸入濾波器。該濾波器由共模電感L3和Y電容(接在相線到地之間的電容)及兩個附加電感L1、L2和X電容(接在相線與相線間的電容)等元件組成。在100 kHz～30MHz之間,該濾波器具有足夠的共模和差模插入損耗,完全可以滿足傳導輻射B級極限值的要求。

引腳ST應接在串聯(lián)濾波電容C5、C6的中點,以便控制整流器在全波整流與倍壓整流狀態(tài)之間的轉換。電容器兩端并聯(lián)的氣體放電管V1和V2可實現(xiàn)輸入電壓的瞬變保護,泄放電阻R1和R2在電流關斷時,可謂濾波器電容提供放電通路。為擴大輸出功率,可以將多個DC/DC變換器并聯(lián)。VI-ARM模塊的使用引腳EN必須接到所有變換器模塊的PC引腳上,這樣在電源接通過程中,可將所有變換器模塊關斷。VI-ARM模塊給多個變換器模塊供電時,為了消除各個變換器模塊之間使能控制信號互相干擾,在每個變換器模塊的PC引腳上應串入一個信號二極管。電源接通過程結束后,使能引腳EN對模塊的負輸出引腳(-V)的電壓升高至15 V。當整流器輸出母線電壓超過400 V時,使能引腳將變?yōu)榈碗娖?從而關斷變換器模塊。變換器模塊關斷后,VI-ARM電路中的熱敏電阻的旁路開關打開,熱敏電阻串入輸入電路中,使母線電壓降到安全值。這樣可以限制氣體放電管觸發(fā)時的輸入電流。DC/DC變換器采用V375A5C400A模塊。該模塊具有多塊并聯(lián)功能,并有故障容許能力,可靈活通過并聯(lián)構成各種不同輸出功率的單元。各模塊電路的原理及參數(shù)數(shù)據(jù)都有資料可查。

3 結語

本文所述的是把風力發(fā)電技術運用在運動車輛上,將車輛運行中產生的可利用空氣阻力轉化為電能。該技術可用在各種車輛上,特別是當前倡導的混合動力車輛。所發(fā)出的電能作為后備電源,可增加電動車輛的行駛里程和車輛電器的耗能補充,是一種降低車輛運行能耗的有效辦法。

參考文獻

[1] 張兆強.MV級直驅永磁同步風力發(fā)電機設計[D].上海交通大學,2007.

[2] 鐘偉強.國內外風力發(fā)電簡述[J].青海科技,2004(2):25-26.

[3] 王星華.變速恒頻同步直驅風力發(fā)電機控制系統(tǒng)研究[D].上海交通大學,2007.

[4] 李宏.電力電子設備用器件與集成電路應用指南[M].機械工業(yè)出版社.