轉換器控制的汽車感應發(fā)電機發(fā)電效率的優(yōu)化控制

戰(zhàn)金玉，高月珍，孫玉梅

(煙臺南山學院，龍口265713)

0 引 言

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

目前，已有部分專家學者在高效低速大功率汽車交流發(fā)電機領域進行過研究和探索。其中一種研究是在發(fā)電機的定子繞組內(nèi)嵌入2套三相繞組，根據(jù)發(fā)電機的轉速狀況，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，其結果是晶閘管的觸發(fā)電路復雜，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)電機的溫升，降低了發(fā)電機的可靠性。其他研究之一，例如增加發(fā)電機每相繞組的匝數(shù)降低發(fā)電機零電流的轉速，然而此時的發(fā)電機在中高速運轉狀態(tài)時，發(fā)電機內(nèi)阻會增大，扼制了發(fā)電機電流的輸出［2］。因此，一個既要在低速狀態(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)電機通常為六爪凸極式同步交流發(fā)電機(以下簡稱發(fā)電機)，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)器作用下可以認為保持不變，所以發(fā)電機的輸出功率就可以認為與輸出電流成正比關系［3］。其電壓方程:

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

為了分析進行簡化，忽略繞組電阻影響，忽略發(fā)電機的凸極效應，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是主極對數(shù)。

由式(4)和式(5)得到:

發(fā)電機制造完成后，K，Φ，P認為不變，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:

對式(9)求d I/d N，并且令d I/d N=0，得:

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

2 改進設想

發(fā)電機在低速狀態(tài)運行時，轉速較小，由式(10)可知，若想在較低的轉速下輸出較大的電流，勢必增大每相繞組的匝數(shù)。此時繞組的匝數(shù)增加，輸出的電動勢相對增加。由于轉速較低，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)電機定子繞組的匝數(shù)方法，能夠增大發(fā)電機的輸出電流值，增大發(fā)電機的輸出功率。

發(fā)電機在中高速狀態(tài)運轉時，轉速較高，頻率增大，內(nèi)部阻抗增大，發(fā)電機內(nèi)部消耗也增大，扼制了電流輸出，降低了發(fā)電機整體功率輸出。此時發(fā)電機的轉速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Y形的電樞繞組，在發(fā)電機低速狀態(tài)時將2個整流后的直流源串聯(lián)連接，總電動勢相當于2個獨立直流源的疊加，也相當于一個電樞繞組的每相匝數(shù)疊加。此時，發(fā)電機能夠在較低的轉速下，達到串接前在較高轉速時的發(fā)電效果。發(fā)電機在中高速狀態(tài)運轉時將兩整流后的直流源并聯(lián)連接，相當于把2個Y形電樞繞組并聯(lián)，降低了發(fā)電機的總內(nèi)阻。此時，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)電機溫升，提高了發(fā)電機的輸出功率。

因此，在發(fā)電機定子內(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)電機在運轉時，根據(jù)采集的轉速信號條件，自動改變兩整流后的直流源的連接方式，優(yōu)化發(fā)電機的內(nèi)部電氣結構，使發(fā)電機的輸出功率和輸出效率提高。

3 改進的發(fā)電系統(tǒng)組成和原理

改進的汽車發(fā)電機電氣原理圖如圖1所示，主要由2套Y形繞組G1和G2，勵磁繞組FW，整流橋1和整流橋2，二極管D13－D15，直流源連接轉換器(以下簡稱轉換器)，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的共陰極端與轉換器的K1端連接，整流橋1的共陽極端與轉換器的K4端連接。整流橋2的共陰極端與轉換器的K2端連接，整流橋2的共陽極端與轉換器的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，完成速度信號的采集。D4，D5和D6的共陽極端為發(fā)電機的負極。D7，D8和D9的共陰極端為B+，它是發(fā)電機的對外輸出直流電壓端。FW為發(fā)電機的勵磁繞組，它與電壓調(diào)節(jié)器等其他器件、電路組成發(fā)電機的勵磁回路，為發(fā)電機提供可調(diào)磁場。轉換器由場效應管、單片機和其他電子元件組成。場效應管因為管壓降較小，熱損耗小，所以發(fā)電機的溫升小。單片機根據(jù)設定好的轉速條件控制著場效應管的導通或關斷。電壓調(diào)節(jié)器為通用14 V電子式電壓調(diào)節(jié)器。

圖1 改進的汽車發(fā)電機電氣原理圖

4 改進實施

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

表1 發(fā)電機JFZ193A與JFZ193B的結構參數(shù)

5 計算發(fā)電機改進的合理性

改進的發(fā)電機JFZ193B的數(shù)據(jù):主極對數(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，改進后的發(fā)電機主極下磁通密度(磁感應強度 B)為0．70 T，它在0．60 ～1．10 T 范圍之間，因此所改進的發(fā)電機從理論方面判斷是合理的［6］。

6 發(fā)電機臺架對比試驗

發(fā)電機改進實施完成后，分別將發(fā)電機JFZ193B和JFZ193A在試驗臺架上做了發(fā)電機的熱態(tài)性能測試試驗，表2為JFZ193B與JFZ193A發(fā)電機的臺架試驗對比技術數(shù)據(jù)。

表2 發(fā)電機的臺架試驗對比技術數(shù)據(jù)

從表2中可以看出:

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

(2)改裝后的發(fā)電機零電流轉速由原發(fā)電機950 r/min下降到560 r/min。

(3)改裝后的發(fā)電機在1 500 r/min時輸出電流達到46．3 A，比改裝前的輸出電流增大32%。

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

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

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

圖2 發(fā)電機轉速電流輸出特性曲線圖

7 發(fā)電機裝車應用對比試驗

為了掌握改進發(fā)電機的技術性能和可靠性情況，將發(fā)電機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年的具體裝車運營試驗，累計行駛里程達72 000 km，JFZ193B發(fā)電機沒有發(fā)生故障，輸出的電壓、電流技術指標都符合國家標準，滿足車上的使用要求。表3為JFZ193A與JFZ193B發(fā)電機裝車應用試驗對比部分結果。

表3 發(fā)電機裝車應用試驗對比部分結果

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

8 結 語

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

所研究改進的發(fā)電機，在額定輸出功率等同于常規(guī)結構電機條件下，低速運行時輸出平均功率比傳統(tǒng)結構的發(fā)電機至少提高25%，轉速運行到中高速(3 000～6 000 r/min)區(qū)段，輸出平均功率提高30%以上，比功率達到307W/kg，提高了電機制造材料的利用率和間接延長蓄電池的使用壽命。

所研究改進的發(fā)電機，如果適當改變發(fā)電機皮帶輪的傳動比，降低發(fā)電機的轉速，它仍能與常規(guī)發(fā)電機的輸出功率相當，但能延長發(fā)電機的使用壽命。如果允許發(fā)動機的怠速適當降低，發(fā)電機的轉速會隨之降低，它仍能與常規(guī)發(fā)電機的輸出功率相當，但能夠降低車的油耗，節(jié)能減排。

通過臺架試驗和真實裝車應用試驗表明，本文所做的研究是可行合理的，值得借鑒和推廣應用［7］。

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

［3］ 陳世坤．電機設計［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2013．

［4］ 宋志環(huán)，李建富，劉傳坤，等．兆瓦級電勵磁直驅風力發(fā)電機電磁場有限元計算與分析［J］．東方電機，2012(2):33－37．

［5］ 周石，李明昊，周羽．帶整流負載的六相方波永磁發(fā)電機建模仿真［J］．微特電機，2016，44(1):7 －11．

［6］ 宮進，梁青陽，李永恒，等．改進獨立運行雙饋感應發(fā)電機控制［J］．微特電機，2015，43(9):77 －80．

［7］ 張付義．電動汽車試驗臺總體設計與技術研究［D］．西安:長安大學，2006．