混合動力汽車技術基礎知識(三)

◆文/山東 劉春暉 張學忠 魏東坡

(接2019年第3期)

(3)串聯式電機

如圖28所示，串聯式電機中的勵磁線圈和電樞繞組以串聯的形式連接。必須盡量降低勵磁線圈的內阻。以交流電壓為例，在每一個半波下勵磁場和電樞電流的方向都會改變，因此電機也可以在交流電壓下使用。為了避免出現渦流，定子的鐵芯必須由一個疊板制成。串聯式電機的轉速主要取決于其負荷的大小(串聯特性曲線)。

圖28 串聯式電機的電路圖

因此僅允許串聯式電機使用基本負荷，否則隨著輸出扭矩的下降其轉速將會大幅升高。沒有基本負荷可能導致轉速的進一步升高，電機會因為過大的離心力而損壞。

串聯式電機的優點是起動扭矩較高，缺點是負荷扭矩主要取決于轉速。轉速升高時負荷扭矩則會降低。

(4)并聯式電機

如圖29所示，并聯式電機的主要優點是“轉速恒定性”，即負荷出現變化時轉速基本保持不變。但它也有一定的局限性，當其內部電樞電壓發生變化時，場激勵則會保持不變。場效應采用的設計可以在發動機處于靜止時(電樞電壓為0)使激勵裝置長時間保持接通狀態。

圖29 并聯式電機的電路圖

3.三相電機

(1)概述

三相電機是一種電動機械式轉換器，可以作為電機或發電機使用。作為電機使用時可以通過三相電流產生旋轉電磁場，作為發電機使用時則可以產生三相電流。三相電流是一種帶有三個相位的交流電流(電流的主要導體)，名稱源自其產生方式。從圖30可以看出三個相位在時軸上都由對應的時間點，因此可以確定各個位置上的三個交流電壓之和為零。

圖30 三相交流電壓的曲線

如圖31所示，為了能夠產生旋轉磁場，需要三個針對其中心軸旋轉120°的線圈。通常這三個線圈被安裝在三相交流電機的定子上，通過這三個線圈提供相位差為120°的交流電壓。線圈以星形電路或三角形電路連接，根據需要可以選擇使用這兩種電路，重要的是三個內部有電流流動的繞組相之間的相位差為120°，旋轉磁場可以使三相交流電機的結構更為簡單。

圖31 定子的結構

如圖32所示，在星形電路中U2、V2和W2支路在星形交叉點N處相互連接在一起。每個支路的起始點U1、V1和W1與星形電路的外部導體連接，在三角電路中每個線圈的支路起始點都與另一個線圈的支路相連，原則上將所有線圈依次連接，外部導體L1、L2和L3從連接部位與用電器相連。通過線圈的相互連接在布線時三個相位L1、L2和L3僅需三根導線，第二種類型的三相交流電機與采用了三支路三相電流繞組定子基本相同的結構，只是定子結構稍有不同，可通過定子結構來區分同步和異步電機。

圖32 繞組相的星形和三角形電路

(2)同步電機

①同步電機的結構

同步電機的結構如圖33所示，三相電流同步電機是一種電動機械式轉換器，可作為由三相電流驅動的電機或產生三相電流的發電機使用。在發電站中同步電機主要作為可以產生電能的發電機使用。在車輛中同步電機也可作為發電機為電子用電器提供電能和為蓄電池充電。如今在中等功率范圍內很少使用同步電機，但是這一現象即將改變，因為將會在混合動力車輛上大量使用同步電機。

圖33 同步電機的結構

如圖34所示，通過永久磁鐵(小型電機)或電磁鐵(大型電機)在同步電機的轉子中產生磁場。第二種情況需要安裝滑動觸點，相對較小的電流只有通過該觸點才能流入。與直流電機不同，同步電機無需集電環。如圖35所示，汽車上的交流發電機屬于同步電機

同步電機通常采用內極電機的設計。此外還有另外一種型號的電機，這種電機的定子繞組安裝在電機內部，而帶有永久磁鐵的轉子則安裝在電機外部。這種設計被稱為帶有外部轉子的電機。

圖34 帶有永久磁鐵的同步電機的結構

圖35 車上的交流發電機屬于同步電機

②同步電機的工作原理

永磁同步電機的工作范圍如圖36所示，如果在定子的繞組上施加一個三相電流，就會產生相應的旋轉磁場。轉子的磁極隨著該旋轉磁場的方向進行相應的轉動。這樣就可以使轉子轉動。轉子轉動的速度與旋轉磁場的轉速相同。該轉速也被稱為同步轉速。同步電機也因此得名。通過三相電流的頻率和極點數量精確的規定了同步電機的轉速。

為了能夠對同步電機的轉速進行無級調節，必須使用變頻器。通過機械裝置或利用變頻器使同步電機在額定轉速下運行并使其保持同步。

圖36 永磁同步電機的工作范圍

同步電機在混合車輛中已廣泛使用，因為借助永久磁鐵轉子不必使用其他外部能量就可以產生磁場，因此這種電機具有非常高的功率密度和效率(＞90%)。永磁同步電機的優點是慣量較小，維修費用低廉，轉速不受負荷影響。同步電機的缺點是磁鐵材料的采購成本較高，調節成本較高，無法自動運行。

(3)異步電機

異步電機的結構如圖37所示，三相電流異步電機可以作為電機或發電機使用。異步電機的特點是不為轉子直接提供電流，而是通過與定子旋轉磁場的磁場感應產生轉子磁場。因為轉子使用了定子旋轉磁場產生的感應電流，所以通常異步電機也被稱為感應式電機。轉子通常采用帶有后端短路導體棒的圓形罐籠。

圖37 異步電機的結構

通過定子繞組的旋轉磁場對定子導體回線內的磁流變化產生影響，這樣就會和短路導體棒內的電流產生一個感應電壓，該電流同樣可以產生磁場。楞次定律指出，感應電流產生的磁場總是阻礙引起感應電流的原因，因此產生的扭矩可以使轉子按照定子旋轉磁場的方向進行轉動。定子和轉子旋轉磁場之間的相對速度是引起感應的原因，轉子的轉速不允許達到定子旋轉磁場的轉速，因為這樣會使導體回線內的磁流變化為零，從而無法產生感應電壓。定子旋轉磁場轉速和轉子轉速之間的差被稱為異步轉速。異步轉速的大小取決于負荷，定子旋轉磁場和轉子以不同的轉速旋轉，也就是說沒有同步轉動，因此這種電機被稱為異步電機，異步電機與直流電機相比其優點是結構簡單且堅固耐用，這里的主要優點是不再需要集電環和電刷。由于結構簡單因此價格便宜且所需維護較少，所以異步電機通常被作為電機使用。

從電氣角度來看，異步電機就像一個變壓器。定子繞組為初級，短路的導體棒為次級。自調節電流取決于轉速。異步電機的替代電路圖如圖38所示，怠速運行時異步電機的替代電路圖主要由Rs和Xs構成，因此電機接收的幾乎都是無功功率。只要轉子沒有轉動，變壓器的次級側始終處于短路狀態，因此需要提供一個較高的電流和一個較強的磁場，在該啟動動范圍內電機的效率較差并且會產生很高的溫度，只要電樞開始轉動且已適應周圍的旋轉磁場，那么電流就會變小且效率也會得到提高。通過供電電子裝置和可以提高或降低頻率的變頻器實現異步電機的轉速控制。

圖38 異步電機的替代電路圖

異步電機具有使用壽命較長、可以簡便地安裝和拆除電刷，維護費用較低、制造成本相對較低、可以自動運行、短時間內可以承受較強的過載、設計堅固等優點。

異步電機的缺點是與永磁同步電機相比，在高扭矩利用率方面的效率較低，未使用帶有啟動控制的變頻器時啟動扭矩較小。

五、供電電子裝置

供電電子裝置是電工學范圍內的一種裝置，但也是一種可以進行連接、控制和電能轉換的電子元件，供電電子裝置的元件和電路由可控硅二極管和晶閘管構成。這種元件可以在非常高的電壓和電流下進行連接(最高可達4 500V和1 500A)。

在較低功率范圍內也可使用可控硅二極管和晶閘管，晶閘管是一種開關元件，可以通過控制電極和門上的控制電壓對其接通時間進行調節。可以反方向同時接通且可以共同控制的帶有兩個晶閘管的部件被稱為三端雙向可控硅開關，可以進行電能轉化的變壓器和旋轉設備都不能算作供電電子裝置。供電電子裝置主要是可以以電壓的形式轉化電能，電壓和電流的大小與頻率相同。

圖39 Diac的電路符號

1.供電電子裝置的重要元件

(1)兩端交流開關元件

如圖39所示，兩端交流開關元件是一種電子部件，如果在其兩個接口處施加超過一定限制的電壓時，它將具備傳導交流電壓的特性，該電壓被稱為擊穿電壓。兩端交流開關元件也被稱為“雙向二極管”和“交流電流二極管”，因此也可稱為Diac。Diac，是英文Diode for Alternating Current(交流電流二極管)的縮寫。

因為不能給出極性，所以兩個接口被稱為正極1和正極2。由于Diac采用了雙向結構，所以可以接通交流電壓，只要在接口(A1和A2)上施加的電壓超過規定門電壓，就可以將其擊穿并使p-n段具備導電功能。只有流過Diac的電流超過規定值時電阻才會增大，此時無法繼續傳導電流。為了能夠產生一個下降沿較為傾斜的觸發脈沖，兩端交流開關元件主要被用于三端雙向可控硅開關元件制成的觸發開關中。

(2)晶閘管

晶閘管是一種半導體結構的元件，由四層或多層半導體層可變摻雜物質制成。Thyristor(晶閘管)名稱是由英文Thyratron(閘流管)和Resistor(電阻)組合而來。

如圖40、41所示，晶閘管包括一個負極、一個正極和一個控制電極(門)。初始狀態下可晶閘管雙向都不導通。流通方向始終處于禁用狀態，直至門上的電流脈沖接通。通過門上的一個正極電流脈沖使其進入導通狀體。負荷電路內通過切斷電壓或轉換電壓極性使晶閘管進入阻隔狀態。與普通二極管一樣對阻隔方向的電流進行阻擋。在交流電流的電路中經常會使用晶閘管。例如，晶閘管調節器可以作為軟起設備對籠式異步電機開始工作時的啟動電流和扭矩進行監控。晶閘管整流器也可用于直流電機的轉速控制。

圖40 晶閘管的結構

(3)三端雙向可控硅開關

如圖42所示，三端雙向可控硅開關是一種采用半導體層結構的電子部件，原則上由兩個反方向連接的晶閘管組成。因此三端雙向可控硅開關可以進行電流的雙向導通。

三端雙向可控硅開關包括一個控制電極G(英文“gate”的縮寫)和A1、A2兩個正極。通過在控制電極上施加的控制電壓三端雙向可控硅開關可以進行雙向導通。因此只需要一個控制接口就可以滿足兩個晶閘管的需要。三端雙向可控硅開關安裝了兩個引爆裝置，這樣就可以使用正極和負極控制脈沖使其進入接通狀態。三端雙向可控硅開關并不適用于較大的電流。因此在供電電子裝置范圍內主要還是使用晶閘管。

圖41 晶閘管的電路符號

圖42 三端雙向可控硅開關的電路符號

2.整流器和逆變器

(1)整流器概述

以電壓形式或電壓和電流大小進行電能轉換的電路被稱為整流器。根據其功能可以分為直流整流器、逆變器和變流器。整流器和電流調節器如圖43所示，通過整流器可以將交流電壓轉換為直流電壓。相反，也可以將直流電壓轉換為交流電壓。為此需要使用逆變器。通過直流電流調節器可以將直流電壓轉換成較高或較低的直流電壓。直流電流調節器也被稱為DC/DC轉換器。使用交流電流調節器可以將交流電壓轉換為另一種較高(振幅)的交流電壓。如需改變交流電壓的頻率，則必須使用變頻器。在混合動力車輛中，供電電子裝置需要在直流電壓和交流電壓之間進行雙向轉換。此外，借助供電電子裝置可以對電機的工作點進行靈活調節。

圖43 整流器和電流調節器

(2)整流器

整流器的電路符號如圖44所示，使用整流器可以將交流電壓轉換為直流電壓，整流器由多個互聯起來的二極管構成。二極管控制交流電壓的各個半波進入一個共同的方向，這樣就會產生間歇式的直流電壓。為了獲得純直流電壓，必須使用電容或扼流圈對經過整流器的電壓進行平滑處理，可以通過無需控制的半導體二極或利用可控晶閘管實現整流，可控整流器需要固定的控制電壓，通過該電壓在特定的時間打開和關閉電子開關以起到整流作用。可控整流器通過電子開關如晶閘管和金屬氧化物半導體場效應晶體管實現其功能。不可控整流器在進行交流電整流時沒有附加的控制電子裝置。

圖44 整流器的電路符號

(3)帶有二極管的整流器電路

如圖45所示，單通道整流器只能對交流電壓的半波進行整流。而另外半波則無法通過。這種電路的缺點是波紋大、效率低。為了能夠使用這種經過整流的電壓，必須進行平滑處理。波紋具有與輸入電壓相同的頻率。

圖45 單通道整流器