Aplikácia výkonovej elektroniky na výrobu energie v automobilovom priemysle

Vyskúšajte Náš Nástroj Na Odstránenie Problémov





Pokrok v automobilových elektrických systémoch vyvoláva záujem o generátory, ktoré poskytujú výstavu neobvyklých úrovní. Kritické vlastnosti budúcich alternátorov zahŕňajú vyšší výkon a hrúbku riadenia, prevádzku pri vyšších teplotách a lepšiu prechodnú odozvu. Aplikácia výkonovej elektroniky na výrobu energie v automobilovom priemysle je novou technikou porovnávania zaťaženia, ktorá predstavuje jednoduchý spínaný usmerňovač na dosiahnutie dramatického zvýšenia špičkového a priemerného výstupného výkonu bežného alternátora Lundell, okrem značnej neefektívnosti upgradov. Výkonové elektronické súčasti vozidla v spojení s celkovým systémom riadenia a kontroly výkonu predstavuje nový súbor výziev pre návrh elektrického systému. Medzi tieto výkonové elektronické komponenty patria zariadenia na akumuláciu energie, konvertory DC / DC, invertory a disky. Automobilový priemysel Výkonová elektronika sa našla v mnohých aplikáciách niektoré z nich sú uvedené nižšie.

  • Obvody vodiča solenoidu vstrekovača paliva
  • Obvody vodiča zapaľovacej cievky IGBT
  • Elektrické systémy riadenia
  • 42V napájacia sieť
  • Elektrické / hybridné pohony

Lundell alternátor:

Lundell sa tiež nazýva Cla-Pole alternátor je synchrónny stroj s navinutým poľom, v ktorom rotor obsahuje dvojicu vyrazených pólových nástavcov pripevnených okolo valcového vinutia poľa. Lundell alternátor je najbežnejšie zariadenie na výrobu energie používané v automobiloch. Je to najpoužívanejší komerčný automobilový alternátor. Okrem toho je súčasťou tohto alternátora aj riadiaca schopnosť zabudovaného mostíkového usmerňovača a regulátora napätia. Jedná sa o trojfázový synchrónny generátor vinutého poľa obsahujúci interný trojfázový diódový usmerňovač a regulátor napätia. Rotor sa skladá z dvojice vyrazených pólových nástavcov, pripevnených okolo valcového vinutia poľa. Účinnosť a výstupný výkon alternátorov Lundell sú však obmedzené. Toto je hlavná nevýhoda jeho použitia v moderných vozidlách vyžadujúcich zvýšenie elektrickej energie. Vinutie poľa je poháňané regulátorom napätia pomocou zberacích krúžkov a uhlíkových kefiek. Polný prúd je oveľa menší ako výstupný prúd alternátora. Nízkoprúdové a relatívne hladké zberné krúžky zaisťujú väčšiu spoľahlivosť a dlhšiu životnosť, ako je to v prípade generátora jednosmerného prúdu s komutátorom a väčšieho prúdu vedeného cez jeho kefy. Stator je trojfázová konfigurácia a na usmernenie trojfázového generátora napätia z alternátora sa na výstupe stroja tradične používa usmerňovací diódový mostík.




Vyššie uvedený obrázok je jednoduchý model alternátora Lundell (spínaný usmerňovač). Polný prúd stroja je určený poľným prúdom regulátora, ktorý uplatňuje a šírka pulzu modulované napätie na vinutí poľa. Priemerný prúd poľa je určený odporom vinutia poľa a priemerným napätím aplikovaným regulátorom. Zmeny v poli prúdu sa vyskytujú s časovou konštantou vinutia Ľ / P poľa, ktorá je zvyčajne v poradí. Táto dlhá časová konštanta dominuje prechodnému výkonu alternátora. Kotva je navrhnutá so súborom sínusových 3 fázových spätných emf napätí, ako sú Vsa, Vsb, Vsc a úniková indukčnosť Ls. Elektrická frekvencia ω je úmerná mechanickej rýchlosti ωm a počtu pólov stroja. Veľkosť napätia spätného emf je úmerná tak frekvencii, ako aj poľnému prúdu.

V = kωi



Alternátor Lundell má veľkú reaktanciu úniku statora. Na prekonanie reaktívnych poklesov pri vysokom alternátorovom prúde sú potrebné relatívne veľké veličiny EMF stroja. Náhle zníženie záťaže alternátora znižuje reaktívne poklesy a vedie k tomu, že sa na výstupe alternátora objaví veľká časť spätného napätia skôr, ako je možné znížiť poľný prúd. Vznikne prechodná vôľa. Toto prechodné potlačenie je možné ľahko dosiahnuť pomocou nového alternátorového systému prostredníctvom riadneho riadenia spínaného usmerňovača.

Diódový mostík usmerňuje výstup stroja na striedavý prúd do zdroja konštantného napätia Vo, ktorý predstavuje batériu a súvisiace záťaže. Tento jednoduchý model zachytáva mnoho dôležitých aspektov alternátora Lundell, pričom zostáva systematicky použiteľný. Aplikácia výkonovej elektroniky s prepínaným režimom s prepracovanou kotvou môže poskytnúť celý rad vylepšení v oblasti výkonu a účinnosti. Pre lepší výkon môžeme tieto diódy nahradiť MOSFET. MOSFET navyše vyžadujú ovládače brány a ovládače brány vyžadujú napájacie zdroje vrátane napájacích zdrojov s posunutím úrovne. Takže náklady na náhradu celého aktívneho mostíka za diódový mostík sú značné.


V tomto systéme môžeme pridať aj prepínač zosilnenia, ktorým môže byť MOSFET, za ktorým bude nasledovať Diode Bridge ako riadený prepínač. Tento prepínač sa zapína a vypína pri vysokej frekvencii v modulácii šírky impulzu. V priemernom zmysle funguje sada prepínača zosilnenia ako jednosmerný transformátor s pomerom otáčok riadeným pracovným pomerom PWM. To, že za predpokladu, že prúd cez usmerňovač je počas cyklu PWM relatívne konštantný, je možné riadením pracovného pomeru d meniť priemerné napätie na výstupe mostíka na ľubovoľnú hodnotu pod výstupným napätím alternátorového systému.

Použitie usmerňovača riadeného PWM namiesto diódového usmerňovača umožňuje nasledujúce hlavné výhody, ako je zosilnenie prevádzky na zvýšenie výstupného výkonu pri nízkych otáčkach a korekcia účinníka v stroji na maximalizáciu výstupného výkonu.

Keď sa elektrické zaťaženie zvyšuje v dôsledku odoberania väčšieho množstva prúdu z alternátora, výstupné napätie klesá, čo je naopak detekované regulátorom, ktorý zvyšuje pracovný cyklus, aby sa zvýšil poľný prúd, a tým sa zvyšuje výstupné napätie. Rovnako, ak dôjde k poklesu elektrickej záťaže, pracovný cyklus sa zníži tak, že sa zníži výstupné napätie. PWM usmerňovač s úplným mostíkom (PFBR) je možné použiť na maximalizáciu výstupného výkonu pomocou sínusového riadenia PWM. PFBR je dosť drahé a zložité riešenie. Počíta sa s niekoľkými aktívnymi spínačmi a vyžaduje snímanie polohy rotora alebo zložité nezmyselné algoritmy.

Rovnako ako synchrónny usmerňovač však ponúka obojsmerné riadenie toku energie. Ak nie je potrebný obojsmerný tok energie, môžeme použiť ďalšie usmerňovače PWM ako tri jednofázové štruktúry BSBR. Má dvakrát menej aktívnych spínačov a všetky sú odkazované na zem. Aktívne spínače je možné redukovať iba na jeden pomocou zosilňovača zosilneného prepínaného režimu (BSMR). Pri tejto topológii nie je potrebné používať snímač polohy rotora, ale uhol výkonu nie je možné ovládať.