Efficiency of contactless DC generators for vehicles

Full Text

Электрические машины с возбуждением от высокоэнергетических постоянных магнитов из-за ряда своих достоинств (бесконтактность, надежное возбуждение и отсутствие потерь на него) перспективны для применения на транспортных средствах. Они востребованы в двигательном режиме работы (вентильные двигатели), но генераторный режим работы требует регулирования магнитного потока от постоянных магнитов, что связано с известными трудностями. В источнике постоянного тока на базе такого генератора появляется возможность выноса регулятора напряжения в управляемый выпрямительный блок. В случае глубокого регулирования напряжения это в настоящее время единственно эффективный метод регулирования. Источник в этом случае имеет следующую структуру: нерегулируемый генератор на постоянных магнитах, выпрямитель на диодах, тиристорах или транзисторах и сглаживающий L-C фильтр. Если привод генератора имеет кратность частоты вращения в пределах 2-х, конкурентоспособна структура источника с регулируемым генератором на постоянных магнитах (смешанное возбуждение, рисунок 1, или усовершенствованное подмагничивание, рисунок 2), диодный выпрямитель и сглаживающий L-C фильтр. Оценим массовые показатели ряда источников на базе бесконтактного генератора с высокоэнергетическими постоянными магнитами на следующие технические задания: · мощность генератора - 9 кВт; · выходное напряжение источника - 30 В; · минимальная частота вращения - 4500 об/мин; · максимальная частота вращения - 7000 об/мин; · двойная перегрузка по мощности в течение 5 сек на частоте вращения 7000 об/мин; · полуторакратная перегрузка в течение 5 мин; · охлаждение - принудительная воздушная вентиляция; · пульсации выходного напряжения ≤ 10%. Рисунок 1. Генератор комбинированного возбуждения: 1-корпус; 2-статор; 3-магнит; 4-пакет ротора; 5-обмотка возбуждения; 6-втулки; 7-немагнитный материал; 8-вал. Рисунок 2. Источник постоянного тока с усовершенствованным подмагничиванием спинки якоря Рисунок 3. Источник с тиристорным выпрямителем Рисунок 4. Источник с диодным выпрямителем и транзисторным импульсным стабилизатором напряжения Рисунок 5. Источник с выпрямителем на IGBT-транзисторах Оценим массовые показатели источников перечисленных выше вариантов: 1) генератор смешанного возбуждения - диодный выпрямитель по трехфазной мостовой схеме - сглаживающий L-C фильтр; 2) генератор с усовершенствованным подмагничиванием спинки якоря (рисунок 1), в котором ток подмагничивания целесообразно взять с выхода источника - диодного выпрямителя - сглаживающий фильтр [2]; 3) генератор - тиристорный управляемый выпрямитель - сглаживающий L-C фильтр (рисунок 3); 4) генератор - диодный выпрямитель - транзисторный импульсный стабилизатор напряжения - L-C фильтр (рисунок 4); 5) генератор - транзисторный выпрямитель с ключевым режимом работы транзисторов (ШИМ) - L-C фильтр (рисунок 5). На рисунках 6 и 7 показано выпрямленное напряжение на выходе тиристорного выпрямителя (рисунок 6) и выпрямителя на транзисторах (рисунок 7) или диодного выпрямителя с импульсным транзисторным регулятором без учета коммутационных провалов в выходном напряжении. Рисунок 6. Фазное и выпрямленное напряжения в источнике с тиристорным выпрямителем Рисунок 7. Выпрямленное напряжение в источнике с транзисторным выпрямителем В таблице 1 приведены сравнительные показатели по массе рассматриваемых источников, рассчитанных по вышеприведенному техническому заданию. Таблица 1 Массовые характеристики генераторов при различном исполнении В таблице: Gа - масса активных материалов генератора, Gф - масса сглаживающего фильтра. Из анализа таблицы следует, что источник с нерегулируемым генератором и транзисторным выпрямителем с ключевым режимом работы транзисторов имеет наименьшую массу (12,13 кг). Источник с нерегулируемым генератором, диодным выпрямителем и импульсным регулятором напряжения несколько уступает по массе предыдущему варистору (12,53 кг), однако следует учитывать, что в таком варианте транзисторный ключ рассчитан на полную мощность источника (IGBT-транзисторы выполняются в настоящее время на напряжение до 1000В и ток до 1000А) и создает дополнительные потери мощности. Источники с регулированными генераторами на постоянных магнитах уступают источнику с генератором электромагнитного возбуждения, выполняемого в бесконтактном варианте по схеме подвозбудитель - возбудитель - вращающийся выпрямитель - обмотка возбуждения генератора (13,15 кг и 15,2 кг соответственно), однако в случае необходимости обеспечения стартерного режима работы генератора генератор электромагнитного возбуждения не обеспечивает этот режим.

About the authors

V. V. Lokhnin

Moscow State Unviersity of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: lokhnin_v_v@mail.ru
Dr.Eng., Prof.; +7-495-223-05-23 ext. 1324

V. M. Yurkevich

Moscow State Unviersity of Mechanical Engineering (MAMI); Moscow Power Engineering Institute

Email: neo-sc@yandex.ru
Dr.Eng., Prof.; +7-495-223-05-23 ext. 1324

B. A. Ivobotenko

Moscow State Unviersity of Mechanical Engineering (MAMI); Moscow Power Engineering Institute

Email: neo-sc@yandex.ru
Dr.Eng., Prof.; +7-495-223-05-23 ext. 1324

V. I. Shirkov

Moscow State Unviersity of Mechanical Engineering (MAMI); Moscow Power Engineering Institute

Email: neo-sc@yandex.ru
+7-495-223-05-23 ext. 1324

References

Supplementary files