Automotive generator with a rectifier on transistors

Abstract

The article shows the possibility of non-contact car generating set consisting of a synchronous permanent magnet generator and a three-phase bridge rectifier, made on transistors.

Full Text

Автомобильный генератор с выпрямителем на транзисторах д.т.н. проф. Лохнин В.В., к.т.н. доц. Кецарис А.А. Университет машиностроения 8 (495) 223-05-23 доб. 1527 Аннотация. В статье показаны возможности бесконтактной автомобильной ге- нераторной установки, включающей синхронный генератор на постоянных маг- нитах и трехфазный мостовой выпрямитель, выполненный на транзисторах. Ключевые слова: постоянные магниты, синхронный генератор, выпрями- тель на транзисторах, активный и ключевой режимы транзистора. Введение К автомобильным генераторным установкам предъявляются следующие основные тре- бования: надежность, которая, в первую очередь, при тяжелых условиях эксплуатации (за- грязненность, запыленность, ударные нагрузки и т.д.) обеспечивается бесконтактным вари- антом исполнения генераторной установки, простота конструкции (в особенности конструк- ции индуктора), невысокая стоимость и минимальные масса и габариты. С появлением постоянных магнитов с высокой магнитной энергией, таких как ниодим - железо - бор, вышеуказанные требования достаточно легко выполнить исполнением гене- ратора с возбуждением от постоянных магнитов, размещенных на роторе генератора. Основным недостатком генераторов с возбуждением от постоянных магнитов является сложность стабилизации его выходного напряжения. Известные методы стабилизации, например, шунтированием магнитного потока постоянного магнита или использованием до- полнительной обмотки возбуждения, приводят к усложнению конструкции генератора, уве- личению его массы, габаритов и увеличению стоимости. Стандартная автомобильная генераторная установка содержит генератор, диодный вы- прямитель и фильтр, сглаживающий пульсации напряжения. Если в этой структуре исполь- зовать генератор с постоянными магнитами совместно с выпрямителем на транзисторах, то можно получить генераторную установку, удовлетворяющую вышеуказанным требованиям с необходимой стабилизацией выходного напряжения. Автомобильный генератор с выпрямителем на транзисторах Автомобильный генератор постоянного тока содержит трехфазный синхронный гене- ратор с электромагнитным возбуждением, выпрямитель на диодах и фильтр (рисунок 1). Рисунок 1. Блок-схема автомобильной генераторной установки. Напряжение на нагрузке стабилизируется изменением тока возбуждения генератора. Бесконтактный вариант такой генераторной установки содержит синхронную машину с воз- буждением от постоянных магнитов, обеспечивающую бесконтактный вариант исполнения, надежное возбуждение и отсутствие потерь на него. Стабилизация выходного напряжения регулированием магнитного потока постоянных магнитов значительно усложняет конструкцию генератора, а выполнение выпрямителя на тиристорах - установки сглаживающего напряжение фильтра, сравнимого по габаритам с генератором [1]. Если выполнить выпрямитель на полностью управляемых ключах (транзисторах), то стабилизацию выходного напряжения можно осуществить с помощью выпрямителя. Для стабилизации напряжения транзисторами выпрямителя можно использовать активный и ключевой режимы его работы. В активном режиме работы каждый транзистор выпрямителя является транзисторным стабилизатором непрерывного действия [2], принципиальная схема Известия МГТУ «МАМИ» № 4(26), 2015, т. 1 49 Транспортные средства и энергетические установки которого показана на рисунке 2. Рисунок 2. Транзисторный стабилизатор-фильтр непрерывного действия: E - источник однополярных импульсов; VT - транзистор, работающий в активном режиме; СУ - система управления; Н - нагрузка. Мощность такой генераторной установки определяется способностью отвода тепла от транзисторов и, как правило, ограничивается мощностью до 1 кВт. Отметим, что выпрями- тель на транзисторах, работающих в активном режиме, является и транзисторным фильтром и, следовательно, в блок-схеме (рисунок 1) блоки «выпрямитель» и «фильтр» совмещены в одном. Для более мощных генераторных установок стабилизацию напряжения целесообразно осуществлять ключевым режимом работы транзисторов, например, широтно-импульсной модуляцией. Блок-схема, соответствующая этому случаю, показана на рисунке 3. Рис. 3. Структурная схема широтно - импульсной модуляции автомобильной генераторной установки. В этой схеме выходное напряжение генератора поступает на вход компаратора Ком1, где сравнивается с эталонным сигналом U0 . Разность сигналов U  U0 UВХ усиливается усилителем У. Выходной сигнал усилителя Е поступает на компаратор Ком2, где сравнива- ется с сигналом пилообразной формы U ГПН . Этот сигнал формируется генератором тактовых импульсов ГТИ и пилообразным напряжением ГПН. Генератор ГТИ задает рабочую частоту f S переключения транзистора (несколько десятков кГц). Разность сигналов Е и U ГПН с выхода компаратора Ком2 поступает на формирователь импульсов ФИ, на выходе которого формируются импульсы управления транзисторами можно определить по методике, изложенной в [3]. U S . Параметры сглаживающего фильтра Выводы Успехи в развитии полупроводниковой базы позволили разработать транзисторы на де- сятки ампер и выше. Кроме того, современные высокоэнергетические постоянные магни- ты позволили минимизировать массу и габариты генератора в бесконтактном варианте исполнения. 50 Известия МГТУ «МАМИ» № 4(26), 2015, т. 1 Транспортные средства и энергетические установки Следует признать перспективной разработку автомобильной генераторной установки по схеме: генератор с постоянными магнитами, управляемый выпрямитель на транзисторах и сглаживающий фильтр. Для мощностей генераторной установки менее 1 кВт целесообразно использовать актив- ный режим работы транзисторов. Для мощностей генераторной установки более 1 кВт необходимо использовать ключевой режим работы транзисторов.