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永磁發電機的電子串并聯穩壓設計

時間:2017-11-21 浏覽:266

摘 要:研制開發了帶有電子電壓調節器的小型拖拉機用永磁交流發電機,該發電機在原动機規定轉速範圍内,其輸出電壓基本恒定,是目前小型拖拉機及農用三輪車照明及信号系統的理想電源設備。文中對并聯調節和串聯調節兩種穩壓方式進行了分析、比較,并給出了樣機實验結果。
關鍵詞:永磁 交流發電機 電壓調節器
1引言
永磁交流發電機因其結構簡單,价格低廉而廣泛應用于小型農用車輛的電源設備。但永磁交流發電機的磁場不能調節,輸出電壓随負載和轉速的變化而變化。就目前使用的無電壓調節器的産品来說,普遍存在低速時電壓過低的問題,这對車輛的安全運行是極为不利的。为此近年来人們對永磁交流發電機的穩壓問題進行了深入的研究,提出了穩速穩壓、繞組抽頭調節穩壓和采用混合勵磁穩壓等多種方式,但均因其自身的局限性而未得到推廣應用。我們研制的帶電子調節器的永磁交流發電機,性能可靠,穩壓效果好,受到了用戶的普遍好評,其推廣應用将産生很大的社會效益。
本文着重對并聯調節和串聯調節兩種穩壓方式進行分析、比較。
2并聯調節穩壓方式
2.1穩壓原理
帶并聯電壓調節器的永磁交流發電機的工作原理如圖1(a)所示。在發電機端電壓的正半波,檢測控制單元檢測端電壓的大小,當其超過要求值時,産生觸發脈沖,使晶閘管T導通,将發電機輸出端短路,此時負載電壓为零(忽略管壓降),其波形如圖1(b)所示。當轉速升高電壓上升時,晶閘管的觸發時刻前移,負載的通電角度減小,这樣負載電壓的有效值即可保持近似不變。
为防止發電機空載時晶閘管被觸發而導通,在線路中采取措施,使負載電流为零時,檢測控制單元不輸出觸發脈沖,晶閘管T處于阻斷狀态,避免了交流發電機輸出端半波短路消耗能量。
2.2電壓調節範圍
由于該種穩壓方式为半波調節,要使發電機輸出電壓有效值基本保持不變,必須使發電機在無調節器狀态下的輸出特性(RL=C,U=f(n))滿足一定要求,为此需研究調節器輸出電壓與晶閘管導通角度α的關系。
在恒速恒負載條件下,設無調節器時發電機輸出電壓为正弦波,幅值为Um時,其有效值为
加調節器後,若晶閘管的導通角为α,電壓過零時晶閘管關斷,則輸出電壓有效值为
其特性曲線如圖2所示。
當α=π時,輸出電壓有效值最小,为0.707U。要實現在規定的轉速範圍内發電機輸出電壓能夠保持額定電壓UN,則要求發電機在最低轉速時的直接輸出電壓Ul≥UN,而在最高轉速時的直接輸出電壓Ul≤UN/0.707。这是采用并聯調節穩壓方式永磁交流發電機的電磁設計依據。
實際上,由于發電機電樞電感的存在,電流将滞後于電勢,晶閘管在電勢過零後會繼續導通一定角度(設为γ),直至電流過零,此時輸出電壓的有效值为
式中γ角取決于發電機的電樞電感,轉速和負載電阻的大小。
γ角的存在使并聯電壓調節器的穩壓範圍增大,使之适合于更寬的轉速和負載變化範圍。
3串聯型電壓調節器的工作原理
帶串聯型電壓調節器的永磁交流發電機工作原理如圖3所示。由反并聯的二極管V與晶閘管T構成的單向半控交流調壓電路,與負載串聯,檢測單元檢測電壓和頻率的高低,據此産生響應的觸發信号,控制晶閘管的導通時刻。當轉速較低時,發電機的電壓和頻率均較低,檢測單元始終出高電平,晶閘管在電壓過零時自然導通,扣除管壓降後發電機端電壓,全部加到負載上;當轉速升高時,發電機的電壓和頻率均升高,檢測單元在電壓過零點附近,輸出一定寬度的低電平,使晶閘管導通時刻後移,後移的角度随電壓和頻率的升高而增大,如圖3(b)、(c)所示。當晶閘管導通角为π時,晶閘管在一周期内全部截至,如圖3(d)、(e)所示,控制單元的設計,可使在規定轉速範圍内負載電壓的有效值基本保持不變。
4并聯調節與串聯調節的比較
并聯調節與串聯調節均为斬波穩壓方式,所不同的是并聯調節斬波時,發電機是短路的;而串聯調節斬波時發電機是開路的。因此,二種調節方式各有特點。
4.1穩壓範圍
若不計并聯調節器晶閘管延遲關斷的影響,兩者的穩壓範圍是相同的,實際上并聯調節的穩壓範圍大于串聯調節,其大于的程度與電機的參數和負載情況有關。
4.2系統效率
當發電機在高速、輕載狀态下運行時,并聯調節将使發電機在近半個周期内,處于短路狀态,短路電流在電樞電阻上産生損耗,此時系統的效率是很低的,并引起發電機溫升增高,在設計永磁交流發電機時,必須考慮这一問題。然而,在同樣狀态下采用串聯調節時,發電機在近半個周期内處于開路狀态,系統效率大大提高,當然由于串聯二極管、晶閘管的存在,其管壓降上也消耗部分功率,并影響發電機低速時的輸出電壓,这也是設計永磁交流發電機和選擇器件時需考慮的問題。
4.3對永磁交流發電機的要求
對于兩種穩壓方式,永磁交流發電機的設計出發點是不同的。對于并聯調節,为了限制斬波時的短路電流,應增加發電機的同步電抗,使發電機的短路電流略大于額定電流,其有效措施是增加發電機極對數,如采用爪極結構。随着同步電抗的增加,其穩壓範圍加大,这是有利的。但将導致電機結構複雜,比功率下降,成本提高,这又體現了它的弊端。
對于串聯調節的永磁交流發電機,为了提高低速時的輸出電壓,應盡量減少其同步電抗,可采用一般的凸極結構。因此这種電機的優點是結構簡單,比功率高,价格低廉。但其穩壓範圍減小,这又是不利的。
5實验
樣機數據:
兩種電機均以兩隻12V,28W燈泡作为負載,其試验數據分别如表1、表2所示。为了說明兩種調節方式對永磁交流發電機要求的不同,表中同時給出了短路電流。
試验數據表明:在接近滿載時,兩種系統均具有良好的穩壓效果,其性能指标大大優于标準ZBT6800—4—90的要求。進一步的試验說明,在負載較小時,并聯調節系統具有較好的穩壓效果。经設計分析,當額定功率相同時,串聯調節永磁交流發電機的成本約为采用并聯調節永磁交流發電機的三分之二。
6結論
(1) 所研制的永磁交流發電機的并聯和串聯電壓調節器,結構簡單,工作可靠,穩壓效果良好。可以從根本上解決拖拉機等農用車輛低速時燈泡暗淡、高速時燒泡問題。
(2) 采用并聯式電壓調節器時,为限制發電機的短路電流,要求永磁交流發電機有較大的同步電抗,这雖然使發電機材料利用率降低,成本增加,但穩壓範圍相應擴大。因此,當負載和轉速變化較大時,采用并聯調節方式較适宜。
(3) 串聯調節時,不存在發電機短路問題,其同步電抗值由要求的調節範圍确定,當負載變化範圍不大時,應優先采用串聯調節方式。