转换器控制的汽车感应发电机发电效率的优化控制

战金玉，高月珍，孙玉梅

(烟台南山学院，龙口265713)

0 引 言

随着人们生活水平的提高，汽车的安全性、自动性和舒适性逐步提高［1］，车上的用电设备增多，消耗的电量上升，车上发电机的输出功率增大。同时，随着经济持续发展，我国城镇化建设的加快，农村人口不断向城镇转移，城市人口和车辆增多，导致交通拥挤，致使汽车发电机经常在低速状态中运转。因此提高车用发电机低速发电性能和比功率输出具有现实意义。

目前，已有部分专家学者在高效低速大功率汽车交流发电机领域进行过研究和探索。其中一种研究是在发电机的定子绕组内嵌入2套三相绕组，根据发电机的转速状况，在定子绕组输出的交流回路上通过控制晶闸管的通断改变2套绕组的连接，其结果是晶闸管的触发电路复杂，再加上晶闸管本身的管压降比较大，增加热损耗，增加了发电机的温升，降低了发电机的可靠性。其他研究之一，例如增加发电机每相绕组的匝数降低发电机零电流的转速，然而此时的发电机在中高速运转状态时，发电机内阻会增大，扼制了发电机电流的输出［2］。因此，一个既要在低速状态下有较好电流输出，又要在高速状态下减小发电机内阻，并且控制电路简单，可靠性高，具备可行性的问题需要研究解决。

1 发电系统理论分析

汽车发电机通常为六爪凸极式同步交流发电机(以下简称发电机)，U和I是同相位，定子绕组一般采用Y形连接，经过三相桥式整流向外输出供电，输出电压U在电压调节器作用下可以认为保持不变，所以发电机的输出功率就可以认为与输出电流成正比关系［3］。其电压方程:

式中:E，U，I分别是发电机每一相的相电动势、相电压、相电流，其中，I=Id+j Iq;R，Xd，Xq分别是发电机每一相定子绕组的电阻、直轴同步电抗和交轴同步电抗［4］。

为了分析进行简化，忽略绕组电阻影响，忽略发电机的凸极效应，即:Xs=Xd=Xq，则式(1)可简化:

由式(2)得到:

又:

式中:K是绕组分布系数;f是频率;N是定子绕组的每相有效匝数，Φ是主极下平均磁通［5］。

式中:p是主极对数。

由式(4)和式(5)得到:

发电机制造完成后，K，Φ，P认为不变，简化式(6)得到:

式中:Ke为比例系数。又:

式中:Kx为比例系数。

由式(3)、式(7)、式(8)得到:

对式(9)求d I/d N，并且令d I/d N=0，得:

由此可知，在电动势系数和输出电压一定的条件下，发电机输出最大电流时，其绕组线圈匝数仅与转速有关，并且成反比关系。

2 改进设想

发电机在低速状态运行时，转速较小，由式(10)可知，若想在较低的转速下输出较大的电流，势必增大每相绕组的匝数。此时绕组的匝数增加，输出的电动势相对增加。由于转速较低，频率较小，所以阻抗较小，由I=(E－U)/Z(Z为阻抗)可知，输出电流I也上升了。因此，在低速状态下采取增加发电机定子绕组的匝数方法，能够增大发电机的输出电流值，增大发电机的输出功率。

发电机在中高速状态运转时，转速较高，频率增大，内部阻抗增大，发电机内部消耗也增大，扼制了电流输出，降低了发电机整体功率输出。此时发电机的转速n增大，由式(10)和I=(E－U)/Z可知，采取减少绕组匝数的方法能增大发电机的输出电流或功率。但是为了降低绕组的电流密度和降低温升，需要增大绕组的线径。

我们可以用两个Y形的电枢绕组，在发电机低速状态时将2个整流后的直流源串联连接，总电动势相当于2个独立直流源的叠加，也相当于一个电枢绕组的每相匝数叠加。此时，发电机能够在较低的转速下，达到串接前在较高转速时的发电效果。发电机在中高速状态运转时将两整流后的直流源并联连接，相当于把2个Y形电枢绕组并联，降低了发电机的总内阻。此时，既能输出较大的电流，又能降低绕组的电流密度和降低发电机温升，提高了发电机的输出功率。

因此，在发电机定子内部采用双漆包线并绕，即嵌入双绕组，连接成双Y形方式，再分别与各自的三相桥式整流桥连接。发电机在运转时，根据采集的转速信号条件，自动改变两整流后的直流源的连接方式，优化发电机的内部电气结构，使发电机的输出功率和输出效率提高。

3 改进的发电系统组成和原理

改进的汽车发电机电气原理图如图1所示，主要由2套Y形绕组G1和G2，励磁绕组FW，整流桥1和整流桥2，二极管D13－D15，直流源连接转换器(以下简称转换器)，电压调节器组成。定子绕组G1的输出端U1，V1，W1与整流桥1连接，定子绕组G2的输出端U2，V2，W2与整流桥2连接。整流桥1的共阴极端与转换器的K1端连接，整流桥1的共阳极端与转换器的K4端连接。整流桥2的共阴极端与转换器的K2端连接，整流桥2的共阳极端与转换器的K3端连接。K1端与K2端之间、K3端与K4端之间、K1端与K3端之间分别在转换器的作用下能够连接在一起或者断开，控制着整流桥1和整流桥2的串接或并接。转换器的K5，K6端分别与定子绕组G1的输出端V1，W1连接，完成速度信号的采集。D4，D5和D6的共阳极端为发电机的负极。D7，D8和D9的共阴极端为B+，它是发电机的对外输出直流电压端。FW为发电机的励磁绕组，它与电压调节器等其他器件、电路组成发电机的励磁回路，为发电机提供可调磁场。转换器由场效应管、单片机和其他电子元件组成。场效应管因为管压降较小，热损耗小，所以发电机的温升小。单片机根据设定好的转速条件控制着场效应管的导通或关断。电压调节器为通用14 V电子式电压调节器。

图1 改进的汽车发电机电气原理图

4 改进实施

为了证实本文所研究方案的正确性，选择2台型号、规格都一样的成品发电机JFZ193A，其额定电压14 V，额定功率1 500 W。将其中的一台解体，按照图1的电气原理图改装成一台JFZ193B发电机，将电枢绕组分解为双Y形独立回路，再与转换器等其他电器连接。表1为发电机JFZ193A与JFZ193B的结构参数。

表1 发电机JFZ193A与JFZ193B的结构参数

5 计算发电机改进的合理性

改进的发电机JFZ193B的数据:主极对数p=6，定子铁心内径D=101 mm，铁心有效长度l=26．7 mm，每相绕组匝数为30，测定转速n=3 000 r/min，绕组分布系数K=1，测定输出电压U=13．58 V，输出电流I=117．8 A，电阻R1=0．050 5 Ω，电感量L1=61．91 μH，电阻 R2=0．050 5 Ω，电感量 L2=76．37 μH。

每极面积:

电压频率:

由此可知，改进后的发电机主极下磁通密度(磁感应强度 B)为0．70 T，它在0．60 ～1．10 T 范围之间，因此所改进的发电机从理论方面判断是合理的［6］。

6 发电机台架对比试验

发电机改进实施完成后，分别将发电机JFZ193B和JFZ193A在试验台架上做了发电机的热态性能测试试验，表2为JFZ193B与JFZ193A发电机的台架试验对比技术数据。

表2 发电机的台架试验对比技术数据

从表2中可以看出:

(1)改装后的发电机空载转速由原发电机790 r/min下降到420 r/min。

(2)改装后的发电机零电流转速由原发电机950 r/min下降到560 r/min。

(3)改装后的发电机在1 500 r/min时输出电流达到46．3 A，比改装前的输出电流增大32%。

(4)在1 700 r/min状态时发电机JFZ193A与JFZ193B的两输出电流大小接近，其他情况是发电机JFZ193B输出电流大于JFZ193A的输出电流。

(5)发电机JFZ193B在3 000 r/min时输出电流为117．8 A，在6 000 r/min时输出电流为148．6 A。

对测试后所记录的转速和电流试验数据经过整理，绘制了发电机JFZ193A与JFZ193B的转速电流输出特性曲线图如图2所示，曲线a为发电机原机JFZ193A的转速电流输出特性曲线，曲线b为改进后的发电机JFZ193B的转速电流输出特性曲线。

图2 发电机转速电流输出特性曲线图

7 发电机装车应用对比试验

为了掌握改进发电机的技术性能和可靠性情况，将发电机JFZ193B和JFZ193A分别安装到龙口市的同一条公交线路、相同车型的客车B和客车A上，做了为期1年的具体装车运营试验，累计行驶里程达72 000 km，JFZ193B发电机没有发生故障，输出的电压、电流技术指标都符合国家标准，满足车上的使用要求。表3为JFZ193A与JFZ193B发电机装车应用试验对比部分结果。

表3 发电机装车应用试验对比部分结果

从表3中可以看出，改进后的发电机质量可靠，油耗降低5%，节能减排和间接延长蓄电池的使用寿命，具备可行性和实用性。

8 结 语

电力电子器件在转换器作用下，能够在直流回路上自动变换电气连接方式，串接或并接发电机内部经整流后的2个直流源，优化汽车发电机的输出性能，提高发电机输出效率。

所研究改进的发电机，在额定输出功率等同于常规结构电机条件下，低速运行时输出平均功率比传统结构的发电机至少提高25%，转速运行到中高速(3 000～6 000 r/min)区段，输出平均功率提高30%以上，比功率达到307W/kg，提高了电机制造材料的利用率和间接延长蓄电池的使用寿命。

所研究改进的发电机，如果适当改变发电机皮带轮的传动比，降低发电机的转速，它仍能与常规发电机的输出功率相当，但能延长发电机的使用寿命。如果允许发动机的怠速适当降低，发电机的转速会随之降低，它仍能与常规发电机的输出功率相当，但能够降低车的油耗，节能减排。

通过台架试验和真实装车应用试验表明，本文所做的研究是可行合理的，值得借鉴和推广应用［7］。

［1］ 李玉生．重型载货汽车产品技术进展综述［J］．重型汽车，2004(3):7－9．

［2］ 白崟儒．无源型最大风能自动跟踪风力发电系统的研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2010．

［3］ 陈世坤．电机设计［M］．北京:机械工业出版社，2013．

［4］ 宋志环，李建富，刘传坤，等．兆瓦级电励磁直驱风力发电机电磁场有限元计算与分析［J］．东方电机，2012(2):33－37．

［5］ 周石，李明昊，周羽．带整流负载的六相方波永磁发电机建模仿真［J］．微特电机，2016，44(1):7 －11．

［6］ 宫进，梁青阳，李永恒，等．改进独立运行双馈感应发电机控制［J］．微特电机，2015，43(9):77 －80．

［7］ 张付义．电动汽车试验台总体设计与技术研究［D］．西安:长安大学，2006．