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永磁发电机的电子串并联稳压设计

时间:2017-11-21 浏览:182

摘 要:研制开发了带有电子电压调节器的小型拖拉机用永磁交流发电机,该发电机在原动机规定转速范围内,其输出电压基本恒定,是目前小型拖拉机及农用三轮车照明及信号系统的理想电源设备。文中对并联调节和串联调节两种稳压方式进行了分析、比较,并给出了样机实验结果。
关键词:永磁 交流发电机 电压调节器
1引言
永磁交流发电机因其结构简单,价格低廉而广泛应用于小型农用车辆的电源设备。但永磁交流发电机的磁场不能调节,输出电压随负载和转速的变化而变化。就目前使用的无电压调节器的产品来说,普遍存在低速时电压过低的问题,这对车辆的安全运行是极为不利的。为此近年来人们对永磁交流发电机的稳压问题进行了深入的研究,提出了稳速稳压、绕组抽头调节稳压和采用混合励磁稳压等多种方式,但均因其自身的局限性而未得到推广应用。我们研制的带电子调节器的永磁交流发电机,性能可靠,稳压效果好,受到了用户的普遍好评,其推广应用将产生很大的社会效益。
本文着重对并联调节和串联调节两种稳压方式进行分析、比较。
2并联调节稳压方式
2.1稳压原理
带并联电压调节器的永磁交流发电机的工作原理如图1(a)所示。在发电机端电压的正半波,检测控制单元检测端电压的大小,当其超过要求值时,产生触发脉冲,使晶闸管T导通,将发电机输出端短路,此时负载电压为零(忽略管压降),其波形如图1(b)所示。当转速升高电压上升时,晶闸管的触发时刻前移,负载的通电角度减小,这样负载电压的有效值即可保持近似不变。
为防止发电机空载时晶闸管被触发而导通,在线路中采取措施,使负载电流为零时,检测控制单元不输出触发脉冲,晶闸管T处于阻断状态,避免了交流发电机输出端半波短路消耗能量。
2.2电压调节范围
由于该种稳压方式为半波调节,要使发电机输出电压有效值基本保持不变,必须使发电机在无调节器状态下的输出特性(RL=C,U=f(n))满足一定要求,为此需研究调节器输出电压与晶闸管导通角度α的关系。
在恒速恒负载条件下,设无调节器时发电机输出电压为正弦波,幅值为Um时,其有效值为
加调节器后,若晶闸管的导通角为α,电压过零时晶闸管关断,则输出电压有效值为
其特性曲线如图2所示。
当α=π时,输出电压有效值最小,为0.707U。要实现在规定的转速范围内发电机输出电压能够保持额定电压UN,则要求发电机在最低转速时的直接输出电压Ul≥UN,而在最高转速时的直接输出电压Ul≤UN/0.707。这是采用并联调节稳压方式永磁交流发电机的电磁设计依据。
实际上,由于发电机电枢电感的存在,电流将滞后于电势,晶闸管在电势过零后会继续导通一定角度(设为γ),直至电流过零,此时输出电压的有效值为
式中γ角取决于发电机的电枢电感,转速和负载电阻的大小。
γ角的存在使并联电压调节器的稳压范围增大,使之适合于更宽的转速和负载变化范围。
3串联型电压调节器的工作原理
带串联型电压调节器的永磁交流发电机工作原理如图3所示。由反并联的二极管V与晶闸管T构成的单向半控交流调压电路,与负载串联,检测单元检测电压和频率的高低,据此产生响应的触发信号,控制晶闸管的导通时刻。当转速较低时,发电机的电压和频率均较低,检测单元始终出高电平,晶闸管在电压过零时自然导通,扣除管压降后发电机端电压,全部加到负载上;当转速升高时,发电机的电压和频率均升高,检测单元在电压过零点附近,输出一定宽度的低电平,使晶闸管导通时刻后移,后移的角度随电压和频率的升高而增大,如图3(b)、(c)所示。当晶闸管导通角为π时,晶闸管在一周期内全部截至,如图3(d)、(e)所示,控制单元的设计,可使在规定转速范围内负载电压的有效值基本保持不变。
4并联调节与串联调节的比较
并联调节与串联调节均为斩波稳压方式,所不同的是并联调节斩波时,发电机是短路的;而串联调节斩波时发电机是开路的。因此,二种调节方式各有特点。
4.1稳压范围
若不计并联调节器晶闸管延迟关断的影响,两者的稳压范围是相同的,实际上并联调节的稳压范围大于串联调节,其大于的程度与电机的参数和负载情况有关。
4.2系统效率
当发电机在高速、轻载状态下运行时,并联调节将使发电机在近半个周期内,处于短路状态,短路电流在电枢电阻上产生损耗,此时系统的效率是很低的,并引起发电机温升增高,在设计永磁交流发电机时,必须考虑这一问题。然而,在同样状态下采用串联调节时,发电机在近半个周期内处于开路状态,系统效率大大提高,当然由于串联二极管、晶闸管的存在,其管压降上也消耗部分功率,并影响发电机低速时的输出电压,这也是设计永磁交流发电机和选择器件时需考虑的问题。
4.3对永磁交流发电机的要求
对于两种稳压方式,永磁交流发电机的设计出发点是不同的。对于并联调节,为了限制斩波时的短路电流,应增加发电机的同步电抗,使发电机的短路电流略大于额定电流,其有效措施是增加发电机极对数,如采用爪极结构。随着同步电抗的增加,其稳压范围加大,这是有利的。但将导致电机结构复杂,比功率下降,成本提高,这又体现了它的弊端。
对于串联调节的永磁交流发电机,为了提高低速时的输出电压,应尽量减少其同步电抗,可采用一般的凸极结构。因此这种电机的优点是结构简单,比功率高,价格低廉。但其稳压范围减小,这又是不利的。
5实验
样机数据:
两种电机均以两只12V,28W灯泡作为负载,其试验数据分别如表1、表2所示。为了说明两种调节方式对永磁交流发电机要求的不同,表中同时给出了短路电流。
试验数据表明:在接近满载时,两种系统均具有良好的稳压效果,其性能指标大大优于标准ZBT6800—4—90的要求。进一步的试验说明,在负载较小时,并联调节系统具有较好的稳压效果。经设计分析,当额定功率相同时,串联调节永磁交流发电机的成本约为采用并联调节永磁交流发电机的三分之二。
6结论
(1) 所研制的永磁交流发电机的并联和串联电压调节器,结构简单,工作可靠,稳压效果良好。可以从根本上解决拖拉机等农用车辆低速时灯泡暗淡、高速时烧泡问题。
(2) 采用并联式电压调节器时,为限制发电机的短路电流,要求永磁交流发电机有较大的同步电抗,这虽然使发电机材料利用率降低,成本增加,但稳压范围相应扩大。因此,当负载和转速变化较大时,采用并联调节方式较适宜。
(3) 串联调节时,不存在发电机短路问题,其同步电抗值由要求的调节范围确定,当负载变化范围不大时,应优先采用串联调节方式。
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