De opkomst van elektrische systemen in de auto-industrie doet belangstelling voor generatoren die ongebruikelijke niveaus van de tentoonstelling geven. Kritieke eigenschappen van toekomstige dynamo's zijn onder meer een hoger vermogen en een hogere regelingsdikte, een werking bij hogere temperaturen en een betere tijdelijke respons. De toepassing van vermogenselektronica op de stroomopwekking van auto's is een nieuwe techniek voor het afstemmen van de belasting die een eenvoudige geschakelde gelijkrichter presenteert om een dramatische toename van het piek- en gemiddelde vermogen van een conventionele Lundell-dynamo te bereiken, naast een aanzienlijke inefficiëntie van upgrades. De elektronische vermogenscomponenten van het voertuig, in combinatie met het algehele vermogensbeheer- en controlesysteem, introduceren een nieuwe reeks uitdagingen voor het ontwerp van elektrische systemen. Deze vermogenselektronische componenten omvatten energieopslagapparaten, DC / DC-converters, omvormers en rijdt. Automobiel Vermogenselektronica is in veel toepassingen gevonden enkele daarvan worden hieronder genoemd.
- Stuurcircuits voor brandstofinjectorsolenoïde
- IGBT-stuurstroomcircuits voor bobines
- Elektrische stuurbekrachtigingssystemen
- 42V stroomnet
- Elektrische / hybride aandrijvingen
De Lundell-alternator:
De Lundell, ook wel Cla-Pole-dynamo genoemd, is een synchrone machine met een gewikkeld veld waarin de rotor een paar gestempelde poolstukken omvat die rond een cilindrische veldwikkeling zijn bevestigd. De Lundell-dynamo is het meest gebruikte apparaat voor energieopwekking dat in auto's wordt gebruikt. Het zijn de meest gebruikte commerciële auto-alternatoren. Daarnaast de regelmogelijkheden van de ingebouwde bruggelijkrichter en spanningsregelaar die bij deze dynamo wordt geleverd. Het is een driefasige synchrone generator met een wondveld met een interne driefasige diodegelijkrichter en spanningsregelaar. De rotor bestaat uit een paar gestempelde poolstukken, vastgemaakt rond een cilindrische veldwikkeling. De efficiëntie en het uitgangsvermogen van de Lundell-alternatoren zijn echter beperkt. Dit is een groot nadeel voor het gebruik ervan in moderne voertuigen die een groter elektrisch vermogen vereisen. De veldwikkeling wordt aangedreven door de spanningsregelaar via sleepringen en koolborstels. De veldstroom is veel kleiner dan de uitgangsstroom van de dynamo. De lage stroom en relatief soepele sleepringen zorgen voor een grotere betrouwbaarheid en een langere levensduur dan die verkregen door een DC-generator met zijn commutator en hogere stroom die door zijn borstels wordt geleid. Een stator is een driefasige configuratie en een volledige brugdiodegelijkrichter wordt traditioneel gebruikt aan de machine-uitgang om de driefasige spanningsgenerator van de alternatormachine gelijk te richten.
De bovenstaande afbeelding is een eenvoudig model van de Lundell-dynamo (geschakelde gelijkrichter). De veldstroom van de machine wordt bepaald door de veldstroom van de regelaar die een pulsbreedte gemoduleerde spanning over de veldwikkeling. De gemiddelde veldstroom wordt bepaald door de weerstand van de veldwikkeling en de gemiddelde spanning die door de regelaar wordt aangelegd. Veranderingen in de veldstroom treden op met een L / R-veldwikkelingstijdconstante die typisch in de bestelling is. Deze lange tijdconstante domineert de tijdelijke prestatie van de dynamo. Het anker is ontworpen met een set sinusvormige 3-fase back-emf-spanningen zoals Vsa, Vsb, Vsc en lekinductie Ls. De elektrische frequentie ω is evenredig met de mechanische snelheid ωm en het aantal machinepolen. De grootte van de back-emf-spanningen is evenredig met zowel de frequentie als de veldstroom.
V = sleutel
De Lundell-dynamo heeft een grote reactantie van de statorlekkage. Om de reactieve dalingen bij hoge alternatorstroom te overwinnen, zijn relatief grote back-emf-magnitudes van de machine nodig. Een plotselinge vermindering van de belasting van de alternator vermindert de reactieve dalingen en resulteert in een groot deel van de back-spanning die aan de uitgang van de alternator verschijnt voordat de veldstroom kan worden verminderd. De resulterende voorbijgaande zal plaatsvinden. Deze tijdelijke onderdrukking kan gemakkelijk worden verkregen met het nieuwe alternatorsysteem door de juiste regeling van de geschakelde gelijkrichter.
Een diodebrug corrigeert de uitgang van de wisselstroommachine in een constante spanningsbron Vo die de batterij en bijbehorende belastingen vertegenwoordigt. Dit eenvoudige model legt veel van de vitale aspecten van de Lundell-dynamo vast, terwijl het systematisch handelbaar blijft. De toepassing van geschakelde vermogenselektronica met een opnieuw ontworpen anker kan een reeks verbeteringen op het gebied van vermogen en efficiëntie opleveren. We kunnen deze diodes vervangen door MOSFET's voor betere prestaties. Bovendien hebben MOSFET's gate-stuurprogramma's nodig, en poortstuurprogramma's hebben voedingen nodig, inclusief level-shifted voedingen. Dus de kosten om een volledig actieve brug te vervangen door een diodebrug zijn aanzienlijk.
In dit systeem kunnen we ook een boost-schakelaar toevoegen, mogelijk MOSFET gevolgd door Diode Bridge als een gecontroleerde schakelaar. Deze schakelaar wordt in- en uitgeschakeld met hoge frequentie in pulsbreedtemodulatie. In gemiddelde zin fungeert de boost-schakelaarset als een gelijkstroomtransformator met een windingsverhouding die wordt bestuurd door de PWM-duty-ratio. Dat door aan te nemen dat de stroom door de gelijkrichter relatief constant is over een PWM-cyclus, door de duty-ratio d te regelen, kan men de gemiddelde spanning aan de uitgang van de brug variëren tot elke waarde onder de uitgangsspanning van het alternatorsysteem.
Het gebruik van een PWM-gestuurde gelijkrichter in plaats van een diodegelijkrichter zorgt voor de volgende belangrijke voordelen, zoals een boostwerking voor het verhogen van het uitgangsvermogen bij lage snelheid en correctie van de arbeidsfactor in de machine voor het maximaliseren van het uitgangsvermogen.
Wanneer de elektrische belasting toeneemt doordat er meer stroom wordt afgenomen van de dynamo, daalt de uitgangsspanning, wat op zijn beurt wordt gedetecteerd door de regelaar, die de duty-cycle verhoogt om de veldstroom te vergroten, en dus de uitgangsspanning stijgt. Evenzo, als er een afname van de elektrische belasting is, neemt de inschakelduur af, zodat de uitgangsspanning afneemt. De PWM-bruggelijkrichter (PFBR) kan worden gebruikt om het uitgangsvermogen te maximaliseren met sinusvormige PWM-regeling. Een PFBR is een vrij dure en complexe oplossing. Het telt voor meerdere actieve schakelaars en vereist detectie van de rotorpositie of complexe, zinloze algoritmen.
Net als een synchrone gelijkrichter biedt het echter bidirectionele vermogensstroomregeling. Als bidirectionele stroomtoevoer niet vereist is, kunnen we andere PWM-gelijkrichters gebruiken zoals de drie enkelfasige BSBR-structuren. Het heeft twee keer minder actieve schakelaars en ze hebben allemaal betrekking op de grond. Actieve schakelaars kunnen worden teruggebracht tot slechts één met behulp van een Boost Switched-ModeRectifier (BSMR). Met deze topologie is het niet nodig om een rotorpositiesensor te gebruiken, maar de vermogenshoek kan niet worden geregeld.
