Генератор Ланделла (генератор переменного тока)
Повышение комфорта и безопасности в автомобилях, грузовиках и автобусах, приводимых в действие двигателями внутреннего сгорания, требует более установленной электрической мощности на борту. На данный момент генератор Лунделла (генератор роторного генератора) является единственным типом автомобильного генератора, используемого в промышленности, с полной мощностью на единицу до 5 кВт и скоростью до 18 000 об / мин.
У каждого автомобиля есть это - генератор Лунделла с ротором с когтистым полюсом (на фото: Jeep 2, 5-литровый 4-цилиндровый двигатель, хромированный - закрыть генератор переменного тока, кредит: википедия)
Прочная и надежная конструкция с прочным и надежным корпусом с фиксированным полюсом ротора с кольцевой катушкой возбуждения одиночного постоянного тока (DC), хотя и снабжена через скользящие кольца и щеточки от батареи на борту, с низкой стоимостью, низким объемом и низким потери мощности возбуждения.
В общем, генератор Лунделла представляет собой трехфазный генератор с тремя или шестью слотами на полюс и с 12, 14, 16, 18 полюсами и диодным полным выпрямителем.
Его основным недостатком являются довольно большие потери (низкая эффективность), около 50% при полной мощности и высокой скорости. Производство электроэнергии на борту с такими высокими потерями более неприемлемо, поскольку требования к электроэнергии на автомобиль увеличиваются.
Усовершенствования конструкции генератора роторного генератора (или генератора Лунделла) для повышения эффективности при более высокой мощности на единицу в настоящее время находятся под большим исследованием как в промышленности, так и в научных кругах.
Первый коммерческий мягкий гибридный электрический автомобиль, запущенный в 2002 году, использует машину Lundell в качестве стартера (генератора).
Строительство и принцип работы
На рис. 1 приведено поперечное сечение типичного промышленного роторного генератора с цепным полюсом. Он содержит следующие основные части:
- Равномерно щелевая многослойная стальная железная сердцевина
- Трехфазная обмотка переменного тока (AC): обычно один слой с q = 1, 2 слота на полюс на фазу, звездообразное или дельта-соединение фаз
- Ротор с коленчатым полюсом, выполненный из твердых частей железа, которые окружают кольцевую катушку возбуждения (одиночную)
- Медные уплотнительные кольца с низковольтными отрывными щетками для передачи мощности на катушку возбуждения постоянного тока на роторе
- Подшипники и концевая рама изготовлены из двух сторон - стороны кольца скольжения и стороны конца привода. Генератор приводится в движение двигателем внутреннего сгорания (ICE) через ленточную трансмиссию.
Рисунок 1 - Генератор Лунделя
Выход переменного тока генератора Lundell выпрямляется с помощью выпрямителя с тремя или четырьмя ногами и подключается к бортовой батарее (рис. 2). Сегодня используются 14 батарей Vdc, но теперь в качестве нового стандарта для нагрузок автомобильных приложений теперь используются батареи с напряжением 42 В постоянного тока.
Диоды D 1 - D 6 (D 8) служат для выпрямления выходной мощности полной мощности и рассчитаны на максимальную мощность генератора. Для больших блоков (для грузовых автомобилей и т. Д.) Параллельно подключены три элементарных диода на радиаторных полулегалах, чтобы соответствовать довольно высоким уровням тока (для больших транспортных средств характерны аккумуляторы на 28 В постоянного тока).
Рисунок 2 - Типичная промышленная система генератора Ланделла
Катушка возбуждения подается от клемм генератора через полумостовой диодный выпрямитель с низким уровнем тока (в интервале от 5 до 20 А) и статический преобразователь постоянного тока постоянного тока. Датчик напряжения и регулятор управляют преобразователем постоянного тока для постоянного поддержания напряжения батареи в течение определенного интервала (примерно от 12 до 17 В постоянного тока, для 14 В постоянного тока) и обеспечивают защиту от перенапряжения и максимальной токовой защиты.
Напряжение аккумуляторной батареи зависит от состояния заряда, от его температуры окружающей среды и от уровня нагрузки.
При проектировании генератора необходимо учитывать экстремальные условия для батареи. Когда температура уменьшается, напряжение батареи увеличивается для всех состояний заряда аккумулятора. При 100% зарядке аккумулятора напряжение аккумулятора может увеличиться с 13, 4 В при 60 ° С до 16 В при 20 ° С.
Для 10% заряда батареи одинаковые напряжения составляют соответственно 10, 75 В и 14 В. Возраст батареи играет важную роль в регулировании напряжения.
Для его оптимального использования требуется всестороннее моделирование батареи, так как средний срок службы батареи составляет около 5 лет и более для типичного автомобиля сегодня. Генератор должен обеспечивать тот же ток для нагрузки (или заряда аккумулятора) от холостого хода ICE (от 700 до 1000 об / мин, в целом) вперед.
Цепь возбуждения отключается, когда ICE выключается, чтобы сохранить время автономной работы и расход топлива.
Обмотки статора для автомобилей, в частности, однослойные, с q = 1 слот / полюс / фаза и с диаметральными катушками. Они вставлены машиной в пазы, а коэффициент заполнения слота K заполняется скромно (около 0, 3 или 0, 32).
Только при больших силовых установках (P> 2, 5-3 кВт) q = 2, когда используются хордовые катушки, чтобы уменьшить магнитодвижущую силу (ммф) гармоники первого порядка (пятый и седьмой), коэффициенты распределения и изменения для γ й гармоники, K dγ, K yγ, являются следующими:
При q = 1, считая катушки для y / τ = 2/3, как единственную возможность, фундаментальная (или мощность) mmf выглядит следующим образом:
Вот почему chording обычно не используется для q = 1, хотя длина концевых оборотов катушки будет заметно уменьшена, а также потери обмотки статора. Количество полюсов, как правило, 2p 1 = 12, как компромисс между уменьшением размера и увеличением потерь в сердечнике железа. Кроме того, 2p 1 = 14, 16, 18 используются для больших блоков питания (для автобусов, грузовиков и т. Д.).
Рисунок 3 - (a) 36-слотовая 12-полюсная обмотка (половина ее показана) и (b) распределение магнитодвижущей силы статора (мм) для трех и двух проводящих фаз
Для полноты включим здесь типичные трехфазные, N s = 36 слотов, 2p 1 = 12 полюсов обмотки (рис. 3а и рис. 3b). В слотах отображается только одна фаза. Распределение mmf для синусоидальных токов для:
i a1 = i max = - 2i b1 = - 2i c1 и для i a1 = 0, i b1 = i c1 = - i max √3 / 2.
Распределение mmf изменяется между крайними фигурами на рисунке 3a. При диодном выпрямителе волновая форма фазных токов статора изменяется от квазипрямоугольного (прерывистого) на холостом обороте двигателя до квазисинусоидальной (непрерывной) формы волны на более высоких скоростях (рис. 4).
Для восьмидиалогового моста существование нулевого тока приводит к третьей гармонике в фазных токах. Таким образом, даже без учета магнитного насыщения гармоники пространственных гармоник и гармоники фазного тока создают определенные проблемы для работы машины Лунделла, которая в противном случае является синхронной машиной с синхронным ротором.
Типичные формы фазового напряжения и тока при 1500 и 6000 об / мин показаны на рис. 5а и рис. 5b с выпрямителем и резистивной нагрузкой (без батареи).
Поскольку скорость заметно возрастает, в фазовом напряжении появляются третьи гармоники. Кроме того, сдвиг фаз между основным напряжением и током увеличивается с примерно 1 ° при 1500 об / мин до 9 ° при 6000 об / мин. Это последнее фазовое отставание категорически связано с коммутацией диодов - три диода работают одновременно на высоких скоростях - в подтверждение индуктивности коммутации машины.
Рисунок 4 - Идеальные формы токов генератора (звездообразное соединение)
Третья гармоника фазового напряжения под нагрузкой связана с распределением плотности потока в воздушном зазоре. Это, в свою очередь, связано с магнитным насыщением в подтверждение с q = 1 диаметральной обмоткой и щелевыми отверстиями.
Трапециевидная форма когтей (рис. 6) соответствует виду двойного перекоса и, таким образом, приводит к некоторому уменьшению плотности потока и гармоник радиальной силы. Шум также снижается, а также осевая сила.
Чтобы дополнительно уменьшить шум, лапы имеют фаску (рис. 6). Фаска также уменьшает утечку поля возбуждения между соседними полюсами.
При τ шаг полюса, то же самое в статоре и роторе, диапазон захвата полюса в середине стека статора, α c τ, является основной конструктивной переменной для когтей. Дополнительные геометрические переменные (рис. 6) φ c, W 1, W 2, d c и W c.
В общем случае угол полюса α c = 0, 45-0, 6 и угол захвата φ c = 10-20 °. Более низкие значения α c и φ c в вышеперечисленных интервалах имеют тенденцию создавать более высокую выходную мощность при работе выпрямителя и батареи.
Принимая во внимание вышеприведенные особенности генератора Ланделла, мы можем сделать 4 замечания //
Примечание № 1
Обработка аналитических постоянных параметров с учетом только основного фазного напряжения и тока должна использоваться только с особой осторожностью, поскольку она подвержена большим ошибкам из-за магнитного насыщения на низких скоростях и из-за плотности потока реакции якоря, вызванной искажением при высоких скорости.
Рисунок 5 - Фазные напряжения и ток с диодным выпрямителем и резистивной нагрузкой и одинаковым полевым током: (a) 1500 об / мин и (b) 6000 об / мин
Рисунок 6 - Зажим ротора с фаской
Замечание №2
В том числе магнитное насыщение только эквивалентными коэффициентами насыщения, относящимися к распределению фундаментального потока, может не давать практически достаточных значений третьей гармоники на высоких скоростях (на рисунке 5b: V = 9, 71 В и V = 7, 21 В при 6000 об / мин).
Примечание № 3
Для восьми диодного выпрямителя возникает третья гармоника фазового напряжения в фазовом токе. Нулевой ток в три раза превышает гармонический ток третьей фазы.
Примечание № 4
В этом случае применение принципиальной схемы приводит к более реалистичным результатам, но, тем не менее, ток третьей гармоники должен рассчитываться отдельно, а его потери включаются при определении эффективности.
Следовательно, для корректного описания характеристик генератора Лунделла в широком диапазоне скоростей и нагрузок требуется нелинейная итерационная схема. И наоборот, можно использовать модель нелинейного поля.
Трехмерное моделирование методом конечных элементов (FEM) или магнитно-эквивалентной схемы (MEC) было применено для превосходного воспроизведения характеристик генератора Ландделла - устойчивого состояния и переходных процессов. Однако для подхода MEC требуется, по меньшей мере, два порядка (в 100 раз) меньше компьютерного времени.
Ссылки // Руководство по электрогенераторам - ПЕРЕМЕННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ СКОРОСТИ ION BOLDEA Polytechnical Institute Timisoara, Румыния