Инверторы DC/AC, ИБП (UPS) - чистый синус. Преобразователи напряжения DC/DC.
Продажа схем, комплектов КД, помощь в организации производства.
Инновационная компания A-electronica.ru Инвертор 12/24/220 с чистой синусоидой 
( inverter DC/AC, true sine wave)

Исследования Разработка Производство

Инновационная компания "A-electronica.ru"
Россия, info@a-electronica.ru , т.89138915104
Наша продукция - hi-tech силовая электроника собственной разработки серийно производимая на предприятиях г.Новосибирска
Главная О компании Каталог Прайс Интернет-магазин Почта Технологии Партнёры Наши статьи F.A.Q.

Системы вторичного электропитания мотоциклов на основе генераторов с постоянным возбуждением (ЦНС ТЕХПО от 24.08.05)

г. Новосибирск
24 августа 2005 года
Инновационная компания "A-electronica.ru"

( При копировании любой части нашего первоисточника ссылка на сайт www.a-electronica.ru обязательна! )

Системы вторичного электропитания на основе генераторов с постоянным возбуждением.


1.        Характеристики генераторов.
2.        Методы преобразования энергии.
3.        Качество функционирования .
4.        Системы защиты.


1.        Характеристики генераторов.

Генераторы с возбуждением от постоянных магнитов широко используются на мотоциклах. Если рассматривать мировой рынок с начала 90-х и по сегодняшний день, более 80% мотоциклов имеют подобную конструкцию генератора. Данный факт обусловлен очень простым устройством самого генератора относительно других типов.


Рис. 1. Устройство генератора.

Генератор (Рис. 1.) состоит из ротора, который является вращающейся частью системы и неподвижного статора. На роторе закреплены постоянные магниты, которые создают при вращении переменное магнитное поле в зазоре. Статор имеет множество полюсов с обмотками, в которых по закону магнитной индукции наводится ток. Обмотки обычно соединяются по трехфазной схеме. Генератор не имеет вращающихся обмоток, в этом и заключается простота конструкции.
Обратной стороной такой простоты является сложность получения стабильного напряжения от такого генератора в условиях изменяющейся нагрузки и оборотов двигателя. А для питания бортовой сети мотоцикла необходимо именно стабильное напряжение. Для получения стабильного напряжения между генератором и бортовой сетью устанавливают электронные преобразователи напряжения, называемые по устоявшейся терминологии выпрямителями-регуляторами. Для понимания принципа работы этих устройств необходимо составить электрическую модель генератора.


Рис. 2. Эквивалентная схема генератора.

В первом приближении генератор можно представить в качестве источника синусоидального тока с зависящими от внешних условий параметрами. Согласно эквивалентной схеме генератора (рис. 2.) такими параметрами являются ЭДС генератора Ег и его внутреннее сопротивление Rв. А внешними параметрами являются обороты двигателя и переменное сопротивление нагрузки Rн. Исходя из закона электромагнитной индукции ЭДС генератора будет пропорциональна оборотам двигателя. На мотоциклах коэффициент пропорциональности составляет около 20 вольт на тысячу оборотов. Поэтому ЭДС может меняться от 20В на холостом ходу до более 200В на максимальных оборотах двигателя.
Внутреннее сопротивление генератора имеет две составляющие. Одна из них- это омическое сопротивление Rг обмоток генератора. Его величина составляет около 0.5 ома. Другая составляющая сопротивления имеет электромагнитную природу и связана с тем, что протекающий в обмотках генератора ток создает магнитный поток, направленный противоположно потоку ротора и уменьшающий результирующую величину индукции поля в обмотках. В результате этого ЭДС генератора снижается и этот эффект можно представить в виде дополнительного сопротивления Rм, на котором падает часть теоретической Э.Д.С. генератора. Величина этого сопротивления зависит от ЭДС генератора, а значит и от оборотов двигателя.
Возможность получать электрическую мощность от генератора определяется видом зависимости напряжения генератора Vг от тока Iг. Такая зависимость (вольт -амперная характеристика) представлена на рис. 3.


Рис .3. ВАХ генератора.

Прямая 1 отражает идеализированную зависимость между током и напряжением генератора без учета активного сопротивления обмоток Rг. Ток КЗ в данном случае определяется только электромагнитными параметрами генератора и является константой Iкзмах для выбранного конструктива генератора. При изменении оборотов на графике меняется лишь ордината Ег согласно вышеописанной зависимости. Прямая 3 отражает зависимость напряжения потерь на активном сопротивлении обмоток генератора от тока.
Вид этой зависимости определяется сопротивлением Rг. ВАХ реального генератора будет определяться разницей между прямыми 1и 3 и отражать зависимость напряжения на нагрузке от тока. Эта зависимость представлена прямой 2. Из графика следует, что величина тока КЗ уменьшилась относительно идеализированного варианта. Физический смысл этого уменьшения состоит в том, что в случае КЗ к сопротивлению генератора Rм (которое является константой для заданной частоты вращения) прикладывается не вся ЭДС генератора, как в идеализированном случае, а лишь ее часть, поэтому по закону Ома ток КЗ и уменьшается. Таким образом, реальная ВАХ генератора проходит через 2 точки, положение которых зависит от частоты вращения генератора. Семейство ВАХ для различных частот вращения приведено на рис.4.


Рис.4. Семейство ВАХ для различных частот вращения генератора.

Зависимость тока КЗ от частоты вращения генератора для типовых параметров Rг= 0.5Ом, Iкз=15А, Ег=20В при 1000об/мин приведена на рис. 5.


Рис.5. Типовая зависимость тока КЗ от частоты вращения генератора.

По данной зависимости можно заметить, что ток КЗ слабо зависит от оборотов двигателя в рабочем диапазоне оборотов (изменение от 10.9А до 14.5А при изменении оборотов от 1000 (холостой ход) до 10000 (максимальные)).
Как известно, мощность, которую генератор может отдать в нагрузку, зависит от сопротивления Rн, и максимум этой мощности достигается при согласовании , т.е. в данном случае- равенстве сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления генератора. Так как внутреннее сопротивление генератора, а точнее его часть Rм, зависит от оборотов двигателя, поэтому входное сопротивление выпрямителя-регулятора, который и является нагрузкой для генератора, для получения наибольшей мощности должно также изменяться в зависимости от оборотов. Те выпрямители-регуляторы, которые устанавливаются на мотоциклы, не способны изменять свое входное сопротивление, поэтому генераторы мотоциклов отдают лишь часть возможной мощности. На рис. 6. приведена расчетная зависимость мощности типового генератора с заданными ранее параметрами от оборотов двигателя. Паспортная мощность подобного генератора составляет 250Вт при 5000 об\мин , таким образом на этих оборотах штатный выпрямитель-регулятор снимает менее половины заложенной в конструктив генератора мощности.


Рис. 6. Расчетная зависимость мощности генератора от оборотов двигателя.


2.        Методы преобразования энергии.

Задачей выпрямителя-регулятора является обеспечение постоянства напряжения в бортовой сети в условиях изменяющейся нагрузки и оборотов двигателя. Ток в нагрузке может изменяться от нуля до максимального значения, когда включены все потребители, а обороты двигателя могут изменяться от холостых до максимальных.


Рис.7. Схема включения выпрямителя-регулятора.

Выпрямитель-регулятор подключается между генератором, который обычно имеет 3 фазы, и аккумуляторной батареей (рис. 7.). Аккумуляторная батарея на заведенном мотоцикле в установившемся режиме является буфером, то есть ни заряжается ни разряжается, и постоянный ток от выпрямителя-регулятора идет только на потребители.
Все штатные выпрямители-регуляторы мотоциклов выполнены по принципу регулирования выходного тока с помощью закорачивания обмоток генератора. Блок-схема такой энергосистемы представлена на рис. 8.


Рис. 8. Блок-схема энергосистемы.

Переменное напряжение генератора выпрямляется посредством трехфазного диодного моста VD1-VD6, являющегося составной частью выпрямителя – регулятора. Функцию регулирования выполняют тиристорные ключи S3-S5, замыкающие ток генератора на массу. Когда ключи замкнуты, ток в нагрузку не идет. Управление ключами осуществляется с помощью фазового регулятора, который измеряет напряжение в бортсети. При уменьшении напряжения фазовый угол открывания ключей уменьшается и отдаваемый системой средний ток увеличивается за счет большего времени протекания тока в нагрузку. Система является замкнутой с помощью обратной связи и поэтому напряжение в бортовой сети поддерживается стабильным при условии положительного энергетического баланса, то есть когда у генератора, подключенного по такой схеме выпрямления, есть запас мощности по сравнению с мощностью нагрузки.
Ток, отдаваемый выпрямителем – регулятором, имеет импульсный характер, а напряжение в бортсети поддерживается постоянным за счет низкого внутреннего сопротивления аккумулятора, через который и протекают переменные токи, т.е. аккумулятор выполняет роль накопителя. Таким образом, аккумулятор является важной частью энергосистемы и обеспечивает ее правильное функционирование. Без аккумулятора при резистивном характере нагрузки форма напряжения в бортсети имела бы форму прямоугольных импульсов большой амплитуды, что недопустимо.
Оценить качество работы данной схемы выпрямителя- регулятора можно сравнив максимальную выходную мощность такой системы с теоретически возможной выходной мощностью генератора при одинаковых оборотах двигателя. Выходная мощность системы будет ниже теоретически возможной мощности генератора за счет рассогласования внутреннего сопротивления генератора и сопротивления нагрузки. Мощность системы будет максимальна при нулевом фазовом угле открытия управляющих ключей, т.е. выпрямитель-регулятор в данном случае будет представлять собой трехфазный выпрямитель. Выходная мощность определяется по формуле P=U*I, где U- напряжение бортсети, которое составляет около 14В, а I- это ток заряда. Исходя из схемы, напряжение на генераторе в этот момент Uг=Uб+2*Uд, где Uб- напряжение бортсети, а Uд- падение напряжения на диодах. Напряжение Uд зависит от качества примененных элементов и в случае применения кремниевых диодов( диоды с самыми большими потерями) составляет около 0.7В, т.е. суммарное падение напряжения на диодах на порядок меньше напряжения бортсети, поэтому в первом приближении его можно не учитывать. Генератор и нагрузка соединены последовательно, поэтому ток заряда I равен току генератора при данном напряжении генератора Uг. Исходя из вышеприведенной ВАХ генератора можно построить график зависимости выходной мощности системы от оборотов двигателя и сравнить его с графиком для максимальной мощности генератора (рис.9).


Рис. 9. Сравнительный график теоретической максимальной мощности генератора и выходной мощности выпрямителя-регулятора.

Из графика следует что возможности генератора данная структура выпрямителя-регулятора использует лишь в небольшой мере. Так, на максимальных оборотах двигателя используется лишь четверть мощности генератора. А при оборотах меньше 700 заряд вообще не идет, хотя теоретически генератор может отдавать мощность. Такие большие потери связаны с несогласованностью сопротивлений генератора и нагрузки в этих режимах.
Однако в диапазоне оборотов 1000-2000 передача мощности идет достаточно успешно, так как генератор и нагрузка согласованы именно в этом диапазоне оборотов. Важно отметить, что большие потенциально доступные мощности генератора при больших оборотах двигателя практически оказываются невостребованными, так как нагрузки в бортсети не меняются от оборотов. Важен лишь постоянный ток зарядки, доступный на рабочих оборотах двигателя, поэтому потеря части мощности на высоких оборотах не критична. Также работа генератора при оборотах ниже 1000 представляет слабый интерес, поскольку это не рабочий диапазон оборотов двигателя. Поэтому можно сказать, что данный тип выпрямителя-регулятора выполняет свою функцию удовлетворительно. Так как мотоциклы разрабатываются как готовые изделия, параметры генераторов, выпрямителей - регуляторов и нагрузок в бортсети согласованы друг с другом и показатели качества работы энергосистемы для конечного пользователя весьма высоки. Данный тип выпрямителей – регуляторов имеет следующие достоинства и недостатки:
«+»
1)        Простота, и малогабаритность. В выпрямителе–регуляторе отсутствуют элементы, накапливающие электрическую энергию(конденсаторы и индуктивности).

«-»
1)        Высокий уровень переменной составляющей тока через аккумулятор. Из-за этого часть мощности генератора выделяется в виде тепла на аккумуляторе, уменьшая полезную мощность и ресурс аккумулятора.
2)        Неполное использование энергетического потенциала генератора.
3)        Большие токи через обмотки генератора на всех режимах. Это увеличивает требования к конструктиву генератора.

Для того, чтобы исправить недостатки вышеописанных систем были разработаны и другие системы преобразования энергии генератора. Они основаны на импульсных методах преобразования электрической энергии и их схемотехнические решения весьма разнообразны. . Блок-схема такой энергосистемы представлена на рис. 10.


Рис. 10. Блок-схема энергосистемы.

Напряжение генератора выпрямляется диодным мостом VD1-VD6. Далее это напряжение силовой шины преобразуется в напряжение бортсети с помощью силового импульсного преобразователя. Такой преобразователь запасает часть энергии входного напряжения в индуктивном накопителе и потом передает ее на выход. При этом входное и выходное напряжения могут значительно отличаться. Преобразователь позволяет регулировать выходную мощность широтно -импульсными средствами в диапазоне от нуля до максимума. Мгновенную мощность для преобразователя задает блок управления. Это устройство руководствуется информацией с датчиков входного и выходного напряжения. Так как регулируется мощность, поэтому значит что регулируется и ток, и входное сопротивление. Поэтому есть возможность согласовывать входное сопротивление преобразователя с внутренним сопротивлением генератора при любых оборотах двигателя. А значит такая система способна использовать по максимуму энергетические возможности генератора при правильно реализованных алгоритмах управления.
Блок управления реализует алгоритмы, различные в разном диапазоне времен относительно периода вращения двигателя. Так, за один период ток импульсного преобразователя задается пропорциональным входному напряжению для того, чтобы нагрузка генератора была чисто активной. А средний ток за большое число периодов рассчитывается по особому закону управления для поддержания выходного напряжения. Когда же выходное напряжение снижается из-за перегрузки среднее значение тока устанавливается на уровне, отвечающем условию согласования нагрузки и генератора при данных оборотах двигателя. Так как общий алгоритм получается довольно сложным, реализация блока управления предпочтительна с помощью цифровых вычислительных средств, например микроконтроллера.
Так как данный вид выпрямителей-регуляторов значительно сложнее рассмотренных ранее классических систем, его применение оправдано в случае, когда требуется получить больше мощности от уже существующего генератора в диапазоне высоких и совсем низких оборотов. Данный тип выпрямителей – регуляторов имеет следующие достоинства и недостатки:
«+»
1)        Полное использование потенциала генератора.
2)        Возможность получения постоянного тока без переменной составляющей для зарядки генератора.
3)        Токи через обмотки генератора пропорциональны нагрузке.
«-»
1)        В выпрямителе - регуляторе используются элементы, накапливающие электрическую энергию, поэтому его габариты не могут быть сделаны относительно малыми.
2)        Сложность управляющей части и силового преобразователя.


3.        Качество функционирования.

Выпрямители- регуляторы классического типа появились на мотоциклах в начале 80-х.
Соответственно они использовали имеющуюся на данный момент элементную базу. Были выработаны некоторые устоявшиеся схемные решения, обеспечивающие приемлемое качество функционирования. В настоящее время электроника ушла далеко вперед, однако конструкция выпрямителей- регуляторов не изменилась потому что использованная технология за 20 лет получилась весьма отработанной и дешевой.
Однако использованная элементная база накладывает некоторые ограничения на применение штатных выпрямителей-регуляторов. Основные критичные места –это тепловыделение и невысокое динамическое качество регулирования, а также недостаточное количество степеней защиты. Системам защиты посвящена следующая глава, а в данной части статьи рассмотрены вышеназванные проблемы.
Корпуса классических выпрямителей-регуляторов часто выполняются с радиаторами охлаждения и устанавливаются на теплоотвод, и при этом работают с достаточно большой температурой корпуса, достигающей 100°с. Важно отметить что рассеивание тепла является паразитным процессом, так как принцип действия устройств – ключевой, не предполагающий тепловыделения на идеализированных элементах. Но в реальных конструкциях тепловыделение происходит, поскольку реальные характеристики элементов отличаются от идеализированных. Поэтому применяя более совершенные полупроводники, можно добиться значительно меньшего тепловыделения, что облегчает многие эксплуатационные вопросы. Можно подсчитать тепловые потери в классической системе и принять, что если их уменьшить в 3 раза, то можно считать что выпрямитель – регулятор почти не греется. Если с помощью современных полупроводников можно решить этот вопрос, то их применение оказывается весьма оправданным.
Рассмотрим источники потерь в классической схеме выпрямителя- регулятора. Так как устройство работает в ключевом режиме, можно отдельно рассмотреть каждую фазу работы и рассчитать общее тепловыделение, пропорциональное длительности каждой из фаз. Так, если ключи S3-S5 (рис.8.) разомкнуты, схема представляет собой трехфазный мостовой выпрямитель. Потери на диодах выпрямителя происходят в открытом и закрытом их состояниях, однако при имеющемся напряжении бортсети можно сказать, что потери в на диодах в закрытом состоянии несущественны. Потери же в открытом состоянии зависят от материала полупроводника. В штатных выпрямителях – регуляторах применяются кремниевые диоды и потери на них в открытом состоянии определяются падением напряжения, которое составляют около 0.8В. Соответственно для рассмотренного ранее примера с генератором общие потери в мосту составят около 4*15А*0.8В=48Вт. Это довольно значительная мощность, сопоставимая с мощностью электрической лампочки накаливания. Эту мощность можно уменьшить, если применить более современные методы выпрямления. Так, в настоящее время существуют более эффективные виды диодов, например диоды с барьером Шоттки. Падение напряжения на них составляет около 0.3В (при допустимом обратном напряжении 20В). Поэтому общие потери в мосту составят 18Вт, что существенно меньше, чем в штатной реализации. Однако это еще не предел, так как сейчас распространены технологии, основанные на так называемом «активном» выпрямлении, где диод заменяется ключом на основе полевого транзистора. При этом потери определяются сопротивлением канала транзистора в проводящем состоянии. Для оценки потерь можно взять сопротивление канала 4мОм, что далеко не предел для современной техники, при этом потери составят 4*15А^2*0.004=3.6Вт, что в 13 раз меньше, чем в штатной реализации. То есть можно сказать, что потери при выпрямлении могут быть снижены до любого уровня, все определяется лишь сложностью схемы, однако отличный результат дает уже применение диодов Шоттки, а при этом схема не изменяется.
При замкнутых же ключах S3-S5 ток в остальную часть схемы не идет, поэтому потери происходят только на ключах. В штатной реализации ключи выполнены на основе тиристоров и падение напряжения на них составляет около 1.5В. Поэтому общие потери будут еще больше, чем в фазе выпрямления, и составят около 69Вт (с учетом открытия диодов при обратной полярности). В качестве современной альтернативы тиристорам можно применить полевые транзисторы. Если взять данные из предыдущего примера, а они вполне правомерны, т.к. ток не изменялся, то можно заметить, что тепловыделение сократится в 19 раз. При этом усложнения схемы не происходит, меняются только ключи.
Общее тепловыделение зависит от распределения фаз работы на период, а значит и от нагрузки бортсети мотоцикла. Так, когда мощность потребителей минимальна, фаза открытых ключей занимает большую часть периода, а когда мощность потребителей увеличивается, увеличивается и фаза закрытого состояния ключей. Но в целом можно сказать, что в штатной реализации выпрямителя-регулятора тепловыделение не сильно зависит от нагрузки и соханяется на относительно высоком уровне. То же самое можно сказать и о зависимости тепловыделения от оборотов двигателя потому что ток слабо зависит от оборотов.
Динамика работы штатной схемы вызывает нарекания. Так как используется фазовое управление, то частота переключения определяется оборотами двигателя. Холостые обороты 1000 об/мин соответствуют 17Гц, и пульсация тока зарядки происходит с этой частотой. Пульсация тока вызывает пульсацию напряжения в бортсети, что приводит к пульсации яркости свечения ламп, и эта пульсация заметна именно в силу небольшой частоты. Возможность уменьшить видимое мигание ламп связана с увеличением частоты переключения. Так как тиристоры являются полууправляемыми устройствами, работать на другой чем обороты двигателя частоте они не могут. А полевые транзисторы, предлагаемые выше в качестве ключей, без проблем могут функционировать и на значительно более высоких частотах. Частоту переключения в этом случае можно выбрать фиксированной в районе нескольких килогерц. При этом форма управления изменится с фазовой на широтно-импульсную, то есть будет регулироваться длительность открытого состояния.


4.        Системы защиты.

Системы встроенной защиты являются важной составной частью выпрямителя-регулятора. Их назначение - защита потребителей бортсети от неисправностей. Большинство неисправностей связано с нарушением контакта и неправильностью подключения. Такие неисправности возможны потому что многие соединения сделаны разъемными. Системами защиты являются:
1.        Защита от плохого контакта аккумулятора.
2.        Защита от плохого контакта выпрямителя- регулятора.
3.        Тепловая защита (защита от плохого теплового контакта).
4.        Защита от переполюсовки.

При плохом контакте аккумулятора выпрямитель- регулятор оказывается отсоединен от накопителя. При этом в фазе, когда закрыты ключи, напряжение генератора оказывается подключенным напрямую к потребителям. Такая ситуация может привести к повреждению потребителей. Штатные выпрямители-регуляторы такой защитой не обладают, поэтому были случаи, когда повреждались электронные блоки систем зажигания из-за такой неисправности. Одним из вариантов исполнения системы защиты может быть устройство, ограничивающее выходное напряжение выпрямителя-регулятора на безопасном уровне, например мощный стабилитрон. Для того, чтобы мощность генератора не выделялась на этом стабилитроне длительное время, блок управления должен дополняться алгоритмом, который открывает ключи и прекращает зарядку при возникновении такой неисправности. Датчиком неисправности может служить повышение выходного напряжения выпрямителя- регулятора.
При плохом контакте выхода выпрямителя- регулятора высоким напряжением генератора может быть поврежден сам выпрямитель-регулятор. При такой ситуации напряжение ЭДС генератора, которое составляет до 200В, может прикладываться к диодам выпрямителя и другим элементам схемы выпрямителя-регулятора. Для защиты может быть использована схема из предыдущего варианта.
Тепловая защита служит для предотвращения повреждения выпрямителя-регулятора при чрезмерном повышении температуры корпуса. Механизмом действия защиты может быть перевод выпрямителя-регулятора в режим с минимальным тепловыделением. Так, в штатной системе при перегреве выпрямитель-регулятор переходит в режим выпрямления, при этом выделяемая мощность снижается. Однако в штатной системе качество реализации защиты невысокое, так как и в режиме выпрямления рассеивается слишком большая мощность, которая может перегреть выпрямитель-регулятор, например при нарушении условий охлаждения или теплового контакта. Технически более совершенные варианты выпрямителя-регулятора, рассмотренные в предыдущей главе, значительно более устойчивы к перегреву, так как выделяют меньше мощности. Однако как дополнительная мера, реализация тепловой защиты в данных устройствах может давать значительное увеличение надежности. Например, если в качестве диодов выпрямителя использованы диоды Шоттки, а в качестве ключей- полевые транзисторы, разница в мощности между режимами составляет 3.6Вт против 18Вт, поэтому переход в состояние с открытыми ключами дает практически гарантированную защиту от перегрева.
Защита от переполюсовки служит для предотвращения повреждения оборудования мотоцикла при неправильном подключении аккумулятора. Механизмом работы защиты является сгорание главного предохранителя. При этом ток, вызывающий сгорание предохранителя, идет через диоды выпрямителя и напряжение обратной полярности в бортсети ограничено на уровне прямого падения напряжения на этих диодах. Необходимую диодную структуру для реализации такой защиты имеют все рассмотренные виды выпрямителей-регуляторов.



г. Новосибирск
24 августа 2005 года
Инновационная компания "A-electronica.ru"

( При копировании любой части нашего первоисточника ссылка на сайт www.a-electronica.ru обязательна! )

г. Новосибирск_________2003 - 2011 год
Rambler's Top100