การประยุกต์ใช้พลังงานอิเล็กทรอนิกส์กับการผลิตไฟฟ้าในยานยนต์

ความก้าวหน้าของระบบไฟฟ้าในยานยนต์ทำให้เกิดความสนใจในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ทำให้งานแสดงสินค้าอยู่ในระดับที่ไม่ธรรมดา คุณสมบัติที่สำคัญของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับในอนาคต ได้แก่ กำลังไฟและความหนาของการควบคุมที่สูงขึ้นการทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้นและการตอบสนองชั่วคราวที่ดีขึ้น การประยุกต์ใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังกับการผลิตไฟฟ้าในยานยนต์เป็นเทคนิคการจับคู่โหลดแบบใหม่ที่นำเสนอวงจรเรียงกระแสแบบสลับโหมดอย่างง่ายเพื่อให้ได้กำลังไฟฟ้าสูงสุดและเฉลี่ยที่เพิ่มขึ้นอย่างมากจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ Lundell ทั่วไปนอกเหนือจากความไม่มีประสิทธิภาพในการอัพเกรด ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์กำลังของยานพาหนะควบคู่ไปกับระบบการจัดการและควบคุมพลังงานโดยรวมทำให้เกิดความท้าทายใหม่สำหรับการออกแบบระบบไฟฟ้า ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์กำลังเหล่านี้ ได้แก่ อุปกรณ์จัดเก็บพลังงานตัวแปลง DC / DC อินเวอร์เตอร์ และไดรฟ์ ยานยนต์ Power Electronics ได้พบในแอพพลิเคชั่นมากมาย บางส่วนมีการกล่าวถึงด้านล่าง

• วงจรขับโซลินอยด์ของหัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง
• วงจรขับคอยล์จุดระเบิด IGBT
• ระบบพวงมาลัยเพาเวอร์ไฟฟ้า
• กำลังไฟ 42V
• รถไฟขับเคลื่อนไฟฟ้า / ไฮบริด

Lundell Alternator:

Lundell เรียกอีกอย่างว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ Cla-Pole เป็นเครื่องซิงโครนัสแบบแผลซึ่งโรเตอร์ประกอบด้วยชิ้นส่วนขั้วที่ประทับตราคู่หนึ่งซึ่งยึดรอบสนามทรงกระบอกที่คดเคี้ยว Lundell alternator เป็นอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าที่ใช้กันมากที่สุดในรถยนต์ เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำหรับยานยนต์เชิงพาณิชย์ที่ใช้กันมากที่สุด นอกจากนี้ความสามารถในการควบคุมของวงจรเรียงกระแสสะพานในตัวและตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่มาพร้อมกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับนี้ เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัสสามเฟสแบบแผลที่มีวงจรเรียงกระแสไดโอดสามเฟสภายในและตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า โรเตอร์ประกอบด้วยชิ้นส่วนเสาที่ประทับตราคู่หนึ่งซึ่งยึดรอบสนามทรงกระบอกที่คดเคี้ยว อย่างไรก็ตามประสิทธิภาพและกำลังขับของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ Lundell มี จำกัด นี่เป็นข้อเสียเปรียบที่สำคัญสำหรับการใช้งานในยานยนต์สมัยใหม่ที่ต้องใช้พลังงานไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ขดลวดสนามถูกขับเคลื่อนโดยตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าผ่านวงแหวนสลิปและแปรงถ่าน กระแสสนามมีขนาดเล็กกว่ากระแสเอาต์พุตของอัลเทอร์เนเตอร์มาก แหวนสลิปกระแสต่ำและค่อนข้างเรียบช่วยให้มั่นใจได้ถึงความน่าเชื่อถือและอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่าที่ได้จากเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงที่มีตัวสับเปลี่ยนและกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นจะถูกส่งผ่านแปรง สเตเตอร์คือการกำหนดค่า 3 เฟสและโดยทั่วไปจะใช้วงจรเรียงกระแสไดโอดบริดจ์แบบเต็มที่เอาต์พุตของเครื่องเพื่อแก้ไขเครื่องกำเนิดแรงดันไฟฟ้า 3 เฟสจากเครื่องอัลเทอร์เนเตอร์

รูปที่แสดงด้านบนเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ Lundell (วงจรเรียงกระแสสลับโหมด) แบบธรรมดา กระแสฟิลด์ของเครื่องถูกกำหนดโดยกระแสฟิลด์ของตัวควบคุมซึ่งใช้ a ความกว้างของพัลส์ แรงดันไฟฟ้ามอดูเลตทั่วสนามที่คดเคี้ยว กระแสสนามเฉลี่ยถูกกำหนดโดยความต้านทานของขดลวดสนามและแรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยที่ใช้โดยตัวควบคุม การเปลี่ยนแปลงของกระแสสนามเกิดขึ้นพร้อมกับค่าคงที่เวลาคดเคี้ยวของฟิลด์ L / R ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นไปตามลำดับ ค่าคงที่เป็นเวลานานนี้ครอบงำประสิทธิภาพชั่วคราวของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ กระดองได้รับการออกแบบด้วยชุดแรงดันไฟฟ้าย้อนกลับไซน์ 3 เฟสเช่น Vsa, Vsb, Vsc และ Ls ตัวเหนี่ยวนำการรั่วไหล ความถี่ไฟฟ้าωเป็นสัดส่วนกับความเร็วเชิงกลωmและจำนวนเสาเครื่อง ขนาดของแรงดันไฟฟ้าย้อนกลับเป็นสัดส่วนกับทั้งความถี่และกระแสสนาม

V = คีย์

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ Lundell มีปฏิกิริยาการรั่วไหลของสเตเตอร์ขนาดใหญ่ เพื่อเอาชนะการลดลงของปฏิกิริยาที่กระแสสลับสูงจำเป็นต้องมีขนาดแรงเคลื่อนไฟฟ้าย้อนกลับของเครื่องที่ค่อนข้างใหญ่ การลดภาระอย่างกะทันหันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับจะช่วยลดการลดลงของปฏิกิริยาและส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าด้านหลังส่วนใหญ่ปรากฏที่เอาต์พุตของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับก่อนที่กระแสไฟฟ้าในสนามจะลดลง ผลลัพธ์ชั่วคราวจะเกิดขึ้น การปราบปรามชั่วคราวนี้สามารถรับได้อย่างง่ายดายด้วยระบบอัลเทอร์เนเตอร์ใหม่ผ่านการควบคุมที่เหมาะสมของวงจรเรียงกระแสสลับโหมด

สะพานไดโอดแก้ไขเอาท์พุทของเครื่อง ac เป็นแหล่งจ่ายแรงดันคงที่ Vo แสดงแบตเตอรี่และโหลดที่เกี่ยวข้อง แบบจำลองที่เรียบง่ายนี้รวบรวมลักษณะสำคัญหลายประการของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ Lundell ในขณะที่ยังคงเชื่อมต่อได้อย่างเป็นระบบ การประยุกต์ใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังแบบสลับโหมดพร้อมเกราะที่ออกแบบใหม่สามารถให้การปรับปรุงด้านพลังงานและประสิทธิภาพได้หลากหลาย เราสามารถแทนที่ไดโอดเหล่านี้ด้วย MOSFET เพื่อประสิทธิภาพที่ดีขึ้น นอกจากนี้ MOSFET ยังต้องการตัวขับเกตและไดรเวอร์เกตต้องใช้อุปกรณ์จ่ายไฟรวมถึงอุปกรณ์จ่ายไฟแบบเลื่อนระดับ ดังนั้นค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนสะพานที่ใช้งานเต็มรูปแบบสำหรับสะพานไดโอดจึงมีมาก

ในระบบนี้เรายังสามารถเพิ่มสวิตช์เพิ่มซึ่งอาจเป็น MOSFET ตามด้วย Diode Bridge เป็นสวิตช์ควบคุม สวิตช์นี้เปิดและปิดที่ความถี่สูงในการมอดูเลตความกว้างพัลส์ ในความหมายโดยเฉลี่ยชุดสวิตช์เพิ่มกำลังทำหน้าที่เป็นหม้อแปลงไฟฟ้ากระแสตรงที่มีอัตราส่วนรอบการหมุนที่ควบคุมโดยอัตราส่วนหน้าที่ PWM สมมติว่ากระแสผ่านวงจรเรียงกระแสค่อนข้างคงที่ตลอดวงจร PWM โดยการควบคุมอัตราส่วนหน้าที่ d เราสามารถเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยที่เอาต์พุตของสะพานให้เป็นค่าใดก็ได้ที่ต่ำกว่าแรงดันขาออกของระบบอัลเทอร์เนเตอร์

การใช้วงจรเรียงกระแสที่ควบคุมด้วย PWM แทนวงจรเรียงกระแสไดโอดช่วยให้ได้รับประโยชน์หลัก ๆ ดังต่อไปนี้เช่นการส่งเสริมการทำงานเพื่อเพิ่มกำลังขับที่ความเร็วต่ำและการแก้ไขตัวประกอบกำลังในเครื่องเพื่อเพิ่มกำลังขับสูงสุด

เมื่อโหลดไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเนื่องจากกระแสไฟฟ้าถูกดึงออกมาจากอัลเทอร์เนเตอร์มากขึ้นแรงดันไฟฟ้าขาออกจะลดลงซึ่งจะถูกตรวจพบโดยตัวควบคุมซึ่งจะเพิ่มรอบการทำงานเพื่อเพิ่มกระแสของสนามและด้วยเหตุนี้แรงดันเอาต์พุตจึงเพิ่มขึ้น ในทำนองเดียวกันหากมีการลดลงของภาระไฟฟ้ารอบการทำงานจะลดลงเพื่อให้แรงดันไฟฟ้าขาออกลดลง PWM full-bridge rectifier (PFBR) สามารถใช้เพื่อเพิ่มกำลังขับสูงสุดด้วยการควบคุม PWM แบบไซน์ PFBR เป็นโซลูชันที่ค่อนข้างแพงและซับซ้อน มันนับสวิทช์ที่ใช้งานอยู่หลายตัวและต้องใช้การตรวจจับตำแหน่งโรเตอร์หรืออัลกอริทึมที่ไม่รู้สึกตัวที่ซับซ้อน

อย่างไรก็ตามเช่นเดียวกับวงจรเรียงกระแสแบบซิงโครนัสจะมีการควบคุมการไหลของพลังงานแบบสองทิศทาง หากไม่จำเป็นต้องใช้การไหลของพลังงานแบบสองทิศทางเราสามารถใช้วงจรเรียงกระแส PWM อื่น ๆ ได้เช่นเดียวกับโครงสร้าง BSBR เฟสเดียวสามแบบ มีสวิตช์ที่ใช้งานน้อยกว่าสองเท่าและทั้งหมดถูกอ้างอิงถึงพื้นดิน สวิตช์ที่ใช้งานอยู่สามารถลดลงเหลือเพียงสวิตช์เดียวโดยใช้ Boost Switched-ModeRectifier (BSMR) ด้วยโทโพโลยีนี้ไม่จำเป็นต้องใช้เซ็นเซอร์ตำแหน่งโรเตอร์ แต่ไม่สามารถควบคุมมุมกำลังได้