Дальнейшее совершенствование электрических машин, применяемых на автомобилях, будет идти, как показывает анализ, по нескольким направлениям. Одно из них - применение постоянных магнитов высоких энергий (например, сплава "железо-неодим- бор", называемого "Магнаквенч", у которого магнитная энергия выше, чем у обычных магнитов, в 5-10 раз). Второе направление - переход на асинхронные машины. Благодаря этому снимаются проблемы, связанные с работой коллекторно-щеточного узла, а также появляется возможность увеличить частоту вращения якоря электрической машины. Хорошими регулировочными свойствами и токоскоростной характеристикой обладают и асинхронные генераторы с вентильным возбуждением.
Третье направление - это применение асинхронных стартер-генераторов.
1.3.1 Система управления бесконтактного магнитоэлектрического генератора
Магнитоэлектрические генераторы обладают такими достоинствами, которые делают их весьма перспективными для автомобилей. Однако здесь они распространения пока не получили. (В крайнем случае, распространения массового.) Главная причина этого - трудности, связанные с поддержанием постоянства выходного напряжения генератора /3/.
Наконец, в последнее время специалисты все больше склоняются к способу регулирования - с помощью управляемого выпрямителя, устанавливаемого на выходе генератора: такой выпрямитель реагирует на отклонения средней величины выходного напряжения генератора от требуемого уровня.
Данный способ не связан с дополнительными потерями энергии в генераторе малоинерционная система управления выпрямителем исключает выбросы напряжения, связанные с отклонением мощных потребителей тока. То есть система управления решает даже ту проблему, для осуществления которой на генераторах с электромагнитным возбуждением приходилось применять специальные технические средства (динамические стабилизаторы-фильтры). Однако получалась система довольно сложной, с не очень стабильными характеристиками. Чтобы устранить эти недостатки, специалисты кафедры "Автотракторное электрооборудование" МГААТМ /3/ применили тиристорный управляемый выпрямитель с системой управления, реализованной на современной элементной базе. Такой подход позволил свести к минимуму размеры печатной платы устройства и, главное, повысить стабильность характеристик системы управления.
Новый выпрямитель выполнен по трехфазной мостовой схеме, в которую входят три обычных "автомобильных" полупроводниковых диода (в анодной группе) и три малогабаритных силовых тиристора (в катодной группе).
Система управления выпрямителем (см. Рис 14) представляет собой три (по числу силовых тиристоров) идентичных канала. Силовыми тиристорами управляют маломощные тиристоры, которые, в свою очередь, включает и выключает система импульсно-фазового управления (СИФУ).
Управляющий вход СИФУ подключен к измерительному органу девиации выходного напряжения выпрямителя. Измерительный орган выполнен на базе дифференциального усилителя, который сравнивает опорное напряжение параметрического стабилизатора с напряжением на выходе настроечного резистивного делителя. чей вход подсоединен к выходу выпрямителя.
Уровень точности поддержания регулируемого напряжения настраивается изменением величины коэффициента усиления дифференциального усилителя. К синхронизирующему входу каждого канала СИФУ подается линейное входное напряжение выпрямителя, с которым связан силовой тиристор соответствующего канала.
Каждый из каналов СИФУ работает следующим образом: в момент перехода линейного напряжения, вырабатываемого генератором 4, через нулевое значение уровень выходного сигнала формирователя 6 импульсов первого канала управления изменяется. По этому сигналу интегратор 7 формирует пилообразное напряжение, синхронизированное с линейным напряжением на входе выпрямителя 5, и подает его на элемент 8 сравнения. Сюда же подается (через фильтр 1 и дифференциальный усилитель 3) выходное напряжение с выпрямителя 5, элемент 8 сравнивает девиацию выходного напряжения выпрямителя с пилообразным напряжением и в момент равенства данных напряжений формирует сигнал управления тиристором. Этот сигнал через усилитель 9 тока подается на маломощный, тиристор (для работы микросхем применяется стабилизатор 2 напряжения). Сигнал управления силовым тиристором оказывается синхронизированным с соответствующим линейным напряжением на входе выпрямителя и подается с задержкой, определяемой величиной отклонения регулируемого напряжения.
Макетный образец генераторной установки с магнитоэлектрическим генератором и управляемым выпрямителем уже изготовлен. Его испытания показали, что выходное напряжение генераторной установки в требуемых для работы в комплекте с аккумуляторной батареей пределах он поддерживает, причем в широком диапазоне изменения частоты вращения ротора и нагрузки /3/.
1.3.2 Бесконтактный стартер-генератор управляемый микропроцессорной системой
Классические электрические системы автомобилей включают две электрические машины: стартер и генератор. Однако в последние годы функции стартера и генератора предлагается совместить - так, как это давно уже сделано в авиации. Причем наиболее перспективной для такой цели считается частотно-регулируемая асинхронная машина с инвертором напряжения. (Главным образом потому, что в ней нет скользящих контактов, которые, как известно, существенно снижают надежность системы.)
Для оптимального управления приводом необходимо изменять как частоту, так и амплитуду питающего напряжения.Практическая реализация системы, если ее выполнять на дискретных элементах, оказывается делом трудным, а в отдельных случаях - и невозможным.
В режиме стартера машина должна развивать момент, достаточный для пуска ДВС при напряжении аккумуляторной батареи, существенно меньшем номинального. Кроме того, должна быть предусмотрена возможность нескольких пусков от одного заряда батареи. После пуска система управления должна автоматически переводить стартер-генератор в режим генератора, обеспечивать постоянство выходного напряжения независимо от частоты вращения ротора и т. п.
Выход находят применяя бесконтактный стартер-генератор, управляемый микропроцессорной системой /12/,/13/.
Стартер-генератор (Рис 15.) представляет собой стандартную асинхронную машину (AМ) серии 4А с короткозамкнутым ротором, дополненную трехфазным автономным инвертором напряжения/12/.
Выбор серийной машины не случаен: за счет этого упрощается процесс изготовления стартер-генератора.
Автономный транзисторный инвертор напряжения собран, как видно из рисунка, по мостовой схеме. Со стороны переменного тока к нему подключена асинхронная машина, а со стороны постоянного тока - аккумуляторная батарея (АБ) и бортовая сеть автомобиля. Работой силовых транзисторов управляет микропроцессорная система.
Вал асинхронной машины через понижающий редуктор, передаточный коэффициент которого равен 15-16, подключен к ДВС. После пуска двигателя, т. е. когда частота вращения коленчатого вала становится больше частоты вращения вала асинхронной машины, обгонная муфта редуктора автоматически уменьшает коэффициент передачи до 2,0. Асинхронная машина переходит в генераторный режим с частотой вращения, в 2 раза большей частоты вращения коленчатого вала ДВС. На этом режиме инвертор преобразует электрическую мощность трехфазного переменного тока, снимаемую со статарной обмотки асинхронной машины, в мощностью постоянного тока, отдаваемую в бортовую сеть и на заряд аккумуляторной батареи, а также питает статорную обмотку реактивным намагничивающим током заданной частоты.
Когда асинхронная машина работает в генераторном режиме, инвертор также является источником только реактивной мощности, необходимой для создания основного магнитного потока. Причем частота вращения магнитного поля статора определяется частотой переключения транзисторов инвертора. Активная составляющая тока статора машины выпрямляется диодами обратного моста и отдается в бортовую сеть.
Следовательно, у асинхронного генератора клеммы статарной обмотки служат одновременно и клеммами возбуждения, и выходными.
В стартерном режиме инвертор преобразует электрическую мощность постоянного тока, потребляемую от аккумуляторной батареи, в активную мощность трехфазного переменного тока, необходимую для прокрутки ДВС. Закон этого преобразования задается микропроцессорной системой управления. В генераторном режиме заданная величина напряжения бортовой сети также поддерживается автоматически, путем изменения частоты переключения транзисторов инвертора по закону, реализуемому микропроцессорной системой управления.
Американская корпорация "Дженерал моторс" уже разработала асинхронный стартер-генератор и систему управления его инвертором. Данная система определяет положения ключа и замке зажигания; считывает сигналы датчиков частоты вращения вала стартер-генератора и напряжения на инверторе; измеряет и оценивает амплитуду и частоту напряжения, которое необходимо подавать на стартер-генератор по принятому закону; формирует управляющие воздействия на ключи инвертора. При этом частота напряжения определяется из ycловия постоянства абсолютного скольжения (за исключением момента начала "старта" двигателя и перехода асинхронной машины в генераторный режим, когда скольжение изменяется скачком от нуля до заданной величины). Правда, закон регулирования специалисты приняли довольно простой: отношение амплитуды питающего напряжения к его частоте должно оставаться постоянным. Эта простота системы созданная "Дженерал моторс" не позволяет использовать все возможности микропроцессоров. В частности, применяемый в ней для стабилизации выходного напряжения в режиме-генератора пропорциональный, регулятор может стать причиной неустойчивой работы самой системы регулирования. Если же функции приема, обработки информации и выдачи сигналов управления на ключи инвертора разделить между двумя процессорами, система заметно усложнится.