电力电子课程设计

摘要

多块钕铁硼永磁材料由极靴通过非导磁螺钉固定在钕铁硼永磁发电装置转子铁芯上，相邻的钕铁硼永磁材料极性相反，即N极、S极间隔排列，组成钕铁硼永磁转子，当转子转动时，磁场旋转，线圈切割磁力线，产生电动势。研发出三相半控桥式整流稳压器，当钕铁硼永磁发电装置的输出电压低于目标稳压值时，整流稳压器为三相全波桥式整流输出；当钕铁硼永磁发电装置的输出电压高于目标稳压值时，电压信号采样比较电路自动使三相全波整流桥桥臂瞬时断开，降低输出电压；当钕铁硼永磁发电装置的输出电压再低于目标稳压值时，三相全波整流桥再恢复工作，周而复始，整流稳压器通过移相、削渡、整流，使输出电压稳定在一定范围内，解决了车辆用水磁发电装置在宽转速、宽负载范围内输出电压保持稳定的问题以及给蓄电池充电的问题。

关键词：车辆；稀土永磁；发电装置；三相桥式半控整流

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1电子稳压器工作原理

1．1 电子稳压器主电路图及工作原理

电子稳压器主要由电子元件、线路板、压铸铝壳、引线等组成。把焊接好的线路板固定在压铸铝盒内，用不饱和树脂浇注成～ 整体，防尘、防潮、抗振动、抗冲击，以适应不良的环境。电子稳压器电路图如图1-1-1所示。

触发电路 整流电路

R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7——电阻；D1、D2、D3、D4、D5、D6——二极管；D7、T1、D8、D9——整流二极管；Dw1、Dw2——稳压管；C1、C2——电容；T2——三极管；SCR1、

SCR2、SCR3—— 可控硅；JF1、JF2，JF3—— 交流发电机完全相同的三个线圈绕组

图1-1-1 电子稳压器电路图

通过调整R1的阻值，可改变A点的电势，从而设置电子稳压器目标稳压值U0=14 V。

JF1，JF2，JF3为三相永磁交流发电机完全相同的三个线圈绕组，其相位差为

120。按“Y”型接法，尾端接于一点。当发电机低速运转时，主要采用高剩磁感应强度、高矫顽力、高磁能积的钕铁硼永磁材料，对发电机进行优化设计，增加极

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对数，以及增加电枢绕组匝数等保证发电机输出较高电压。

当发电机转速较低时，输出电压Ud也低，小于目标稳压值U0 ，三极管T1的发射极与A点的电压小于稳压管Dw1的击穿电压Uw1，三极管T1处于截止状态。由于稳压管Dw1、电容C2为三极管T2提供正向偏压，三极管T2的发射极与基极之间的电压大于0.7 V，因此三极管导通，集电极电流通过电阻R7、二极管D4、D5、D6分别向可控硅SCR1、SCR2、SCR3的栅极提供触发电流，使可控硅导通，可控硅SCR1、

SCR2、SCR3与整流管D7、D8、D9构成三相桥式整流电路，输出直流电。

随着发电机转速的升高，输出电压Ud也随着升高，三极管T1发射极与A点的电压也升高。当输出电压大于设定的目标稳压值U0时，三极管T1发射极与A点的电压大于稳压管Dw1的击穿电压Uw1，三极管T1由截止状态变为导通状态，发射极与集电极之间的电压为0.2～ 0.3 V，小于三极管T2。发射极与基极之间的门槛电压0.7 V，三极管T2由导通变为截止，不再向可控硅SCR1、SCR2、SCR3的栅极提供触发电流，可控硅延时至无正向电压时截止，三相半控桥式整流电路瞬时断开，形成开路，输出电压Ud下降，三极管T1发射极与A点的电压也下降。当输出电压Ud低于设定的目标稳压值U0时，三极管T1截止，T2导通，可控硅再次导通，整流电路恢复工作。当输出电压Ud再升高，大于设定的目标稳压值U0 时，稳压管Dw1击穿，三极管T1再导通，T2再截止，周而复始，三极管T1、T2反复处于通断状态。通过移相、削波、整流，保证了发电机输出电压稳定的直流电，给车辆的用电设施提供直流电源或给蓄电池充电。

1．2 三相桥式半控整流电路

1．2．1工作原

理

在中等容量的整流装置或不要求可逆的电力拖动中，采用桥式半控整流电路比采用全控电路更简单，更经济。图1-2-1为三相桥式半控整流电路的主电路结构，它由一个三相半波不控整流电路与一个三相半波可控整流电路串联而成，因此这种电路兼有可控与不可控两者的特点。共阳极组的整流二极管总是在自然换相点换流，使电流换到阴极电位更低的一相上去；而共阴极组的三个晶闸管则要触发后才能换到阳极电位更高的一相中去。输出整流电压ud的波形是二组整流电压波形之和，改变可控组的控制角可得到0～2.34U2的可调输出平均电压Ud。

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图1-2-1 三相桥式半控整流电路图及0时的波形图

1．2．2电阻性负

载

当＝0时，即触发脉冲在自然换流点出现，整流电路输出电压最大，其数值为2.34U2，ud波形与三相全控桥＝0时输出的电压波形一样。

图1-2-2 ＝0 电阻性负载的波形图

图1-2-2所示为＝0 时的波形。t1时ug1触发T1导通，电源电压uab通过T1、D6加于负载。t2时，共阳极组二极管自然换流，D2导通，D6关断，电源电压uac通

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过T1、D2加于负载。t3时刻，由于ug3还未出现，T3不能导通，T1维持导通到t4时刻，触发T3导通后使T1承受反向电压而关断，电路转为T3与D2导通。依此类推，负载R上得的是脉动频率为3倍电源频率的脉动直流电压，在一个脉动周期中，它由一个缺角波形和一个完整波形组成。当＝0时，ud波形只剩下三个波头，波形刚好维持连续。因此，可以得出，当   0时

（式1-2-1）

图1-2-3 ＝20 时电阻性负载的波形图

1-2-3所示为＝20 时的波形。T1在uac电压的作用下，t1时刻开始导通，到t2时刻a相电压为零时T1仍不会关断，因为使T1正向导通的不是相电压ua而是线电压uac。到t3时刻uac=0，T1才关断，在t3～t4期间，T3虽受uba正向电压，但门极无触发脉冲，故T3不导通，波形出现断续。到t4时刻，T3才触发导通，一直到uba线电压为零时关断。因此，  0时，ud波形是断续的，由三个间断的线电压波头组成。其平均电压为

（式1-2-2）

1．2．3 电感性负

载

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在电感性负载时三相桥式半控整流电路和单相桥式半控电路具有相似的工作特点：晶闸管在承受正向电压时触发导通，整流管在承受正向电压时自然导通；由于大电感L的作用，工作的线电压过零变负时，晶闸管仍然可能继续导通，形成同相晶闸管与整流管同时导通的自然续流现象，使输出电压ud波形不出现负值部分。电感性负载在   /3和/3    时各处电压电流波形分别如图1-2-4(a)、(b)所示。输出平均电压Ud的计算与电阻负载时一样。

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图1-2-5 随感性负载时的电压与电流输出波形

2 主要参数的确定

2．1 输出功率、转速和稳压范围

该发电机主要为车辆夜间照明、转向指标、电喇叭、刮雨器、暖风机等提供直流电源以及给蓄电池充电，一般车辆的用电总量为480 W 左右，因此设计发电机的输出功率为500 W，转速在2000～4800 r／rain范围内变化时，输出电压值在l2～14.5 V之间。

2．2 主要参数的确定

钕铁硼永磁发电装置结构示意图如图2所示。

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发电机电枢绕组匝数的计算：

根据电磁学原理公式，计算出发电机电枢绕组匝数

E0N (式2-1)

4kBfkw0式中 E0——发电机空载时的电动势；kB——波形系数，当空气隙磁场为正弦分布

pn时，取kB=1.11；f—频率，f；p——极对数，本设计为12极永磁发电机,p6；

60n——转速，r／min；kw——电枢绕组的绕组系数，取kw=0.92。

0 (式2-2)

0式中0——通过定子绕组的有效磁通量，韦伯，其中0——漏磁系数，有极靴星形转子0= 1.2～1.5，本设计取0=1.3；0——空气隙中每极的磁通量。 BSBL （式2-3）

B式中 ——极孤系数，有极靴星形转子的发电机=0.75～0.85，本设计=0.8；

——空载时磁感应强度，B=(O.75～ 0.85)B，B——剩磁感应强度，T。  （式2-4） 2p式中 ——极距，m；D——定子铁芯内径，m；L——空气隙轴向计算长度，m。

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D

永磁体尺寸的确定：

利用短路三角形法可计算出永磁材料的体积

PN0CFkki2 V102m3 (式2-5)

3.54kBfBHki1式中 PN——当发电机的功率因数cos0时的视在功率W，当cos>0时，电枢反应

'cos,PN' 为cos>0的发电对永磁体的去磁作用减小，永磁体体积可缩小，PNPNCF——磁势系数，机的视在功率W；当磁路不饱和时CF= 1.1～1.15，本设计CF=1.1；

sink——纵轴电枢反应折算系数，k；H——短路磁场强度，

4sin2IH(0.60.7)Hc；Hc——磁场强度，kA／m；kin，ki——短路电流倍数，本

IN设计ki=2；In——短路电流，A；IN—— 工作电流，A。

3 其他相关电路设计

1）触发电路：三相半控整流晶闸管触发板（采用移相式触发方式、适用于阻性负载、感性负载、变压器一次侧等各种负载类型）。过流保护：输出电流≥1.8倍额定值时，10ms内截止输出

2）针对电路的保护主要是电力电子器件的保护，包括过电压保护，过电流保护，缓冲电路。可控硅的过流保护采用快速熔断器，过电压保护则由装在输入输出侧的压敏元件和并联在硅元件两端的阻容吸收回路实现。

4 主要技术数据及电路特色

1)钕铁硼永磁发电装置的转速由2000 r／min变化到4800 r／min时，负载功率由480 W 变化到520 W时，其输出电压在12．16～14．33 V之间，稳压性能良好。

2)三相半控桥式整流稳压器，集稳压、整流于一体，解决了车辆用永磁发电装置在宽转速、宽负载范围内输出电压保持稳定的问题。

3)钕铁硼永磁发电装置的转子为永磁转子，无碳刷滑环结构，故障率低，无电励磁绕组，铜材消耗少，发电效率高。

主要技术数据:

输入交流电源：

三相380V10% f=50Hz

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直流输出电压： l2～14.5V

发电装置转速：2000 r／min变化到4800 r／min 负载功：480W—500W

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总结

经过一学期的努力学习，我们迎来了电力电子技术的课程设计。这次课程设计中我们每个人都很努力。从最初的选题、经过研究发现题目的问题找老师解决，到再选题，再设计。再这一系列过程中我学到了很多东西，我自己通过查阅相关资料，然后一步步建立系统中每个环节，然后得到整个系统。这一系列过程中我收获的不仅仅是知识，还有学习的能力。

这次课程设计，我了解到电力电子的每个环节，能够联系实际的问题通过理论的方法解决，让我在分析问题的能力上大大提高。同时也增强了对电力电子的了解。能够更好的理解和解决电力电子问题。

通过一个礼拜的电力电子实践，我深深地感到自己电力电子学的如此的模糊，对于书上的知识只知其一，不知其二。现实和理论存在的差距真的很大，我们只是在实际控制系统中是很难达到我们的要求的。还有一个原因就是我们学以不能致用，书上给的是理论，而我们脑中有的也只局限于书上的东西，但是至于应用方面我们还是不够熟练。耐心和怀疑精神也是我们这个慢动作实验很重要的要求。比如说我们对于老师或是书上给的东西要持批判的精神来研究。我们应该具备开放性思维，从里到外的所有的知识都能了解。何东西都是相通的，只要到达这个境界以后，什么问题一看就能明白，一看就能抓住最核心的问题，最根本的根本，而不会被其他的枝叶或表象所迷惑，做到这一步后才算比较成功。实践出真知！

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参考文献

[1] 黄延允．汽车永磁发电机综述．微特电机，2000．

[2] 史立伟，张学义，耿松亮，等．具有开发前途的车用永磁发电机．农机化研究. [3] 麻友良，丁卫东．汽车电器与电子控制系统[M]．北京机械工业出版社，2003． [4]唐任远．现代永磁电机理论与设计EM3．北京：机械工业出版社，2000． [5]韩加蓬，翟庆志．永磁发电机用永磁材料的选择．山东理工大学学报，2003． [6]中华人民共和国机械行业标准．JB／T8582．6—2OO1．农用运输车发电机．

[7]张学义等.车辆用可控整流稳压式永磁发电装置的研究.维普资讯

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