混合動(dòng)力汽車(chē)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)(三)

◆文/山東 劉春暉 張學(xué)忠 魏東坡

(接2019年第3期)

(3)串聯(lián)式電機(jī)

如圖28所示，串聯(lián)式電機(jī)中的勵(lì)磁線圈和電樞繞組以串聯(lián)的形式連接。必須盡量降低勵(lì)磁線圈的內(nèi)阻。以交流電壓為例，在每一個(gè)半波下勵(lì)磁場(chǎng)和電樞電流的方向都會(huì)改變，因此電機(jī)也可以在交流電壓下使用。為了避免出現(xiàn)渦流，定子的鐵芯必須由一個(gè)疊板制成。串聯(lián)式電機(jī)的轉(zhuǎn)速主要取決于其負(fù)荷的大小(串聯(lián)特性曲線)。

圖28 串聯(lián)式電機(jī)的電路圖

因此僅允許串聯(lián)式電機(jī)使用基本負(fù)荷，否則隨著輸出扭矩的下降其轉(zhuǎn)速將會(huì)大幅升高。沒(méi)有基本負(fù)荷可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步升高，電機(jī)會(huì)因?yàn)檫^(guò)大的離心力而損壞。

串聯(lián)式電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)扭矩較高，缺點(diǎn)是負(fù)荷扭矩主要取決于轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速升高時(shí)負(fù)荷扭矩則會(huì)降低。

(4)并聯(lián)式電機(jī)

如圖29所示，并聯(lián)式電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是“轉(zhuǎn)速恒定性”，即負(fù)荷出現(xiàn)變化時(shí)轉(zhuǎn)速基本保持不變。但它也有一定的局限性，當(dāng)其內(nèi)部電樞電壓發(fā)生變化時(shí)，場(chǎng)激勵(lì)則會(huì)保持不變。場(chǎng)效應(yīng)采用的設(shè)計(jì)可以在發(fā)動(dòng)機(jī)處于靜止時(shí)(電樞電壓為0)使激勵(lì)裝置長(zhǎng)時(shí)間保持接通狀態(tài)。

圖29 并聯(lián)式電機(jī)的電路圖

3.三相電機(jī)

(1)概述

三相電機(jī)是一種電動(dòng)機(jī)械式轉(zhuǎn)換器，可以作為電機(jī)或發(fā)電機(jī)使用。作為電機(jī)使用時(shí)可以通過(guò)三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)，作為發(fā)電機(jī)使用時(shí)則可以產(chǎn)生三相電流。三相電流是一種帶有三個(gè)相位的交流電流(電流的主要導(dǎo)體)，名稱(chēng)源自其產(chǎn)生方式。從圖30可以看出三個(gè)相位在時(shí)軸上都由對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)，因此可以確定各個(gè)位置上的三個(gè)交流電壓之和為零。

圖30 三相交流電壓的曲線

如圖31所示，為了能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，需要三個(gè)針對(duì)其中心軸旋轉(zhuǎn)120°的線圈。通常這三個(gè)線圈被安裝在三相交流電機(jī)的定子上，通過(guò)這三個(gè)線圈提供相位差為120°的交流電壓。線圈以星形電路或三角形電路連接，根據(jù)需要可以選擇使用這兩種電路，重要的是三個(gè)內(nèi)部有電流流動(dòng)的繞組相之間的相位差為120°，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以使三相交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。

圖31 定子的結(jié)構(gòu)

如圖32所示，在星形電路中U2、V2和W2支路在星形交叉點(diǎn)N處相互連接在一起。每個(gè)支路的起始點(diǎn)U1、V1和W1與星形電路的外部導(dǎo)體連接，在三角電路中每個(gè)線圈的支路起始點(diǎn)都與另一個(gè)線圈的支路相連，原則上將所有線圈依次連接，外部導(dǎo)體L1、L2和L3從連接部位與用電器相連。通過(guò)線圈的相互連接在布線時(shí)三個(gè)相位L1、L2和L3僅需三根導(dǎo)線，第二種類(lèi)型的三相交流電機(jī)與采用了三支路三相電流繞組定子基本相同的結(jié)構(gòu)，只是定子結(jié)構(gòu)稍有不同，可通過(guò)定子結(jié)構(gòu)來(lái)區(qū)分同步和異步電機(jī)。

圖32 繞組相的星形和三角形電路

(2)同步電機(jī)

①同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)

同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖33所示，三相電流同步電機(jī)是一種電動(dòng)機(jī)械式轉(zhuǎn)換器，可作為由三相電流驅(qū)動(dòng)的電機(jī)或產(chǎn)生三相電流的發(fā)電機(jī)使用。在發(fā)電站中同步電機(jī)主要作為可以產(chǎn)生電能的發(fā)電機(jī)使用。在車(chē)輛中同步電機(jī)也可作為發(fā)電機(jī)為電子用電器提供電能和為蓄電池充電。如今在中等功率范圍內(nèi)很少使用同步電機(jī)，但是這一現(xiàn)象即將改變，因?yàn)閷?huì)在混合動(dòng)力車(chē)輛上大量使用同步電機(jī)。

圖33 同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)

如圖34所示，通過(guò)永久磁鐵(小型電機(jī))或電磁鐵(大型電機(jī))在同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生磁場(chǎng)。第二種情況需要安裝滑動(dòng)觸點(diǎn)，相對(duì)較小的電流只有通過(guò)該觸點(diǎn)才能流入。與直流電機(jī)不同，同步電機(jī)無(wú)需集電環(huán)。如圖35所示，汽車(chē)上的交流發(fā)電機(jī)屬于同步電機(jī)

同步電機(jī)通常采用內(nèi)極電機(jī)的設(shè)計(jì)。此外還有另外一種型號(hào)的電機(jī)，這種電機(jī)的定子繞組安裝在電機(jī)內(nèi)部，而帶有永久磁鐵的轉(zhuǎn)子則安裝在電機(jī)外部。這種設(shè)計(jì)被稱(chēng)為帶有外部轉(zhuǎn)子的電機(jī)。

圖34 帶有永久磁鐵的同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)

圖35 車(chē)上的交流發(fā)電機(jī)屬于同步電機(jī)

②同步電機(jī)的工作原理

永磁同步電機(jī)的工作范圍如圖36所示，如果在定子的繞組上施加一個(gè)三相電流，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子的磁極隨著該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣就可以使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速相同。該轉(zhuǎn)速也被稱(chēng)為同步轉(zhuǎn)速。同步電機(jī)也因此得名。通過(guò)三相電流的頻率和極點(diǎn)數(shù)量精確的規(guī)定了同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

為了能夠?qū)ν诫姍C(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，必須使用變頻器。通過(guò)機(jī)械裝置或利用變頻器使同步電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行并使其保持同步。

圖36 永磁同步電機(jī)的工作范圍

同步電機(jī)在混合車(chē)輛中已廣泛使用，因?yàn)榻柚谰么盆F轉(zhuǎn)子不必使用其他外部能量就可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，因此這種電機(jī)具有非常高的功率密度和效率(＞90%)。永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是慣量較小，維修費(fèi)用低廉，轉(zhuǎn)速不受負(fù)荷影響。同步電機(jī)的缺點(diǎn)是磁鐵材料的采購(gòu)成本較高，調(diào)節(jié)成本較高，無(wú)法自動(dòng)運(yùn)行。

(3)異步電機(jī)

異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖37所示，三相電流異步電機(jī)可以作為電機(jī)或發(fā)電機(jī)使用。異步電機(jī)的特點(diǎn)是不為轉(zhuǎn)子直接提供電流，而是通過(guò)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。因?yàn)檗D(zhuǎn)子使用了定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流，所以通常異步電機(jī)也被稱(chēng)為感應(yīng)式電機(jī)。轉(zhuǎn)子通常采用帶有后端短路導(dǎo)體棒的圓形罐籠。

圖37 異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)

通過(guò)定子繞組的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)定子導(dǎo)體回線內(nèi)的磁流變化產(chǎn)生影響，這樣就會(huì)和短路導(dǎo)體棒內(nèi)的電流產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電壓，該電流同樣可以產(chǎn)生磁場(chǎng)。楞次定律指出，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)總是阻礙引起感應(yīng)電流的原因，因此產(chǎn)生的扭矩可以使轉(zhuǎn)子按照定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。定子和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間的相對(duì)速度是引起感應(yīng)的原因，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不允許達(dá)到定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，因?yàn)檫@樣會(huì)使導(dǎo)體回線內(nèi)的磁流變化為零，從而無(wú)法產(chǎn)生感應(yīng)電壓。定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的差被稱(chēng)為異步轉(zhuǎn)速。異步轉(zhuǎn)速的大小取決于負(fù)荷，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，也就是說(shuō)沒(méi)有同步轉(zhuǎn)動(dòng)，因此這種電機(jī)被稱(chēng)為異步電機(jī)，異步電機(jī)與直流電機(jī)相比其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且堅(jiān)固耐用，這里的主要優(yōu)點(diǎn)是不再需要集電環(huán)和電刷。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單因此價(jià)格便宜且所需維護(hù)較少，所以異步電機(jī)通常被作為電機(jī)使用。

從電氣角度來(lái)看，異步電機(jī)就像一個(gè)變壓器。定子繞組為初級(jí)，短路的導(dǎo)體棒為次級(jí)。自調(diào)節(jié)電流取決于轉(zhuǎn)速。異步電機(jī)的替代電路圖如圖38所示，怠速運(yùn)行時(shí)異步電機(jī)的替代電路圖主要由Rs和Xs構(gòu)成，因此電機(jī)接收的幾乎都是無(wú)功功率。只要轉(zhuǎn)子沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)，變壓器的次級(jí)側(cè)始終處于短路狀態(tài)，因此需要提供一個(gè)較高的電流和一個(gè)較強(qiáng)的磁場(chǎng)，在該啟動(dòng)動(dòng)范圍內(nèi)電機(jī)的效率較差并且會(huì)產(chǎn)生很高的溫度，只要電樞開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)且已適應(yīng)周?chē)男D(zhuǎn)磁場(chǎng)，那么電流就會(huì)變小且效率也會(huì)得到提高。通過(guò)供電電子裝置和可以提高或降低頻率的變頻器實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。

圖38 異步電機(jī)的替代電路圖

異步電機(jī)具有使用壽命較長(zhǎng)、可以簡(jiǎn)便地安裝和拆除電刷，維護(hù)費(fèi)用較低、制造成本相對(duì)較低、可以自動(dòng)運(yùn)行、短時(shí)間內(nèi)可以承受較強(qiáng)的過(guò)載、設(shè)計(jì)堅(jiān)固等優(yōu)點(diǎn)。

異步電機(jī)的缺點(diǎn)是與永磁同步電機(jī)相比，在高扭矩利用率方面的效率較低，未使用帶有啟動(dòng)控制的變頻器時(shí)啟動(dòng)扭矩較小。

五、供電電子裝置

供電電子裝置是電工學(xué)范圍內(nèi)的一種裝置，但也是一種可以進(jìn)行連接、控制和電能轉(zhuǎn)換的電子元件，供電電子裝置的元件和電路由可控硅二極管和晶閘管構(gòu)成。這種元件可以在非常高的電壓和電流下進(jìn)行連接(最高可達(dá)4 500V和1 500A)。

在較低功率范圍內(nèi)也可使用可控硅二極管和晶閘管，晶閘管是一種開(kāi)關(guān)元件，可以通過(guò)控制電極和門(mén)上的控制電壓對(duì)其接通時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)。可以反方向同時(shí)接通且可以共同控制的帶有兩個(gè)晶閘管的部件被稱(chēng)為三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)，可以進(jìn)行電能轉(zhuǎn)化的變壓器和旋轉(zhuǎn)設(shè)備都不能算作供電電子裝置。供電電子裝置主要是可以以電壓的形式轉(zhuǎn)化電能，電壓和電流的大小與頻率相同。

圖39 Diac的電路符號(hào)

1.供電電子裝置的重要元件

(1)兩端交流開(kāi)關(guān)元件

如圖39所示，兩端交流開(kāi)關(guān)元件是一種電子部件，如果在其兩個(gè)接口處施加超過(guò)一定限制的電壓時(shí)，它將具備傳導(dǎo)交流電壓的特性，該電壓被稱(chēng)為擊穿電壓。兩端交流開(kāi)關(guān)元件也被稱(chēng)為“雙向二極管”和“交流電流二極管”，因此也可稱(chēng)為Diac。Diac，是英文Diode for Alternating Current(交流電流二極管)的縮寫(xiě)。

因?yàn)椴荒芙o出極性，所以?xún)蓚€(gè)接口被稱(chēng)為正極1和正極2。由于Diac采用了雙向結(jié)構(gòu)，所以可以接通交流電壓，只要在接口(A1和A2)上施加的電壓超過(guò)規(guī)定門(mén)電壓，就可以將其擊穿并使p-n段具備導(dǎo)電功能。只有流過(guò)Diac的電流超過(guò)規(guī)定值時(shí)電阻才會(huì)增大，此時(shí)無(wú)法繼續(xù)傳導(dǎo)電流。為了能夠產(chǎn)生一個(gè)下降沿較為傾斜的觸發(fā)脈沖，兩端交流開(kāi)關(guān)元件主要被用于三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件制成的觸發(fā)開(kāi)關(guān)中。

(2)晶閘管

晶閘管是一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的元件，由四層或多層半導(dǎo)體層可變摻雜物質(zhì)制成。Thyristor(晶閘管)名稱(chēng)是由英文Thyratron(閘流管)和Resistor(電阻)組合而來(lái)。

如圖40、41所示，晶閘管包括一個(gè)負(fù)極、一個(gè)正極和一個(gè)控制電極(門(mén))。初始狀態(tài)下可晶閘管雙向都不導(dǎo)通。流通方向始終處于禁用狀態(tài)，直至門(mén)上的電流脈沖接通。通過(guò)門(mén)上的一個(gè)正極電流脈沖使其進(jìn)入導(dǎo)通狀體。負(fù)荷電路內(nèi)通過(guò)切斷電壓或轉(zhuǎn)換電壓極性使晶閘管進(jìn)入阻隔狀態(tài)。與普通二極管一樣對(duì)阻隔方向的電流進(jìn)行阻擋。在交流電流的電路中經(jīng)常會(huì)使用晶閘管。例如，晶閘管調(diào)節(jié)器可以作為軟起設(shè)備對(duì)籠式異步電機(jī)開(kāi)始工作時(shí)的啟動(dòng)電流和扭矩進(jìn)行監(jiān)控。晶閘管整流器也可用于直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。

圖40 晶閘管的結(jié)構(gòu)

(3)三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)

如圖42所示，三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)是一種采用半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)的電子部件，原則上由兩個(gè)反方向連接的晶閘管組成。因此三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)可以進(jìn)行電流的雙向?qū)ā?/p>

三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)包括一個(gè)控制電極G(英文“gate”的縮寫(xiě))和A1、A2兩個(gè)正極。通過(guò)在控制電極上施加的控制電壓三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)可以進(jìn)行雙向?qū)āＲ虼酥恍枰粋€(gè)控制接口就可以滿足兩個(gè)晶閘管的需要。三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)安裝了兩個(gè)引爆裝置，這樣就可以使用正極和負(fù)極控制脈沖使其進(jìn)入接通狀態(tài)。三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)并不適用于較大的電流。因此在供電電子裝置范圍內(nèi)主要還是使用晶閘管。

圖41 晶閘管的電路符號(hào)

圖42 三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)的電路符號(hào)

2.整流器和逆變器

(1)整流器概述

以電壓形式或電壓和電流大小進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換的電路被稱(chēng)為整流器。根據(jù)其功能可以分為直流整流器、逆變器和變流器。整流器和電流調(diào)節(jié)器如圖43所示，通過(guò)整流器可以將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。相反，也可以將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓。為此需要使用逆變器。通過(guò)直流電流調(diào)節(jié)器可以將直流電壓轉(zhuǎn)換成較高或較低的直流電壓。直流電流調(diào)節(jié)器也被稱(chēng)為DC/DC轉(zhuǎn)換器。使用交流電流調(diào)節(jié)器可以將交流電壓轉(zhuǎn)換為另一種較高(振幅)的交流電壓。如需改變交流電壓的頻率，則必須使用變頻器。在混合動(dòng)力車(chē)輛中，供電電子裝置需要在直流電壓和交流電壓之間進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換。此外，借助供電電子裝置可以對(duì)電機(jī)的工作點(diǎn)進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。

圖43 整流器和電流調(diào)節(jié)器

(2)整流器

整流器的電路符號(hào)如圖44所示，使用整流器可以將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，整流器由多個(gè)互聯(lián)起來(lái)的二極管構(gòu)成。二極管控制交流電壓的各個(gè)半波進(jìn)入一個(gè)共同的方向，這樣就會(huì)產(chǎn)生間歇式的直流電壓。為了獲得純直流電壓，必須使用電容或扼流圈對(duì)經(jīng)過(guò)整流器的電壓進(jìn)行平滑處理，可以通過(guò)無(wú)需控制的半導(dǎo)體二極或利用可控晶閘管實(shí)現(xiàn)整流，可控整流器需要固定的控制電壓，通過(guò)該電壓在特定的時(shí)間打開(kāi)和關(guān)閉電子開(kāi)關(guān)以起到整流作用。可控整流器通過(guò)電子開(kāi)關(guān)如晶閘管和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管實(shí)現(xiàn)其功能。不可控整流器在進(jìn)行交流電整流時(shí)沒(méi)有附加的控制電子裝置。

圖44 整流器的電路符號(hào)

(3)帶有二極管的整流器電路

如圖45所示，單通道整流器只能對(duì)交流電壓的半波進(jìn)行整流。而另外半波則無(wú)法通過(guò)。這種電路的缺點(diǎn)是波紋大、效率低。為了能夠使用這種經(jīng)過(guò)整流的電壓，必須進(jìn)行平滑處理。波紋具有與輸入電壓相同的頻率。

圖45 單通道整流器