O avanço dos sistemas elétricos automotivos está despertando o interesse em geradores dando níveis incomuns de exposição. As qualidades críticas dos alternadores futuros incorporam maior potência e espessura de controle, operação em temperatura mais alta e melhor resposta transitória. A aplicação da eletrônica de potência à geração de energia automotiva é uma nova técnica de correspondência de carga que apresenta um retificador de modo chaveado simples para alcançar aumentos dramáticos no pico e na saída de potência média de um alternador Lundell convencional, além da considerável ineficiência das atualizações. Os componentes eletrônicos de energia do veículo, juntamente com o sistema geral de gerenciamento e controle de energia, apresentam um novo conjunto de desafios para o projeto do sistema elétrico. Esses componentes eletrônicos de potência incluem dispositivos de armazenamento de energia, conversores DC / DC, inversores e unidades. Automotivo Power Electronics tem encontrado em muitas aplicações alguns deles são mencionados abaixo.
- Circuitos acionadores do solenóide do injetor de combustível
- Circuitos acionadores da bobina de ignição IGBT
- Sistemas de direção assistida elétrica
- 42V Power Net
- Trens elétricos / híbridos
O Alternador Lundell:
O Lundell também é chamado de alternador Cla-Pole, é uma máquina síncrona de campo enrolado em que o rotor compreende um par de peças polares estampadas presas em torno de um enrolamento de campo cilíndrico. O alternador Lundell é o dispositivo de geração de energia mais comum usado em automóveis. É o alternador automotivo comercial mais utilizado. Além disso, a capacidade de controle do retificador de ponte embutido e do regulador de tensão incluído neste alternador. É um gerador síncrono trifásico de campo enrolado contendo um retificador de diodo trifásico interno e um regulador de tensão. O rotor consiste em um par de peças polares estampadas, presas em torno de um enrolamento de campo cilíndrico. No entanto, a eficiência e a potência de saída dos alternadores Lundell são limitadas. Esta é uma grande desvantagem para seu uso em veículos modernos que requerem um aumento de energia elétrica. O enrolamento de campo é acionado pelo regulador de tensão por meio de anéis coletores e escovas de carvão. A corrente de campo é muito menor do que a corrente de saída do alternador. Os anéis coletores de baixa corrente e relativamente lisos garantem maior confiabilidade e vida útil do que a obtida por um gerador CC com seu comutador e maior corrente passando pelas escovas. Um estator é uma configuração trifásica e um retificador de diodo em ponte completa é tradicionalmente usado na saída da máquina para retificar o gerador de tensão trifásico da máquina do alternador.
A figura acima é um modelo simples de alternador Lundell (retificador de modo comutado). A corrente de campo da máquina é determinada pela corrente de campo do regulador que aplica um largura do pulso tensão modulada através do enrolamento de campo. A corrente de campo média é determinada pela resistência do enrolamento de campo e a tensão média aplicada pelo regulador. Mudanças na corrente de campo ocorrem com uma constante de tempo de enrolamento de campo L / R que está normalmente no pedido. Esta constante de longo tempo domina o desempenho transitório do alternador. A armadura é projetada com um conjunto de tensões back-emf trifásicas sinusoidais, como Vsa, Vsb, Vsc e indutância de fuga Ls. A frequência elétrica ω é proporcional à velocidade mecânica ωm e ao número de pólos da máquina. A magnitude das tensões de contra fem é proporcional à frequência e à corrente de campo.
V = chave
O alternador Lundell tem uma grande reatância de fuga do estator. Para superar as quedas reativas em alta corrente do alternador, são necessárias magnitudes relativamente grandes da fem de retorno da máquina. Uma redução repentina da carga no alternador reduz as quedas reativas e resulta em uma grande fração da tensão de retorno aparecendo na saída do alternador antes que a corrente de campo possa ser reduzida. A vontade transitória resultante ocorre. Essa supressão de transientes pode ser facilmente obtida com o novo sistema do alternador por meio do controle adequado do retificador de modo chaveado.
Uma ponte de diodo retifica a saída CA da máquina em uma fonte de tensão constante Vo que representa a bateria e as cargas associadas. Este modelo simples captura muitos dos aspectos vitais do alternador Lundell enquanto permanece sistematicamente tratável. A aplicação de eletrônica de potência comutada com uma armadura reprojetada pode fornecer uma gama de melhorias para potência e eficiência. Podemos substituir esses diodos por MOSFETs para um melhor desempenho. Além disso, os MOSFETs exigem gate drivers e os gate drivers exigem fontes de alimentação, incluindo fontes de alimentação com deslocamento de nível. Portanto, o custo de substituir uma ponte totalmente ativa por uma ponte de diodo é substancial.
Neste sistema, também podemos adicionar uma chave de boost que pode ser MOSFET seguida por Diode Bridge como uma chave controlada. Esta chave é ligada e desligada em alta frequência na modulação por largura de pulso. Em um sentido médio, o conjunto de chave de reforço atua como um transformador CC com uma relação de espiras controlada pela relação de trabalho PWM. Supondo que a corrente através do retificador seja relativamente constante ao longo de um ciclo PWM, ao controlar a razão de trabalho d, pode-se variar a tensão média na saída da ponte, para qualquer valor abaixo da tensão de saída do sistema do alternador.
O uso de um retificador controlado por PWM em vez de um retificador de diodo permite os seguintes benefícios principais, como aumentar a operação para aumentar a potência de saída em baixa velocidade e correção do fator de potência na máquina para maximizar a potência de saída.
Quando a carga elétrica aumenta devido ao consumo de mais corrente do alternador, a tensão de saída cai, o que por sua vez é detectado pelo regulador, o que aumenta o ciclo de trabalho para aumentar a corrente de campo e, portanto, a tensão de saída aumenta. Da mesma forma, se houver uma diminuição na carga elétrica, o ciclo de trabalho diminui de forma que a tensão de saída diminui. O retificador de ponte completa PWM (PFBR) pode ser usado para maximizar a potência de saída com controle PWM sinusoidal. Um PFBR é uma solução bastante cara e complexa. Ele conta para vários interruptores ativos e requer detecção de posição do rotor ou algoritmos complexos sem sentido.
No entanto, como um retificador síncrono, ele oferece controle de fluxo de potência bidirecional. Se o fluxo de potência bidirecional não for necessário, podemos usar outros retificadores PWM como as três estruturas BSBR monofásicas. Possui duas vezes menos interruptores ativos e todos eles são referenciados ao solo. Os interruptores ativos podem ser reduzidos a apenas um usando um Boost Switched-ModeRectifier (BSMR). Com esta topologia, não é necessário usar um sensor de rotorposição, mas o ângulo de potência não pode ser controlado.
