精久12kW车载自发电立项申请报告

12kW 车载自发电系统设计方案车载自发电系统设计方案 一 一 概述概述 车载式自发电系统是以汽车发动机为动力源 利用车辆自带 取力器带动发电机 通过控制 变换等电力电子技术使设备输出稳 定的交流工频电压 该系统广泛应用在军用通信指挥车辆上 并保 证车辆在驻车或行驶状态下都能提供持续稳定的单相交流电 该系 统具有总体体积小 重量轻特点 因此也可用在无法装载发电机组 的小型化车辆上 针对汽车行驶过程中的不间断供电要求 我厂对 原有的自发电系统进行改进设计与验证 将自发电系统样机加装在 2102 底盘上 经过多次试验 测试 改进等措施 现已经完成汽车 在怠速状态下能保证系统输出持续稳定的交流电 其各项技术指标 均不低于我厂原有的自发电系统指标 各测试记录详见 12kW 汽 车自发电系统测试报告 二 设备技术体制二 设备技术体制 1 系统组成 本系统由高效风冷电励磁发电机 增速装置 选配 传动轴和 12kW 自发电变流控制器组成 其中 增速器将取力器的转速进行增 速 将增速后的动力传递给发电机 以保证车辆行驶或怠速时 交 流发电机均能得到持续稳定的动力输入 交流发电机将车辆发动机 的动能转换为电能 电源控制器对发电机发出的交流电进行整流逆 变 稳压 稳频使系统最终输出的电能形式满足用电设备要求 2 系统原理 12kW 自发电系统原理框图 2 1 高效风冷电励磁发电机 在满足 13kW 风冷电励磁发电机技术要求的基础上 发电机 的设计应遵循下列原则 2 1 1 设计力求做到 先进性 合理性 经济性统筹兼顾 满足各 项技术指标要求 2 1 2 贯彻 标准化 通用化 系列化 原则 2 1 3 结构稳定可靠 坚固 能在外界环境因素 振动 冲击 温 度 潮湿等 影响下可靠工作 设计时要充分考虑 GJB298 87 和 GJB1321 91 标准中与发电机相关的技术要求 2 1 4 操作方便 维修性好 设计力求简单 安全 可靠 取材方 便 便于安装维修 并且有良好的结构工艺性 2 1 5 继承本公司多年交流同步电机电磁和结构设计的优点 充分 吸 车辆 发动机 取力器 传动轴 增速器 整流滤波单元 变流控制器交流发电机 电励磁发电机 永磁发电机调控稳压单元 逆变单元 DC DC 单元 车辆蓄电池 车载 用电设备 收国内外永磁发电机电磁和结构设计的先进技术 2 2 12kW 自发电变流控制器 12kW 自发电变流控制器主要是将发电机送来电压和频率变化的 三相电压进行整流滤波 调控稳压变换 DC AC 逆变转换 DC DC 降 压等控制 转换电路 使该控制器输出持续稳定的 220V 50Hz 交流 电和 DC28V 直流电 该控制器内的电压调节电路通过控制发电机的励磁电压使发电 电机的输出交流电压稳定在 DC360V 该调控稳压电路采用 PWM 调制 技术 实现逆变部分所需直流电压的相对稳定 其功率模块采用大 电流的场效应管 CMOS 其控制电路所用的元器件均是军品级 上 述措施都是保证该电路在任何环境状态下都稳定可靠 使控制器输 入三相线电压范围在 250V 280V 该控制器后端 DC AC 逆变采用单极性 SPWM 控制技术 该电路具 有功率器件开关损耗小 电磁兼容好的特点 功率模块采用德国原 装进口 IPM 智能模块 模块具有内部驱动电路无需外加 因此能够 适应低温环境 40 甚至更低环境要求 其原理框图如下 1234 A B C D 4321 D C B A T itle Num berRevisionSize A4 Date 28 Dec 2013Sheet of File F 丁丁丁丁丁丁 丁丁 丁丁丁丁 丁丁丁丁丁 LLC丁 12 DDBDrawn By E1 Q1 IG BT Q2 IG BT Q3 IG BT Q4 IG BT C1 L1 丁丁DC360V 丁丁AC220V 丁丁丁丁 丁丁丁丁 丁丁丁丁 丁丁丁丁 综上所述 自发电系统变流控制器所采用的关键控制技术与功 率器件在国内国外均具有其先进性 所实现的宽范围电压输入功能 具有国家发明专利 填补国内技术空白 也很好的解决了车辆在怠 速状态下实现满负荷供电 所以自发电系统设备在汽车发动机全工 况下均可正常工作 实现车辆不间断供电 2 2 增速装置 本自发电系统发电机的额定转速为 2100r min 6300r min 车 辆自带的取力器输出转速与发动机转速相当 因此 为满足发电机 最低转速要求 需要增加增速器使发电机的转速能够达到 2100r min 车辆在驻车长时间连续工作时保证汽车发动机在经济转 速下发电 可将发动机的怠速提高 3 主要指标 3 1 电气性能 1 额定转速 2100r min 6300r min 2 额定输出功率 12kW 3 额定输出电压 220V 调节范围 AC220V 10 4 最大输出电流 73A 3A 5 频率 50Hz 5 6 波形失真度 5 阻性负载 7 汽车怠速 700r min 900r min 满负荷工作时间不小于 30min 8 设备额定输出功率下 连续工作时间不小于 12 小时 其他的电气性能符合 GJB235A 1997 军用交流移动电站通用规 范 中 3 7 的相关规定 3 2 发电机指标 1 类型 电励磁发电机 2 额定功率 12kW 3 最低转速 2100r min 4 最高转速 8400r min 5 防护等级 IP55 6 绝缘等级 C 级 7 冷却形式 强制风冷 4 系统安全性与可靠性 4 1 发电机保护 1 超温保护 在发电机内部设置温度传感器 当发电机绕组温升超 过 175k 时 设备自动关闭输出 确保发电机安全可靠 2 短路保护 12kW 自发电变流控制器输入端有 40A 保险丝 防止 发电机输出短路而损坏发电机 4 2 自发电变流控制器保护 1 超温保护 当发电机内部定子温度超过 150 或控制器内部功率 器件附近散热器的温度超过 120 时 控制器会自动切断输出 2 输出过流保护 当控制器输出电流达到或超过 73A 3A 时 控制 器会告警并切断输出 3 行车发动机低转速 当汽车发动机的转速低于 700r min 不能 保证行车用电输出功率 输出电压会下降 4 输出过压保护 当控制器输出电压高于 264V 4V 时 控制器会 告警并切断输出 5 告警指示 控制器前面板设有发电机 控制器超温 控制器输出 过载以及输出过 欠压告警状态指示 6 故障信息上报 所有告警信息采用一路继电器触点闭合方式上报 综合电源设备 4 3 安全性能 4 3 1 12kW 自发电变流控制器 1 接地 控制器外壳应有良好的接地 2 绝缘电阻 正常大气条件下 控制器交流输入 输出端对机壳间 的绝缘电阻不小于 100M 湿热条件下不低于 2M 3 抗电强度 正常大气条件下 控制器交流输入与机壳 交流输入 与直流输出端之间施加交流电压 1500V 或直流电压 2100V 漏电电 流 5mA 输出端与机壳之间施加直流电压 500V 漏电电流 5mA 1min 内不应发生击穿 飞狐和闪烁等现象 4 3 2 发电机 1 防护等级 发电机的防护等级为 IP55 2 绝缘等级 发电机的绝缘等级为 C 级 5 环境适应性 5 1 温度及湿热 1 工作温度 40 55 2 存储温度 55 70 3 相对湿度 95 3 温度 30 60 4 海拔高度 5000m 5 2 振动及冲击 1 振动 符合 GJB367A 2001 军用通信设备通用规范 中 3 10 3 1 的有关规定 2 冲击 符合 GJB367A 2001 军用通信设备通用规范 中 3 10 3 2 的有关规定 3 盐雾 应满足 GJB367A 2001 军用通信设备通用规范 中 3 10 2 14 的有关规定 4 湿热 应满足 GJB367A 2001 军用通信设备通用规范 中 3 10 2 5 的有关规定 5 3 电磁兼容性及保障性 5 3 1 发电机和低压供电模块电磁兼容性应符合 GJB235A 1997 符 军用交流电站通用规范 中 3 9 3 的要求 5 3 2 12kW 自发电变流控制器电磁兼容性应符合 GJB367A 2001 军用通信设备通用规范 中 3 11 1 的要求 最低限度地电磁 兼容极限值满足 GJB151A 1997 军用设备和分系统电磁发射和敏感 度要求 中 CE102 CS101 CS114 RE102 RS103 规定要求 5 3 3 可靠性与维修性 1 系统平均无故障时间 MTBF 3000h 2 系统平均修复时间 MTTR 1h 5 4 外形尺寸及重量 1 发电机尺寸 644 262 长度 L 直径 D 发电机安装空间尺寸 900 300 300 长度 L 宽 W 高 H 发电机安装接口 法兰 与传动轴法兰相配套 传动轴的长短根 据不同车型待定 发电机固定方式 采用支架吊装或其他固定方式 具体根据车型 设计支架结构 2 变流控制器尺寸 482 6 356 520mm 宽 高 深 不含把 手和连接器 3 发电机重量 140kg 含传动轴以安装附件 4 变流控制器重量 70kg 三 系统设计方案三 系统设计方案 3 1 发电机设计方案 3 1 1 发电机组成 本发电机由定子 转子 前后端盖 机壳 主轴和散热风机组成 其工作原理如下 其转子是旋转的 其中装设的转子励磁绕组线圈两 端与两个彼此绝缘的滑环连接 外界是通过压在滑环上的电刷将直流 电送给励磁绕组的 当转子励磁绕组得电后 就会产生磁场 有 N 极 S 极 当转子在原动机的带动下旋转时 三相定子电枢绕组就处在旋转 磁场中切割磁力线而感应电势 输出端接入负荷 发电机就会向负载 供电 发电机的防护等级为 IP55 其外形与安装尺寸见下图 两种 安装方案 根据车型可选择 12kW 发电机外形尺寸 电机外形尺寸及安装尺寸示意图 方案一 发电机总长度较长 发电机模块为独立单元 方案二 发电机为非独立单元 发电机长度较短 宽高尺寸同方 案一 3 1 2 额定参数 1 额定功率 13kW 2 额定电压 250 280V 3 转速范围 1800 8400r min 4 额定频率 120 600Hz 3 1 3 电气性能 1 中转速 4000r min 以下 空载与满载时发电机的输出电压偏 差在 20V 之内 中转速 5000r min 以上 空载与满载时发电机的 输出电压偏差在 50V 之内 2 发电机三相输出带负载的功率因数大于等于 0 8 3 发电机三相输出绕组与机壳之间耐压大于 2500V 绝缘电阻大于 500M 4 绝缘及防护等级 5 绝缘等级 C 级 6 防护等级 IP55 3 1 3 发电机定子 发电机定子由机壳和定子铁芯组成 机壳采用铝合金拉伸铝合 金结构 散热良好 定子铁芯由冷轧硅钢板冲制的冲片叠压而成 铁芯内嵌有定子绕组 定子绕组端部被可靠地绑扎 能承受振动和 冲击应力 3 1 4 发电机转子 转子是励磁磁场 其磁极铁芯由冷轧钢板冲制的冲片叠压而成 嵌在专门冲制的固定槽内 将漆包线绕制在槽契 整理好后进行并 在磁体与磁极之间涂以接构胶 结构简单 牢固可靠 3 1 5 发电机端盖 发电机前后端盖由采用合金铝结构 与定转子装配牢固后能受 较大强度的振动和冲击应力而不发生有害变形 3 1 6 电能输出 发电机电能输出由三根电线引出 输出三相交流电压 3 1 7 散热方式 发电机冷却方式为 IC01 强制风冷 冷却风扇安装在发电机内 部 满足环境温度不大于 55 C 时正常使用 发电机采用轴向通风自 冷式 冷空气从发电机后端盖尾部进入 经过定转子之间的气隙和定 子和机座间的散热槽 由位于前端盖附近的风扇强行抽出 3 2 工作原理 3 2 1 发电机的工作原理图如下 N S 转子磁极 U V W 三相绕组 3 2 2 空载建压 起动发电机后 依靠加载转子的磁力电压建立磁场 定子线圈 绕组从而能够建立交流电压 随着转速的上升 发电机电压逐渐升 高 转速达到额定值即为发电机空载电压 3 2 3 负载运行 当发电机带有负载时 调制稳压电路根据负载的增大提高转子 的励磁电压 从而发电机交流电压随负载大小的变化而相对固定 这是正常情况 3 2 电源控制器设计方案 3 2 1 设计依据 自发电系统变流控制器是将发电机的输出电压进行稳压 逆变 最终转换成频率 50Hz 电压 220V 的稳定的单相正弦电压 为车载 用电设备提供电能 并对于控制器的整体工作状态进行实时显示及 控制 永磁发电机输出变化的三相电压范围以及六性要求是电源设 计的主要依据 在设计之初就考虑各方面的因素 确保产品样机能 满足相关指标要求 3 2 2 采用 借鉴的电路 自发电系统变流控制器是结合我公司相关产品型号 98 10 系列 变频电源 N 系列油机逆变电源以及 T 系列电压调节器研制的成功经 验 完成了系统电源控制器的初步设计 本控制器的难点控制发电 机的输出电压在其转速范围内保持相对稳定 时刻满足逆变电路部 分对直流电压的需求从而保证输出则稳定不变 因此 需要电压调 节电路控制发电机的励磁电压 该控制器稳压部分电路采用典型的 PWM 调制电路 具有效率高 体积小 稳压精度高等特点 该控制器逆变电路部分采用高电压 大电流的 IGBT 模块 经 过逆变电路 滤波电路将直流转换成稳定的交流电压 其电压有效 值为 220V 频率为 50Hz 的单相正弦波 输出检测电路对输出电压 电流进行检测 当输出电压低于或者高于某一设定电压值时系统将 自动切断电源控制器输出 或者当输出电流超过额定电流的 20 左 右时 系统也将自动切断电源控制器输出 3 2 3 原理结构框图 整流滤波电路 缓冲控制电路 稳压控制电路 逆变控制电路 输出滤波电路 过欠压 过流检测 IGBT 驱动控制电路 三相电压输入 输入过欠压检测 用电设备 输出采样反馈电路 3 2 4 主要参数指标 3 4 2 1 额定参数 a 额定电压 220V b 额定频率 50Hz c 额定功率 12kW d 功率因数 0 9 3 4 2 2 电气性能指标 e 电压波形畸变率 5 f 稳态电压调整率 2 g 稳态频率调整率 2 h 瞬态电压调整率 15 发电机 励磁电压 i 瞬态频率调整率 5 j 电压波动率 1 k 频率波动率 0 5 l 电压稳定时间 0 5s m 频率稳定时间 3 0s 3 2 5 元器件容量计算与选择 根据电源控制器提出的指标 输出交流电压为 AC220V 这 样将 AC220V 转换成直流电压后为 DC312V 考虑到控制器输出的 高电压 265V 这样其直流电压则需要达到 375V 才能满足逆变电路 对电压的需要 因此 稳压控制电路需要将发电机输出三相电压范 围控制在 AC250 280V 之间 因此 将稳压后的直流电压稳定在 DC330V 这样直流电压满足逆变电路对直流电压的幅值要求 因此 后级只要求主电路有逆变的功能 经过综合考虑 DC AC 逆变部分选 用全桥型单极性 SPWM 控制方式 且这种技术本公司已经熟练掌握 并运用 并且具有电磁兼容性好的特点 其拓扑结构如下 A B C 丁丁丁丁 Vi 丁丁丁丁 Vo a 三相整流模块的参数计算 最低输入电压值 Vin 250V 电流为 Iin 13200 250 30 5A3 最高输入电压 Vin 280V 则电压峰值为 Up 280 396V2 整流桥电流幅值要有 3 5 倍的余量 电压幅值有 2 倍的余量 因 此 输入三相整流桥选择 150A 800V 的 b 输入滤波电容的参数计算 电容容量为 22 3 5 3 5 12000 2470 4200 100 220 i P CuFuF fV 注 单相整流时 f 100 三相整流时 f 300 电解电容在 40 的条件下 其容量下降约 50 左右 因此输入滤 波电容容量选取 4800uF 考虑电容等效串联电阻等因素选择两个或 者三个容量较小的电容并联使用为佳 c IGBT 模块的参数计算 输入最低电压 Umin 340V 单相负载功率 12kW 取 2 倍的过载能力 电源效率取 0 9 负 载电流 224000 130 340 0 6 0 9204 0 9 P IA 通过模块的电流最大值为 考虑安全裕度 Ice 2 I 2 130 260A 模块承受的最高电压 IGBT 模块在导通关断的过程中会产生尖峰脉 冲电压 最高可达工作电压的 1 5 倍 1 5Uin 680V 当然在实际电 路中有吸收脉冲电压的电路 尖峰脉冲电压并不能达到 1 5 倍 但 在选取器件时会按照 1 5 倍来选取 考虑到负载为非线性负载以及环境散热条件的限制 留有充分的 安全裕度 选取 1200V 300A 的 IGBT 模块 d 交流输出滤波器的参数计算 滤波器输入输出电压的传递函数为 22 2 2 SSUo VO 式中 为自然振荡角频率 为阻尼比 LC 1 C L R2 1 LC 滤波器的截止频率 LC fl 2 1 其值必须远小于 SPWM 电压中所含有的最低次谐波频率 同时又要 远大于基波频率 1 10 f L f min f 为基波频率 为最低次谐波频率 1 f min f 基波频率 50Hz 载波频率 12 8kHz 1 ff 3 2 6 散热器参数计算 为了确保 IGBT 安全工作 应使结合温度不超过 Tjmax 因此Tj 散热设计应留有足够余量 IGBT 模块由晶体管部分和 FWD 部分构成 它们各自发生的损耗 合计即为 IGBT 模块整体发生的损耗 另外 发生损耗的情况可分为 稳态时和交换时 即 IGBT 发生损耗 W 稳态损耗 开通损耗 关断损耗 EoffEonfIcVce t t csat 2 1 0 5 4 3 171 3 1280020 5 18 510 866 85W FWD 部分损耗 W 稳态损耗 反向恢复损耗 rrcFF EfVI t t 2 1 1 24000 1 0 52 8125 330 226W 为 IGBT 导通时间 为 IGBT 的开关周期 为开关频率1 t2t c f IGBT 模块的总损耗 W IGBT 发生损耗 W FWD 部分损耗 W IGBT 模块总损耗 晶体管部分损耗 稳态损耗 交换损耗 开通损耗 关断损耗 FWD 部分损耗 稳态损耗 交换损耗 1093 7W 注 IGBT 模块的总损耗 1093 7W 的功率 是在 12000W 0 9 13333 3W 基础上损耗的 占总损耗的 8 2 根据 IGBT 模块的总损耗选取散热器的热阻为 tot Acsjctotj SA P TRRPT R 1093 7W K kW 150 j T tot P55 A T57 jc R K kW49 cs R 0 004K W SA R 3 2 7 电源控制器结构设计 高效汽车行车自供电系统电源控制器在设计过程中充分考虑了 整机的电磁兼容性 安全性 可靠性等条件 将整个电源控制器机 箱分为内外双层壳结构 在结构布局时 尽量避免接线线路的迂回 交叉 以避免不必要的干扰 电源控制器结构设计主要考虑电磁屏蔽 通风散热及内部走线 基于电磁屏蔽的考虑 将控制器分为内外层结构 且内外层之间为 单点接地 其余固定点均为绝缘连接 内层采用全密闭结构 底座 及立柱为焊接成型 四周盖板及顶盖为螺栓连接 接缝处填塞导电 海绵 以防止接缝处的电磁泄漏 内层输入输出接口至外层航空插 头的连线用导电胶带缠绕 以防止该段线路的电磁泄