直驱永磁同步风力发电机在运动车辆中的应用

摘 要:利用车辆在运动中产生的空气气流来推动直驱发电机发电。根据不同车辆的构造设计出相适应的空气导流装置。该装置能将气流压缩,并形成一定压力,通过导流装置导向风动机并带动直驱发电机实现发电。由于车辆的运动是变速的,所以利用气流发出的电压不稳定。根据这一因素设计相适应的控制电路来稳定发电机的输出电压。所发出的电能可作为车辆储备电源使用。这一技术可使不利车辆运动的空气阻力变为有用的风力发电的气流动力。

关键词:车辆运动 永磁同步发电机 直驱空气导流装置 风动机电气控制

中图分类号:TM315 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)10(c)-0099-02

任何车辆在行驶中都不可避免的遇到空气阻力。车辆在行驶中速度越快产生的空气阻力就越大。怎样能够把这种不利因素转化为有用？本文提出风力发电技术在行驶车辆中的应用就是解决这一问题的有效方法。根据不同车辆的构造设计相适应的空气导流装置。该装置能最大限度的获得车辆行驶中产生的风力,并将气流压缩,形成一定的压力去推动风动机转动,进而带动发电机发电。

根据车辆行驶的特点采用高功率因数的直驱永磁同步风力发电机(DDPMG)。该类型的发电机采用永磁体励磁,消除了励磁所损耗,提高了效率,实现发电机无刷化。采用风动机对发电机直驱的方式,取消齿轮箱,可以提高发电机的效率及其可靠性。风力机因有成熟产品,这里不再详述。

由于车辆行驶中速度是不断变化的,所形成的风力也是起伏变化的。发电机所发出的电压极不稳定。因此要设计相适应的控制电路来稳定发电机输出的电压,平抑因风力起伏引起的电势波动。

本发电系统主要由机械部分和电气控制部分组成。

1 机械组成

本系统采用双喇叭口空气导流罩和双风力机的组合方式。这一方式有利于最大限度的获得风力。喇叭口式结构能够促使风力压缩和提高风压。采用双风力机可以提高风能的利用率,增强输入发电机的功率。当车辆高速行驶时,迎面产生的风阻力进入空气导流罩,由双喇叭口导向风力机,并带动发电机运转。

2 电气控制

为平抑发电机因风力起伏引起的电势波动。设计如（图1、2)所示的电气控制系统。（图1）是电气控制组成框图。

主要有:输入滤波电路,VI-ARM可自动调整输入电压范围的整流模块,Vicor DC/DC变换器等组成。电气控制流程为:发电机发出的电压经滤波电路整形后输入到VI-ARM模块,进行电压调整,然后由DC/DC变换器变换成符合车辆使用要求的电源。应用电路如图2所示。

在通用输入电压范围内,VI-ARM模块直流出母线电压可保持在200～375 V之间。该模块可与VICOR公司的VI-260系列和输入电压为300 V的直流变换器模块配套,组成离线式开关稳压电源。VI-ARM模块的输入引脚L和N之间应加入输入滤波器。该滤波器由共模电感L3和Y电容(接在相线到地之间的电容)及两个附加电感L1、L2和X电容(接在相线与相线间的电容)等元件组成。在100 kHz～30MHz之间,该滤波器具有足够的共模和差模插入损耗,完全可以满足传导辐射B级极限值的要求。

引脚ST应接在串联滤波电容C5、C6的中点,以便控制整流器在全波整流与倍压整流状态之间的转换。电容器两端并联的气体放电管V1和V2可实现输入电压的瞬变保护,泄放电阻R1和R2在电流关断时,可谓滤波器电容提供放电通路。为扩大输出功率,可以将多个DC/DC变换器并联。VI-ARM模块的使用引脚EN必须接到所有变换器模块的PC引脚上,这样在电源接通过程中,可将所有变换器模块关断。VI-ARM模块给多个变换器模块供电时,为了消除各个变换器模块之间使能控制信号互相干扰,在每个变换器模块的PC引脚上应串入一个信号二极管。电源接通过程结束后,使能引脚EN对模块的负输出引脚(-V)的电压升高至15 V。当整流器输出母线电压超过400 V时,使能引脚将变为低电平,从而关断变换器模块。变换器模块关断后,VI-ARM电路中的热敏电阻的旁路开关打开,热敏电阻串入输入电路中,使母线电压降到安全值。这样可以限制气体放电管触发时的输入电流。DC/DC变换器采用V375A5C400A模块。该模块具有多块并联功能,并有故障容许能力,可灵活通过并联构成各种不同输出功率的单元。各模块电路的原理及参数数据都有资料可查。

3 结语

本文所述的是把风力发电技术运用在运动车辆上,将车辆运行中产生的可利用空气阻力转化为电能。该技术可用在各种车辆上,特别是当前倡导的混合动力车辆。所发出的电能作为后备电源,可增加电动车辆的行驶里程和车辆电器的耗能补充,是一种降低车辆运行能耗的有效办法。

参考文献

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