精久12kW车载自发电立项申请报告

1、精选优质文档-倾情为你奉上 12kW车载自发电系统设计方案一、 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

2、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、系统原理变流控制器交流发电机 整流滤波单元调控稳压单元DC/DC单元电励磁发电机车载用电设备永磁发电机增速器传动轴逆变单元车辆蓄电池取力器车辆发

3、动机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

4、吸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

5、电压范围在250V280V。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：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/min6300r/

6、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/min6300r/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/min900r/min）满负荷工作时间不小于30min；8）设备额

7、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

8、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 1

9、2kW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：9

10、5%±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

11、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

12、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

13、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: 13kW2）额定电压: 250280V3）转速范围: 18008400r/min4）额定频率： 120600Hz3.1.3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

14、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IP553.1.3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

15、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

16、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

17、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

18、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发电机励磁电压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: 50Hzc) 额定功率: 12kW d) 功率因数：0.93.4.2.2 电气性能指标

19、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%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：0.5sm) 频率稳定时间：3.0s3.2.5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AC25

20、0280V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) 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=30.5A最高输入电压：Vin=280V则电压峰值为：Up=*280=396V整流桥电流幅值要有35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

21、参数计算电容容量为：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，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

22、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：式中，为自然振荡角频率； 为阻尼比。LC滤波器的截止频率其值必须远小于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<<为基波频率；为最低次谐波频率。基波频率=50Hz 载波频率=12.8kHz3.2.6 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，因此散热设计应留有足够余量。IGBT模块由晶体管部分和F

23、WD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 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IGBT发生损耗（W）=稳态损耗+开通损耗+关断损耗 =0.54.3+ =866.85WFWD部分损耗（W）=稳态损耗+反向恢复损耗 = =226W为IGBT导通时间，为IGBT的开关周期，为开关频率IGBT模块的总损耗（W）= IGBT发生损耗（W）+ FWD部分损耗（W） =1093.7W(注：IGBT模块的总损耗1093.7W的功率，是在12000W/0.9=13333.3W基础

24、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： =1093.7W K/kW K/kW=0.004K/W3.2.7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漏。电源控制器外层同样采用全密闭结构。为方便拆卸，将航空插头及空气开关安装板用螺栓连接至外层壳体。3.3可靠性、可维护性、电磁兼容性及安全性设计3.3.1可靠