El avance de los sistemas eléctricos automotrices está provocando un interés en los generadores que dan niveles poco comunes de exhibición. Las cualidades críticas de los futuros alternadores incorporan mayor potencia y espesor de control, operación a mayor temperatura y mejor respuesta transitoria. La aplicación de la electrónica de potencia a la generación de energía automotriz es una nueva técnica de adaptación de carga que presenta un rectificador de modo conmutado simple para lograr aumentos dramáticos en la salida de potencia pico y promedio de un alternador Lundell convencional, además de mejoras considerables de ineficiencia. Los componentes electrónicos de potencia del vehículo, junto con el sistema de control y administración de energía general, presentan un nuevo conjunto de desafíos para el diseño de sistemas eléctricos. Estos componentes electrónicos de potencia incluyen dispositivos de almacenamiento de energía, convertidores CC / CC, inversores y conduce. Automotor Power Electronics ha encontrado en muchas aplicaciones algunos de ellos se mencionan a continuación.
- Circuitos impulsores del solenoide del inyector de combustible
- Circuitos impulsores de bobina de encendido IGBT
- Sistemas de dirección asistida eléctrica
- Red de potencia 42V
- Trenes de transmisión eléctricos / híbridos
El alternador de Lundell:
El alternador Lundell también llamado Cla-Pole es una máquina síncrona de campo devanado en la que el rotor comprende un par de piezas polares estampadas aseguradas alrededor de un devanado de campo cilíndrico. El alternador Lundell es el dispositivo de generación de energía más común utilizado en los automóviles. Es el alternador automotriz comercial más utilizado. Además, la capacidad de control del rectificador de puente incorporado y el regulador de voltaje incluidos con este alternador. Es un generador síncrono trifásico de campo bobinado que contiene un rectificador de diodo trifásico interno y un regulador de voltaje. El rotor consta de un par de piezas polares estampadas, aseguradas alrededor de un devanado de campo cilíndrico. Sin embargo, la eficiencia y la potencia de salida de los alternadores Lundell son limitadas. Este es un gran inconveniente para su uso en vehículos modernos que requieren un aumento de la energía eléctrica. El devanado de campo es impulsado por el regulador de voltaje a través de anillos colectores y escobillas de carbón. La corriente de campo es mucho menor que la corriente de salida del alternador. La baja corriente y los anillos colectores relativamente suaves aseguran una mayor confiabilidad y una vida más larga que la obtenida por un generador de CC con su conmutador y una corriente más alta que pasa a través de sus escobillas. Un estator es una configuración trifásica y tradicionalmente se usa un rectificador de diodo de puente completo en la salida de la máquina para rectificar el generador de voltaje trifásico de la máquina del alternador.
La figura que se muestra arriba es un modelo simple de alternador Lundell (rectificador de modo conmutado). La corriente de campo de la máquina está determinada por la corriente de campo del regulador que aplica un ancho de pulso voltaje modulado a través del devanado de campo. La corriente de campo promedio está determinada por la resistencia del devanado de campo y el voltaje promedio aplicado por el regulador. Los cambios en la corriente de campo ocurren con una constante de tiempo de devanado de campo L / R que normalmente está en el orden. Esta constante de tiempo prolongada domina el rendimiento transitorio del alternador. El inducido está diseñado con un conjunto de voltajes sinusoidales trifásicos back-emf como Vsa, Vsb, Vsc e inductancia de fuga Ls. La frecuencia eléctrica ω es proporcional a la velocidad mecánica ωm y al número de polos de la máquina. La magnitud de los voltajes de fem trasera es proporcional tanto a la frecuencia como a la corriente de campo.
V = clave
El alternador Lundell tiene una gran reactancia de fuga del estator. Para superar las caídas reactivas a alta corriente del alternador, se necesitan magnitudes de fem de retorno de máquina relativamente grandes. Una reducción repentina de la carga en el alternador reduce las caídas reactivas y da como resultado una gran fracción de la tensión de retorno que aparece en la salida del alternador antes de que se pueda reducir la corriente de campo. Se produce la voluntad transitoria resultante. Esta supresión de transitorios se puede obtener fácilmente con el nuevo sistema de alternador mediante el control adecuado del rectificador de modo conmutado.
Un puente de diodos rectifica la salida de la máquina de CA en una fuente de voltaje constante Vo que representa la batería y las cargas asociadas. Este modelo simple captura muchos de los aspectos vitales del alternador Lundell sin dejar de ser sistemáticamente manejable. La aplicación de la electrónica de potencia en modo conmutado con una armadura rediseñada puede proporcionar una variedad de mejoras en la potencia y la eficiencia. Podemos reemplazar estos diodos por MOSFET para un mejor rendimiento. Además, los MOSFET requieren controladores de puerta y los controladores de puerta requieren fuentes de alimentación, incluidas fuentes de alimentación de nivel desplazado. Por lo tanto, el costo de sustituir un puente de diodos por un puente activo completo es sustancial.
En este sistema, también podemos agregar un interruptor de refuerzo que puede ser MOSFET seguido de Puente de diodos como interruptor controlado. Este interruptor se enciende y apaga a alta frecuencia en modulación de ancho de pulso. En un sentido promediado, el conjunto de interruptores de refuerzo actúa como un transformador de CC con una relación de vueltas controlada por la relación de trabajo PWM. Suponiendo que la corriente a través del rectificador sea relativamente constante durante un ciclo PWM, controlando la relación de trabajo d, se puede variar el voltaje promedio en la salida del puente, a cualquier valor por debajo del voltaje de salida del sistema de alternador.
El uso de un rectificador controlado por PWM en lugar de un rectificador de diodo permite los siguientes beneficios principales, como impulsar la operación para aumentar la potencia de salida a baja velocidad y la corrección del factor de potencia en la máquina para maximizar la potencia de salida.
Cuando la carga eléctrica aumenta debido a que se extrae más corriente del alternador, el voltaje de salida cae, lo que a su vez es detectado por el regulador que aumenta el ciclo de trabajo para aumentar la corriente de campo y, por lo tanto, el voltaje de salida aumenta. Asimismo, si hay una disminución en la carga eléctrica, el ciclo de trabajo disminuye de modo que el voltaje de salida disminuye. El rectificador de puente completo PWM (PFBR) se puede utilizar para maximizar la potencia de salida con control PWM sinusoidal. Un PFBR es una solución bastante cara y compleja. Cuenta para varios interruptores activos y requiere detección de posición del rotor o algoritmos complejos sin sentido.
Sin embargo, como un rectificador síncrono, ofrece un control de flujo de potencia bidireccional. Si no se requiere flujo de potencia bidireccional, podemos utilizar otros rectificadores PWM como las tres estructuras BSBR monofásicas. Tiene interruptores dos veces menos activos y todos ellos están referenciados a tierra. Los interruptores activos se pueden reducir a solo uno usando un rectificador de modo conmutado de impulso (BSMR). Con esta topología, no es necesario usar un sensor de posición del rotor, pero el ángulo de potencia no se puede controlar.
