◆文/山東 劉春暉 張學(xué)忠 魏東坡

(接上期)

如圖46所示，可以通過(guò)雙通道整流器(包括橋式整流器和格列茨電路)來(lái)避免單通道整流器的缺點(diǎn)，電路由四個(gè)二極管構(gòu)成。左側(cè)施加的交流電壓將被轉(zhuǎn)換為一個(gè)(右側(cè)所顯示的)脈動(dòng)直流電壓。

因?yàn)榻?jīng)過(guò)雙通道整流，所以交流電壓的負(fù)半波振幅在直流電路中的用電器R上則呈現(xiàn)為正振幅。波紋的頻率是輸入電壓頻率的兩倍，因此可降低用于電壓平滑處理的費(fèi)用。該電路的效率也得到了顯著改善。

圖46 雙通道整流器

(4)用于三相電流的整流器

如圖47所示，通過(guò)六線圈橋式電路也可以對(duì)三相電流進(jìn)行整流。通過(guò)所采用的六個(gè)二極管可以充分使用三相導(dǎo)線上的所有半波，經(jīng)過(guò)整流的直流電流僅具有較小的波紋，這種電路可以在例如車(chē)輛發(fā)電機(jī)電壓的整流中使用。

圖47 三相電流全波整流器

(5)可控整流器

如圖48所示，可控整流器除了整流還可以進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，例如可在直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制范圍內(nèi)使用。帶有晶閘管的可控整流器可作為調(diào)節(jié)閥阻止電流進(jìn)行雙向流動(dòng)，直至調(diào)節(jié)閥的控制電極上出現(xiàn)觸發(fā)脈沖。在圖48中以藍(lán)色矩形表示晶閘管的觸發(fā)脈沖。控制脈沖熄滅后產(chǎn)生電流(以紅色顯示)。只有電流下降到某一限值時(shí)，晶閘管再次對(duì)其進(jìn)行阻止且必須在下一個(gè)半波振幅中對(duì)其進(jìn)行重新觸發(fā)。

圖48 通過(guò)晶閘管接通時(shí)間點(diǎn)的推移對(duì)可控整流器進(jìn)行功率調(diào)節(jié)

(6)逆變器

可以將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓的整流器被稱為逆變器，其電路符號(hào)如圖49所示。逆變器采用的設(shè)計(jì)不僅可以用于單相交流電流也可以用于三相交流電流(三相電流)，其效率最高可以達(dá)到大約98%。為了進(jìn)行驅(qū)動(dòng)用電器需要使用交流電壓，但是僅有一個(gè)直流電源可供使用，此時(shí)就需要使用逆變器。例如，在混合動(dòng)力車(chē)輛中電能存儲(chǔ)在高壓蓄電池內(nèi)，為了進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)就需要使用三相電流。

其他應(yīng)用情況還包括例如光電學(xué)設(shè)備，將直流電壓電源的功率輸送至交流或三相電流供電系統(tǒng)。

3.直流電流調(diào)節(jié)器和交流電流調(diào)節(jié)器

(1)直流電流調(diào)節(jié)器

圖49 逆變器的電路符號(hào)

圖50 直流電流調(diào)節(jié)器的電路符號(hào)

圖51 交流電流調(diào)節(jié)器的電路符號(hào)

可以通過(guò)二極管電路將恒定的輸入電壓轉(zhuǎn)換為其他數(shù)值電壓的整流器被稱為直流電流調(diào)節(jié)器，也稱DC/DC轉(zhuǎn)換器，其電路符號(hào)如圖50所示，特別是在電動(dòng)動(dòng)力總成技術(shù)中采用了直流電流調(diào)節(jié)器，基本類(lèi)型包括降壓變壓器、增壓變壓器和換流器，采用已廣泛使用的功率MOSFET和晶閘管作為開(kāi)關(guān)。因?yàn)闊o(wú)需對(duì)直流電壓進(jìn)行變壓，所以DC/DC轉(zhuǎn)換器可以像電子開(kāi)關(guān)模式電源件一樣首先將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓。隨后通過(guò)變壓器將其轉(zhuǎn)換為所需的較高電壓，再在整流器內(nèi)將該電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓并使用網(wǎng)狀過(guò)濾器進(jìn)行平滑處理。受工作原理所限，電流在直流電流調(diào)節(jié)器處只能單向流動(dòng)。為了使高壓蓄電池的電壓降低至12V，必須在部分和全混合動(dòng)力車(chē)輛中使用DC/DC轉(zhuǎn)換器。

為了能夠使用輔助啟動(dòng)導(dǎo)線或充電器對(duì)高壓蓄電池充電，DC/DC變流器須能夠雙向使用。即可以進(jìn)行雙方向的直流電壓轉(zhuǎn)換。

(2)交流電流調(diào)節(jié)器

利用交流電流調(diào)節(jié)器可以將一個(gè)交流電壓轉(zhuǎn)換為另一其他數(shù)值的交流電壓，其電路符號(hào)如圖51所示。也可以通過(guò)使用變壓器實(shí)現(xiàn)交流電壓的轉(zhuǎn)換。但是變壓器不屬于供電電子裝置的部件。也就是說(shuō)，交流電流調(diào)節(jié)器可以起到類(lèi)似變壓器的作用，但它不是由帶有鐵心的線圈制成，而是由供電電子裝置的部件所構(gòu)成的電路。

4.變頻器

變頻器可以將帶有恒定電壓振幅和頻率的交流或三相電源轉(zhuǎn)換為另一帶有可變電壓振幅和頻率的電源，其基本結(jié)構(gòu)如圖52所示?？梢酝ㄟ^(guò)三相交流電機(jī)的無(wú)級(jí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)對(duì)該電壓/頻率進(jìn)行控制。

圖52 變頻器的基本結(jié)構(gòu)

變頻器可以將供電電源的恒定電壓和頻率轉(zhuǎn)換為直流電壓。通過(guò)該直流電壓可為三相交流電機(jī)產(chǎn)生一個(gè)新的帶有可變電壓和頻率的三相電源。

電壓和頻率振幅轉(zhuǎn)換時(shí)，通過(guò)供電部件中的快速換擋會(huì)產(chǎn)生能夠通過(guò)電源或電磁場(chǎng)進(jìn)行傳輸?shù)碾娏?。該電流可能?huì)造成測(cè)量、控制和調(diào)節(jié)裝置以及數(shù)據(jù)處理裝置等出現(xiàn)故障。因此所有電子設(shè)備特別是變頻器必須滿足電磁兼容性(EMV)的相關(guān)規(guī)定。

5.混合動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用

以混合動(dòng)力車(chē)輛中所使用的供電電子裝置為例進(jìn)行說(shuō)明。

(1)部分混合動(dòng)力

如圖53所示，部分混合動(dòng)力的傳動(dòng)系中至少包括一個(gè)功率約為10～15kW的電機(jī)。這樣就可以將制動(dòng)過(guò)程中車(chē)輛所產(chǎn)生的大部分動(dòng)能回收存入高壓蓄電池。通過(guò)AC/DC變流器將發(fā)電機(jī)的三相電流轉(zhuǎn)換為直流電壓。AC/DC變流器可以進(jìn)行雙向工作，也就是說(shuō)借助AC/DC變流器可以將高壓蓄電池的直流電壓轉(zhuǎn)換成三相電流，以便驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

圖53 部分混合動(dòng)力的電動(dòng)傳動(dòng)系

因?yàn)樵诨旌蟿?dòng)力車(chē)輛中通過(guò)電機(jī)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)啟動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的功能，所以必須通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器為12V車(chē)載網(wǎng)絡(luò)供電。該DC/DC轉(zhuǎn)換器同樣可以進(jìn)行雙向工作，即可以借助DC/DC轉(zhuǎn)換器通過(guò)12V車(chē)載網(wǎng)絡(luò)對(duì)高壓蓄電池充電。

(2)全混合動(dòng)力

如圖54所示，全混合動(dòng)力與部分混合動(dòng)力的電氣結(jié)構(gòu)相似。區(qū)別在于，至少需要另一個(gè)電機(jī)。兩個(gè)電機(jī)可以提供較高的功率(20～50kW)，以便能夠以純電動(dòng)方式行駛。因此還需要兩個(gè)AC/DC變流器。

圖54 全混合動(dòng)力的電動(dòng)傳動(dòng)系

(3)插入式混合動(dòng)力

在插入式混合動(dòng)力中，借助AC/DC變流器將家用電源插座中的230V交流電轉(zhuǎn)換成可用于高壓蓄電池的直流電壓，以便為蓄電池充電。與其他混合動(dòng)力車(chē)輛的蓄電池相比，插入式混合動(dòng)力的蓄電池能量密度明顯偏大(圖55)。只有這樣插入式混合動(dòng)力車(chē)輛以電動(dòng)方式行駛時(shí)才能實(shí)現(xiàn)較大的可達(dá)里程。通?？梢允褂靡粋€(gè)小排量?jī)?nèi)燃機(jī)對(duì)插入式混合動(dòng)力車(chē)輛的電動(dòng)可達(dá)里程進(jìn)行補(bǔ)充。高壓蓄電池的充電狀態(tài)低于某一限值時(shí)，使用內(nèi)燃?xì)怛?qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。借助另一個(gè)AC/DC變流器將發(fā)電機(jī)的三相電流轉(zhuǎn)換為直流電壓，以便對(duì)高壓蓄電池進(jìn)行再次充電。

圖55 串聯(lián)插入式混合動(dòng)力的動(dòng)力系

六、電動(dòng)機(jī)械式接觸器

如圖56所示，電動(dòng)機(jī)械式接觸器是一種用于較高斷流容量的電氣開(kāi)關(guān)。接觸器的工作原理與繼電器相同。通過(guò)接觸器接通的功率非常高，接通范圍可從500W直至上百千瓦。

接觸器與繼電器的另一區(qū)別是接觸器始終采用常閉接點(diǎn)或常開(kāi)接點(diǎn)的設(shè)計(jì)。此外可以簡(jiǎn)單的斷開(kāi)繼電器的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，而在接觸器中則至少需要兩次才能斷開(kāi)，接觸器的電路符號(hào)圖57所示。

圖56 繼電器的工作原理

接觸器的操縱線圈可以按照交流或直流電壓驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。因?yàn)閷?duì)實(shí)心開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的快速操作可以造成接觸器出現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)和噪音。關(guān)閉接觸器時(shí)操縱線圈作為感應(yīng)式用電器會(huì)引起干擾電壓峰值。為了對(duì)控制電子裝置進(jìn)行緩沖需要一個(gè)保護(hù)電路。

為此需要在交流電流電路中使用一個(gè)電阻電容器電路(RC組合電路)。在直流電流電路中則需要使用一個(gè)空程二極管。為了避免在開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)上產(chǎn)生斷路火花和表面燒傷，同樣需要使用RC組合電路。

七、行星齒輪箱

行星齒輪箱的基本特性是可以提供不同的傳動(dòng)比。行星齒輪箱的結(jié)構(gòu)如圖58所示，通過(guò)使用不同的輸入和輸出軸以及一個(gè)用于固定的第三軸實(shí)現(xiàn)不同的傳動(dòng)比。

1.大傳動(dòng)比

太陽(yáng)輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，齒圈制動(dòng)，行星齒輪在齒圈的內(nèi)嚙合齒上滾動(dòng)。行星齒輪架與被驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。因?yàn)楸或?qū)動(dòng)太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度明顯快于行星齒輪架，所以轉(zhuǎn)速比較大。i = n輸入/ n輸出= n太陽(yáng)輪/ n行星齒輪架。

2.小傳動(dòng)比

齒圈進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，太陽(yáng)輪制動(dòng)，行星齒輪在太陽(yáng)輪的外嚙合齒上滾動(dòng)行星齒輪架的旋轉(zhuǎn)方向與被驅(qū)動(dòng)的齒圈相同。因?yàn)檩斎牒洼敵鲋g的轉(zhuǎn)速比例較之前小，所以傳動(dòng)比較小。i = n輸入/ n輸出= n齒圈/ n行星齒輪架。

3.負(fù)傳動(dòng)比

太陽(yáng)輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，行星齒輪架制動(dòng)。行星齒輪使齒圈的旋轉(zhuǎn)方向與動(dòng)力輸入方向相反。此時(shí)產(chǎn)生方向相反的大傳動(dòng)比，i=n輸入/n輸出=n太陽(yáng)輪/n齒圈(圖59)。

例如，在自動(dòng)變速器中就使用了行星齒輪箱的不同傳動(dòng)比，使用了多個(gè)相互連接的行星齒輪箱，同時(shí)使用固定連接，例如在第一個(gè)行星齒輪箱的行星齒輪架和另一個(gè)行星齒輪組的太陽(yáng)輪之間。不僅在行星齒輪組之間而且在行星齒輪組與殼體之間同樣使用了開(kāi)關(guān)連接。在安裝了傳統(tǒng)自動(dòng)變速箱的部分混合動(dòng)力車(chē)輛中同樣使用了這種行星齒輪箱。

圖58 行星齒輪箱

圖59 太陽(yáng)輪上帶有內(nèi)燃機(jī)的行星齒輪箱、齒圈上的電動(dòng)機(jī)和輸入軸上的行星齒輪架

圖57 接觸器的電路符號(hào)

在混合動(dòng)力車(chē)輛中還使用了行星齒輪箱的其他一些特性：三根軸上扭矩和功率的分配。能夠進(jìn)行所謂功率分流的行星齒輪箱也被稱為功率分流式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置。通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的任意控制以及將電動(dòng)機(jī)同時(shí)作為發(fā)電機(jī)和電機(jī)使用，在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了混合動(dòng)力車(chē)輛的功率分流功能。毫無(wú)疑問(wèn)，對(duì)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行電子控制是實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力車(chē)輛功率分流功能的前提條件。在圖59中顯示了功率分流功能的原理。為了使其淺顯易懂，忽略了例如摩擦等一些因素。

(1)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩通過(guò)太陽(yáng)輪傳輸至行星齒輪箱

通過(guò)電子控制方式使電動(dòng)機(jī)保持靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)齒圈轉(zhuǎn)速為零。這種狀態(tài)與使用開(kāi)關(guān)連接固定外殼的變速箱類(lèi)似。根據(jù)太陽(yáng)輪和行星齒輪架之間的傳動(dòng)比將獨(dú)立的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩傳送至輸出軸。輸出軸上的輸出功率與內(nèi)燃機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率大小相同，因?yàn)閹в须妱?dòng)機(jī)的路徑即不吸收功率也不提供功率。

(2)內(nèi)燃機(jī)再次通過(guò)太陽(yáng)輪將驅(qū)動(dòng)力矩傳輸至行星齒輪箱

此時(shí)啟動(dòng)作為電機(jī)的電動(dòng)機(jī)。這意味著根據(jù)傳動(dòng)比將由內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)提供的扭矩疊加至輸出軸。但是轉(zhuǎn)速也要根據(jù)相應(yīng)的傳動(dòng)比進(jìn)行工作。對(duì)內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制時(shí)必須注意轉(zhuǎn)速，以便對(duì)輸出軸上所需總扭矩和所需轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。也就是說(shuō)，相反可以通過(guò)電動(dòng)機(jī)上的轉(zhuǎn)速變化更改內(nèi)燃機(jī)至輸出軸的傳動(dòng)比。因?yàn)榭梢詫?duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行持續(xù)控制，這樣就能夠持續(xù)改變傳動(dòng)比。在混合動(dòng)力車(chē)輛中，這種作用有助于內(nèi)燃機(jī)始終在最佳工作效率范圍內(nèi)工作。

(3)當(dāng)電動(dòng)機(jī)不是作為電機(jī)而是作為發(fā)電機(jī)工作時(shí)也可以使用行星齒輪箱的功率分流功能

電動(dòng)機(jī)像“機(jī)械式用電器”一樣工作并吸收扭矩。從內(nèi)燃機(jī)的扭矩中扣除該扭矩(根據(jù)傳動(dòng)比)。這將導(dǎo)致施加在輸出軸上的扭矩出現(xiàn)相應(yīng)的下降。此處也可以通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩使內(nèi)燃機(jī)在效率較高的工作范圍內(nèi)運(yùn)行(例如高負(fù)荷時(shí)在中等轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作)。

電動(dòng)機(jī)所吸收的機(jī)械能不會(huì)流失，而是被轉(zhuǎn)換成電能。在混合動(dòng)力車(chē)輛中，由供電電子裝置負(fù)責(zé)將這些電能存儲(chǔ)在高壓蓄電池內(nèi)。