СТАРТЕР-ГЕНЕРАТОР
STARTER-GENERATOR

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к устройствам пуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и выработке электроэнергии на автомобиле.
В качестве аналогов предлагаемого устройства известны объединенные (совмещенные) стартер-генераторы (СГ) для автомобилей «Тойота-Краун» (см. например, [1] Поверь в гибрид. - Журнал «За рулем», №6, 2002, с. 72-73), выполнены в виде навесной электромашины, соединенной с бензиновым двигателем внутреннего сгорания широким плоским ремнем. В таком стартер-генераторе имеются недостатки, присущие ременной передаче, - износ и обрыв ремня, необходимость периодического обслуживания, а также недостатки, обусловленные незащищенностью конструкции от пыли и влаги.
Известно устройство стартер-генератор (патент RU №2265133), содержащее вентильную электромашину с управляющим контроллером, постоянные магниты, установленные на маховике двигателя, и обмотки статора, закрепленные на картере двигателя. Маховик двигателя установлен с возможностью перемещения относительно пакета и обмоток статора вдоль оси коленвала. Пакет статора с обмотками установлен на картере двигателя посредством диска соосно с маховиком и коленвалом, а плоскость диска параллельна плоскости маховика. При этом на выходе стартер-генератора введен высоковольтный преобразователь напряжения, управляющий вход которого связан с управляющим контроллером через регулятор напряжения. Недостатком данного устройства является «прямой» пуск СГ в режиме запуска ДВС, приводящий при ограниченной мощности аккумуляторной батареи, значительному падению напряжения на ней, что нарушает работу других потребителей. К недостаткам данного СГ следует также отнести нескомпенсированность постоянных времени стартер-генератора, что приводит к низким показателям качества в динамических режимах работы СГ при пуске ДВС.
В качестве прототипа выбрано устройство стартер-генератора (патент RU №2543076), содержащее вентильную электрическую машину с управляющим контроллером с датчиком положения ротора, постоянные магниты, установленные на маховике двигателя, и статор с обмотками, закрепленными на картере двигателя. Стартер-генератор снабжен пропорционально-интегральным регулятором угловой скорости, вход которого соединен с выходом устройства сравнения, на входы которого подаются сигналы с задатчика угловой скорости вращения и обратной связи по угловой скорости вращения с выхода измерителя угловой скорости вращения ротора, вход которого подключен к выходу датчика положения ротора, а выход пропорционально-интегрального регулятора угловой скорости соединен с аналоговым входом управляющего контроллера, на выходе стартер-генератора введен стабилизатор напряжения, выход которого подключен к аккумуляторной батарее, причем пропорционально-интегральный регулятор угловой скорости настраивают на компенсацию эквивалентной механической постоянной времени стартер-генератора при работе в стартерном режиме.
Недостатком этого устройства прототипа является: значительный пусковой ток стартер-генератора, протекающий через силовые ключи инвертора 2 и обмотки вентильной электрической машины в начальный момент работы стартер-генератора в режиме запуска ДВС, что приводит к выходу из строя инвертора 2. Увеличение размеров охлаждающих радиаторов, применение других типов силовых транзисторов MOSFET, IGBT в инверторе 2 приводит к значительному увеличению размера и веса инвертора, что неприемлемо в стартер-генераторных устройствах автономных объектах, в частности в автомобилях из-за ограниченного объема подкапотного пространства.
Значительный пусковой ток стартер-генератора приводит также к снижению разрядной емкости аккумуляторной батареи и снижению (уменьшению) ее ресурса работы (см. например [2] Электрооборудование автомобилей: Справочник / Под ред. Ю.П. Чижкова. - М.: Транспорт, 1993 - § 2.4, с. 19-21).
Техническим результатом изобретения является повышение надежности, ресурса безотказной работы стартер-генератора без увеличения размеров и веса инвертора в стартерном режиме работы устройства.
Технический результат достигается тем, что стартер-генератор автомобиля, содержащий вентильную электрическую машину с управляющим контроллером с датчиком положения ротора, постоянные магниты, установленные на маховике двигателя, и статор с обмотками, закрепленный на картере двигателя, пропорционально-интегральный регулятор угловой скорости, вход которого соединен с выходом первого устройства сравнения, на входы которого подаются сигналы с задатчика угловой скорости вращения и обратной связи по угловой скорости вращения с выхода измерителя угловой скорости вращения ротора, вход которого подключен к входу датчика положения ротора, а выход пропорционально-интегрального регулятора угловой скорости соединен с аналоговым входом управляющего контроллера, на выходе стартер-генератора введен стабилизатор напряжения, выход которого подключен к аккумуляторной батарее, причем пропорционально-интегральный регулятор угловой скорости настраивают на компенсацию эквивалентной механической постоянной времени стартер-генератора при работе в стартерном режиме, снабжен датчиком тока, содержащим шунт в входной цепи инвертора и усилитель сигнала с шунта, выход которого соединен с входом узла токоограничения, а выход которого соединен с входом второго устройства сравнения, другой вход которого соединен с выходом пропорционально-интегрального регулятора угловой скорости, а выход второго устройства сравнения соединен с аналоговым входом управляющего контроллера.
Техническая сущность изобретения поясняется фиг. 1-4.
Работа СГ поясняет структурная электрическая схема, изображенная на фиг. 1, где обозначено:
1. вентильная электрическая машина (электрическая машина с магнитоэлектрическим возбуждением), работающая как в генераторном, так и в стартерном режимах;
2. трехфазный мостовой инвертор;
3. выпрямительный диод;
4. аккумуляторная батарея;
5. датчик положения ротора;
6. управляющий контроллер;
7. стабилизатор напряжения;
8. задатчик угловой скорости вращения;
9. измеритель угловой скорости вращения ротора;
10. первое устройство сравнения;
11. пропорционально-интегральный регулятор угловой скорости;
12. сглаживающий фильтр;
13. выключатель стартера замка зажигания;
14. блок предварительной обработки и получения заданного закона управления стартер-генератором;
15. измерительный шунт во входной цепи инвертора;
16. усилитель сигнала шунта;
17. датчик тока;
18. узел токоограничения;
19. второе устройство сравнения.
оп
Вновь введенные устройства выполнены следующим образом: датчик тока 17 выполнен в виде измерительного шунта 15 во входной цепи инвертора, соединенного с входом усилителя сигнала шунта 16, выполненного на операционном усилителе (ОУ); узла токоограничения 18, выполненный на ОУ, использующий диоды с потенциометрами опорного (запирающего) напряжения (фиг. 2). На фиг. 2 диоды включены таким образом, что опорные напряжения ±U запирают их, так как обеспечивается более низкий потенциал их анодов по сравнению с потенциалами катодов. Характеристика узла токоограничения приведена на фиг. 4. Второе устройство сравнения 19 выполнено в виде операционного усилителя с резистором в цепи обратной связи, на инвертирующий вход которого подается напряжение с выхода узла токоограничения 18, а на другой вход подается напряжение с выхода пропорционально-интегрального регулятора угловой скорости 11, а выход второго устройства сравнения 19 подключен к аналоговому входу управляющего контроллера 6.
Устройство работает следующим образом. При замыкании выключателя стартера замка зажигания 13 система регулирования формирует на выходе управляющего контроллера 6 сигнал запуска стартерного режима работы СГ. Ток с аккумуляторной батареи 4 через выпрямительный диод 3 и трехфазный мостовой инвертор 2 подается на статорные обмотки вентильной электрической машины 1 и в первоначальное время очень значителен, поскольку ЭДС, индуцируемая в обмотках вентильной электрической машины 1, очень мала. При этом выражение для тока I, протекающего в инверторе можно представить в виде
где  - напряжение на аккумуляторной батарее;
r - внутреннее активное сопротивление АБ и инвертора;
ф
r - активное сопротивление фазной обмотки СГ;
ф
e
Е=k⋅ω – ЭДС,индуцируемая в фазной обмотке СГ.
вх
оп
вх
оп
вых
вх
оп
вх
оп
При этом напряжение U на выходе усилителя сигнала шунта 16 поступает на вход узла токоограничения и превосходит опорное напряжение U (U≥U, фиг. 4), на выходе узла токоограничения возникает напряжение U, которое подается на инверсный вход второго устройства сравнения 19, уменьшая тем самым величину сигнала (напряжения) пропорционально-интегрального регулятора угловой скорости, которое поступает на не инвертирующий вход второго устройства сравнения 19. При этом среднее напряжение, подаваемое на инвертор и на обмотки СГ, снижается, тем самым ограничивая ток, протекающий через инвертор. Система становится замкнутой и осуществляется регулирование (ограничение) тока (участок 2 на фиг. 3). При увеличении частоты вращения вентильной электрической машины 1 ток уменьшается и уменьшается величина напряжения на выходе усилителя сигнала шунта 16 датчика тока 17. Как только величина этого напряжения U становится меньше U (U<U, фиг. 4), уменьшение напряжения интегрального регулятора угловой скорости 11 прекращается. Небольшое увеличение времени запуска ДВС за счет ограничений тока в первоначальный момент пуска существенного влияния не оказывает, поскольку большую часть времени СГ в процессе запуска работает на участке, когда ток инвертора уже снижен.
и. доп
вых
и. доп
.
вых
В соответствии с характеристикой фиг. 3 имеется два участка: на участке I при I≤I выходное напряжение U узла токоограничения равно нулю, на участке II при I≥Iвыходное напряжение U узла токоограничения не равно нулю, система становится замкнутой по току и осуществляет ограничение тока и момента.
и
и. доп
и
и. доп
В начальный период времени (участок II на фиг. 3) I≥I действует обратная связь по току, которая ограничивает пусковой ток стартер-генератора. В дальнейшем (участок I на фиг. 3) I≤I действует обратная связь по угловой скорости, обеспечивая требуемое нарастание скорости вращения СГ.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает новизной и предназначено для повышения надежности при одновременном повышении ресурса безотказной работы СГ без увеличения размеров и веса инвертора СГ.