降低汽车整体式发电机输出电流中的纹波值的方法

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我国汽车零部件行业正面临快速进入全球竞争的挑战。汽车交流发电机也是一样，过去我们并不重视的一些整机性能参数，在出口时却显得至关重要，对应一定转速下的纹波电流（Ripple Current）值便是一例。过去国内对汽车交流发电机输出的纹波电流及其如何降低等的研究几乎是空白，而国外验收检测汽车发电机的测试台，把纹波电流作为判定合格与否的八大考核指标之一，赫然列在测试报告单上。国际上广泛使用的D/V Electronis Co.测试台便是如此。而国产测试台并无此栏目。
过大的纹波电流值不仅会引起严重的无线电干扰，还对蓄电池充电产生不良影响。纹波电流返回发电机，增加轴损和铁损，也增大了励磁的脉动，输出会有更大纹波。因而全面认识发电机纹波电流的产生和抑制，成为许多出口企业当前亟待解决的课题。
汽车整体式交流发电机不同于一般传统的电磁感应三相交流发电机，安装在交流发电机端盖内部的三相全波桥式整流器和电压调节器使之成为一台能提供含有纹波的直流电源，整流器和调节器也就影响着它的输出特性。
欲抑制、降低发电机输出电流中的纹波值，首先必须认识各种产生纹波电流的原因。
一、整体式交流发电机的工作原理和纹波电流
汽车运转时，发电机和蓄电池并联着向各种用电器供电，如点火线圈、照明灯、指示灯、刮水器、车窗、天线升降器、GPS全球定位系统等。各型汽车需要直流电源，功率为0.8～3.5kW不等。发电机的主要作用在于向蓄电池充电，其输出是带有纹波分量的。用电器又希望不论负载变化，还是发电机转速变化，供电的直流电压能稳定在一个相对范围内。这便是图1的原理图上，电压调节器必须存在的原因。

直流励磁的旋转爪极，在三相交流发电机的定子绕组中感应三相交流电。三相全波桥式整流器6只二极管联合叠加作用，使输出成为虽然含有脉动、但已是较为平直的直流电。
图2显示了三相全波整流后的ABC各相波形和叠加后的输出波形，明显可以看出峰值的脉动，Ucp是平均电压。
电压调节器工作原理的逻辑框图如图3所示。

发电机负载和转速等的变化都会引起输出电动势的变化，电压调节器便是通过通断励磁绕组、调节励磁磁通来补偿其变动，使之能维持在额定值允许波动的范围内，例如±1.5％。为了防止汽车蓄电池过充电，稳定的系统电压应保持在铅酸电池产生气泡的电压以下，对所有12V的系统而言，通常使用（14.2±0.2）V的电压值。电压调节器便是控制励磁电流来调节输出电压的变动。但是，即使发电机整流后是平直的直流输出，调节器的作用使实际输出波形会如图2所示。电磁振动式电压调节器除体积大、触点易烧蚀、磁惯性和机械惯性大外，致命的缺点是电压波动幅度大。电子式电压调节器最基本的线路如图4所示。

当交流发电机速度加快时，输出值就高于预设值。这时通过R3接通晶体管T2基极，允许全部励磁电流通过，因而输出电压就增大。当达到预设电压时，稳压二极管D0就导通，R1/R2是简单的分压电路，用于设置适合于二极管的电压。假设供电电压是14.2V，该二极管导通，晶体管T1接通，这样晶体管T2就搭铁了，T2被截止，励磁电流也就被切断，输出电压就会下降。这又将使二极管D0停止导通，T1截止，T2又导通。这样开关管不断工作，二极管吸收了来自励磁线圈的磁场反电势。
图5绘出如今广泛应用的集成电路（IC）电压调节器电路。采用覆膜技术，将不同元器件聚集在一块瓷板上，核心控制部分是一块集成电路，输出常用达林顿管。虽然总的调节原理与电子式的相同，但大大提高了可靠性。
固态电压调节器大多采用脉宽调制线路，电路的整个开关过程是在毫秒数量级时间中完成的，频繁的调节使纹波分量的频率增高。如开关时间2ms，对应500Hz的频率。傅里叶分析可知其谐波频率会达到kHz和MHz，成为射频干扰源。
“纹波”原定义是直流电源中没有充分滤波的小的脉动输出分量。纹波系数γ是电源的纹波电压有效值Ur与直流分量的平均值Up间的比值。三相全波整流γ为16％。
汽车交流发电机纹波电流Ir为下式所定义

足够大的回路阻抗Zr可以抑制纹波电流。
二、设计制造过程中影响纹波电流的因素及故障情况
三相定子绕组制造过程不可避免地会产生各相阻抗不均衡，所以输出电动势波形也会三相不对称。绕组不均衡是纹波电流超标主因之一。但这时反映在测试台上，建压转速（Turnon speed）会明显下降。各相的整流二极管特性曲线也不可能一致性很好，反向漏电流、管压降的差异也引起合成波形的畸变。8管整流桥有较高的输出功率，但纹波明显高于6管。三相星形定子绕组，11管有中点的整流，可克服三相不对称。整流电路的不同，输出的纹波会有较大的差异。9管整流器的发电机中有3个正向连接的小功率二极管，用来反馈一小部分电流给转子中的励磁线圈。
实际现场使用或测试台上，发电机并联着蓄电池，蓄电池能起纹波吸收器的作用。如图1所示，汽车发电机内部电路并不复杂。但线路元件间有一系列连接端，若电路中有接触不良的端子（如表面氧化、腐蚀，压接不紧），便增大回路的电阻。实际工作中多次发现过，有的是发电机内部端子电连接不良，有的是蓄电池正端子被腐蚀，尽管直流电阻还能被测到低数值，但高频阻抗（容抗）存在，造成高的纹波电压。
发电机装在发动机上，交流发电机功率输出端应该用极小阻值的导线直接接至蓄电池正极，使纹波电压进入蓄电池。绝大多数汽车电路系统都是负极搭铁。从蓄电池负极到发动机，穿越机身到发电机的返回路径，各连接处都应有较小的回路阻抗，才能保证电压的纹波最低。整个汽车的搭铁连接线采用铜表面有防氧化镀覆的扁平编织带，也是降低纹波电压的有效措施之一。
过滤纹波电压常用滤波电容器的办法，它旁路了纹波电压，滤波电容器必须尽可能装在发电机输出端附近。电容器接线要一端接在发电机输出端，另一端搭铁，接成与电路并联。对于国内很多对国外发电机进行来样仿制的企业一定要注意，如原样机用容量5.6mF的电容器，对你的产品就不一定合适。尽管你的产品结构、输出特性与原样机相近，但绕线嵌线工艺、内部布局、二极管调节器特性、原材料元器件的差异，会使两者谐振频率不同。电容器对直流电压是开路的（高阻抗），而对谐振频率电容器是短路的（低阻抗），旁路谐波电流返回发电机。以这种方式制成低通滤波器，谐振频率所针对的电容器容抗和回路感抗应该相等，这样才有最低的回路阻抗，最好的滤波效果。恰当容量的电容器正好可以旁路等于或小于该频率的谐波。假如要过滤射频干扰（这时作用在天线上），它是高频电容器，容量在pF范围。电容器的引线长度，在滤波电路中应尽可能做得短。
铁氧体磁心的感应滤波器可用来阻塞纹波。绕在磁心上的绕组在回路上形成一个较大的感抗，直流可以顺利通过，却有效抑制谐波分量，起到滤波作用。虽然铁氧体线圈有令人惊异的滤波能力，由于体积相对电容为大，交流发电机的电压波纹大都依赖电容器来旁路，装在发电机输出端。电容器用于高阻抗电路，铁氧体线圈用于低阻抗电路，为防止射频干扰，在无线电功率输入端安装铁氧体感应滤波器。
如某相绕组匝间或对搭铁绝缘不良，某接线端子接触电阻特大，滤波电容器电容值变异乃至失效，各二极管特性曲线差异过大，调节器故障等，均会造成纹波电流值大幅上扬。
三、纹波电压的测量和允许的纹波电流值
生产制造中，汽车发电机的纹波和交流电压可用万用表的交流档进行测试。将万用表黑笔可靠搭铁，红笔接在发电机背后的“BAT”端（不是蓄电池）。好的发电机在运行时，其交流值应小于0.5V。
电压值过大表明发电机二极管损坏。
一台正常的汽车发电机在测试台上反映的2500r/min的纹波电流，应小于额定的最大输出电流的20％。若大于20％，表明该发电机内部有品质不良的因素。当然，有时也会因测试回路问题在检测报告中反映纹波电流过大的，这是需要排除的。
这项纹波电流的要求，国外各发动机配套厂也互有差异。国际汽车监察局（International AutomoTIve Oversight Bureau）的网站中有关的规范也只有模糊的规定，所以还是以各公司内部标准要求为准。
四、结语
几年来的实践使我们认识了汽车发电机纹波电流的本质，掌握了抑制纹波电流的方法，能定量地确定降低纹波电流的电路参数。应密切关注交流发电机的回路阻抗，整流器调节器的性能，滤波电容器的各项参数，使我国出口产品的品质稳步提高。也期待国内同行指正与交流。