汽車整體式交流發(fā)電機(jī)各種產(chǎn)生紋波電流的原因及抑制方法

我國汽車零部件行業(yè)正面臨快速進(jìn)入全球競爭的挑戰(zhàn)。汽車交流發(fā)電機(jī)也是一樣，過去我們并不重視的一些整機(jī)性能參數(shù)，在出口時卻顯得至關(guān)重要，對應(yīng)一定轉(zhuǎn)速下的紋波電流（Ripple Current）值便是一例。過去國內(nèi)對汽車交流發(fā)電機(jī)輸出的紋波電流及其如何降低等的研究幾乎是空白，而國外驗收檢測汽車發(fā)電機(jī)的測試臺，把紋波電流作為判定合格與否的八大考核指標(biāo)之一，赫然列在測試報告單上。國際上廣泛使用的D/V Electronis Co.測試臺便是如此。而國產(chǎn)測試臺并無此欄目。

過大的紋波電流值不僅會引起嚴(yán)重的無線電干擾，還對蓄電池充電產(chǎn)生不良影響。紋波電流返回發(fā)電機(jī)，增加軸損和鐵損，也增大了勵磁的脈動，輸出會有更大紋波。因而全面認(rèn)識發(fā)電機(jī)紋波電流的產(chǎn)生和抑制，成為許多出口企業(yè)當(dāng)前亟待解決的課題。

汽車整體式交流發(fā)電機(jī)不同于一般傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)三相交流發(fā)電機(jī)，安裝在交流發(fā)電機(jī)端蓋內(nèi)部的三相全波橋式整流器和電壓調(diào)節(jié)器使之成為一臺能提供含有紋波的直流電源，整流器和調(diào)節(jié)器也就影響著它的輸出特性。

欲抑制、降低發(fā)電機(jī)輸出電流中的紋波值，首先必須認(rèn)識各種產(chǎn)生紋波電流的原因。

一、整體式交流發(fā)電機(jī)的工作原理和紋波電流

汽車運(yùn)轉(zhuǎn)時，發(fā)電機(jī)和蓄電池并聯(lián)著向各種用電器供電，如點(diǎn)火線圈、照明燈、指示燈、刮水器、車窗、天線升降器、GPS全球定位系統(tǒng)等。各型汽車需要直流電源，功率為0.8～3.5kW不等。發(fā)電機(jī)的主要作用在于向蓄電池充電，其輸出是帶有紋波分量的。用電器又希望不論負(fù)載變化，還是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，供電的直流電壓能穩(wěn)定在一個相對范圍內(nèi)。這便是圖1的原理圖上，電壓調(diào)節(jié)器必須存在的原因。

直流勵磁的旋轉(zhuǎn)爪極，在三相交流發(fā)電機(jī)的定子繞組中感應(yīng)三相交流電。三相全波橋式整流器6只二極管聯(lián)合疊加作用，使輸出成為雖然含有脈動、但已是較為平直的直流電。

圖2顯示了三相全波整流后的ABC各相波形和疊加后的輸出波形，明顯可以看出峰值的脈動，Ucp是平均電壓。

電壓調(diào)節(jié)器工作原理的邏輯框圖如圖3所示。

發(fā)電機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)速等的變化都會引起輸出電動勢的變化，電壓調(diào)節(jié)器便是通過通斷勵磁繞組、調(diào)節(jié)勵磁磁通來補(bǔ)償其變動，使之能維持在額定值允許波動的范圍內(nèi)，例如±1.5％。為了防止汽車蓄電池過充電，穩(wěn)定的系統(tǒng)電壓應(yīng)保持在鉛酸電池產(chǎn)生氣泡的電壓以下，對所有12V的系統(tǒng)而言，通常使用（14.2±0.2）V的電壓值。電壓調(diào)節(jié)器便是控制勵磁電流來調(diào)節(jié)輸出電壓的變動。但是，即使發(fā)電機(jī)整流后是平直的直流輸出，調(diào)節(jié)器的作用使實際輸出波形會如圖2所示。電磁振動式電壓調(diào)節(jié)器除體積大、觸點(diǎn)易燒蝕、磁慣性和機(jī)械慣性大外，致命的缺點(diǎn)是電壓波動幅度大。電子式電壓調(diào)節(jié)器最基本的線路如圖4所示。

當(dāng)交流發(fā)電機(jī)速度加快時，輸出值就高于預(yù)設(shè)值。這時通過R3接通晶體管T2基極，允許全部勵磁電流通過，因而輸出電壓就增大。當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)電壓時，穩(wěn)壓二極管D0就導(dǎo)通，R1/R2是簡單的分壓電路，用于設(shè)置適合于二極管的電壓。假設(shè)供電電壓是14.2V，該二極管導(dǎo)通，晶體管T1接通，這樣晶體管T2就搭鐵了，T2被截止，勵磁電流也就被切斷，輸出電壓就會下降。這又將使二極管D0停止導(dǎo)通，T1截止，T2又導(dǎo)通。這樣開關(guān)管不斷工作，二極管吸收了來自勵磁線圈的磁場反電勢。

圖5繪出如今廣泛應(yīng)用的集成電路（IC）電壓調(diào)節(jié)器電路。采用覆膜技術(shù)，將不同元器件聚集在一塊瓷板上，核心控制部分是一塊集成電路，輸出常用達(dá)林頓管。雖然總的調(diào)節(jié)原理與電子式的相同，但大大提高了可靠性。

固態(tài)電壓調(diào)節(jié)器大多采用脈寬調(diào)制線路，電路的整個開關(guān)過程是在毫秒數(shù)量級時間中完成的，頻繁的調(diào)節(jié)使紋波分量的頻率增高。如開關(guān)時間2ms，對應(yīng)500Hz的頻率。傅里葉分析可知其諧波頻率會達(dá)到kHz和MHz，成為射頻干擾源。

“紋波”原定義是直流電源中沒有充分濾波的小的脈動輸出分量。紋波系數(shù)γ是電源的紋波電壓有效值Ur與直流分量的平均值Up間的比值。三相全波整流γ為16％。

汽車交流發(fā)電機(jī)紋波電流Ir為下式所定義

足夠大的回路阻抗Zr可以抑制紋波電流。

二、設(shè)計制造過程中影響紋波電流的因素及故障情況

三相定子繞組制造過程不可避免地會產(chǎn)生各相阻抗不均衡，所以輸出電動勢波形也會三相不對稱。繞組不均衡是紋波電流超標(biāo)主因之一。但這時反映在測試臺上，建壓轉(zhuǎn)速（Turnon speed）會明顯下降。各相的整流二極管特性曲線也不可能一致性很好，反向漏電流、管壓降的差異也引起合成波形的畸變。8管整流橋有較高的輸出功率，但紋波明顯高于6管。三相星形定子繞組，11管有中點(diǎn)的整流，可克服三相不對稱。整流電路的不同，輸出的紋波會有較大的差異。9管整流器的發(fā)電機(jī)中有3個正向連接的小功率二極管，用來反饋一小部分電流給轉(zhuǎn)子中的勵磁線圈。

實際現(xiàn)場使用或測試臺上，發(fā)電機(jī)并聯(lián)著蓄電池，蓄電池能起紋波吸收器的作用。如圖1所示，汽車發(fā)電機(jī)內(nèi)部電路并不復(fù)雜。但線路元件間有一系列連接端，若電路中有接觸不良的端子（如表面氧化、腐蝕，壓接不緊），便增大回路的電阻。實際工作中多次發(fā)現(xiàn)過，有的是發(fā)電機(jī)內(nèi)部端子電連接不良，有的是蓄電池正端子被腐蝕，盡管直流電阻還能被測到低數(shù)值，但高頻阻抗（容抗）存在，造成高的紋波電壓。

發(fā)電機(jī)裝在發(fā)動機(jī)上，交流發(fā)電機(jī)功率輸出端應(yīng)該用極小阻值的導(dǎo)線直接接至蓄電池正極，使紋波電壓進(jìn)入蓄電池。絕大多數(shù)汽車電路系統(tǒng)都是負(fù)極搭鐵。從蓄電池負(fù)極到發(fā)動機(jī)，穿越機(jī)身到發(fā)電機(jī)的返回路徑，各連接處都應(yīng)有較小的回路阻抗，才能保證電壓的紋波最低。整個汽車的搭鐵連接線采用銅表面有防氧化鍍覆的扁平編織帶，也是降低紋波電壓的有效措施之一。

過濾紋波電壓常用濾波電容器的辦法，它旁路了紋波電壓，濾波電容器必須盡可能裝在發(fā)電機(jī)輸出端附近。電容器接線要一端接在發(fā)電機(jī)輸出端，另一端搭鐵，接成與電路并聯(lián)。對于國內(nèi)很多對國外發(fā)電機(jī)進(jìn)行來樣仿制的企業(yè)一定要注意，如原樣機(jī)用容量5.6mF的電容器，對你的產(chǎn)品就不一定合適。盡管你的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、輸出特性與原樣機(jī)相近，但繞線嵌線工藝、內(nèi)部布局、二極管調(diào)節(jié)器特性、原材料元器件的差異，會使兩者諧振頻率不同。電容器對直流電壓是開路的（高阻抗），而對諧振頻率電容器是短路的（低阻抗），旁路諧波電流返回發(fā)電機(jī)。以這種方式制成低通濾波器，諧振頻率所針對的電容器容抗和回路感抗應(yīng)該相等，這樣才有最低的回路阻抗，最好的濾波效果。恰當(dāng)容量的電容器正好可以旁路等于或小于該頻率的諧波。假如要過濾射頻干擾（這時作用在天線上），它是高頻電容器，容量在pF范圍。電容器的引線長度，在濾波電路中應(yīng)盡可能做得短。

鐵氧體磁心的感應(yīng)濾波器可用來阻塞紋波。繞在磁心上的繞組在回路上形成一個較大的感抗，直流可以順利通過，卻有效抑制諧波分量，起到濾波作用。雖然鐵氧體線圈有令人驚異的濾波能力，由于體積相對電容為大，交流發(fā)電機(jī)的電壓波紋大都依賴電容器來旁路，裝在發(fā)電機(jī)輸出端。電容器用于高阻抗電路，鐵氧體線圈用于低阻抗電路，為防止射頻干擾，在無線電功率輸入端安裝鐵氧體感應(yīng)濾波器。

如某相繞組匝間或?qū)Υ铊F絕緣不良，某接線端子接觸電阻特大，濾波電容器電容值變異乃至失效，各二極管特性曲線差異過大，調(diào)節(jié)器故障等，均會造成紋波電流值大幅上揚(yáng)。

三、紋波電壓的測量和允許的紋波電流值

生產(chǎn)制造中，汽車發(fā)電機(jī)的紋波和交流電壓可用萬用表的交流檔進(jìn)行測試。將萬用表黑筆可靠搭鐵，紅筆接在發(fā)電機(jī)背后的“BAT”端（不是蓄電池）。好的發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時，其交流值應(yīng)小于0.5V。

電壓值過大表明發(fā)電機(jī)二極管損壞。

一臺正常的汽車發(fā)電機(jī)在測試臺上反映的2500r/min的紋波電流，應(yīng)小于額定的最大輸出電流的20％。若大于20％，表明該發(fā)電機(jī)內(nèi)部有品質(zhì)不良的因素。當(dāng)然，有時也會因測試回路問題在檢測報告中反映紋波電流過大的，這是需要排除的。

這項紋波電流的要求，國外各發(fā)動機(jī)配套廠也互有差異。國際汽車監(jiān)察局（International Automotive Oversight Bureau）的網(wǎng)站中有關(guān)的規(guī)范也只有模糊的規(guī)定，所以還是以各公司內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)要求為準(zhǔn)。

四、結(jié)語

幾年來的實踐使我們認(rèn)識了汽車發(fā)電機(jī)紋波電流的本質(zhì)，掌握了抑制紋波電流的方法，能定量地確定降低紋波電流的電路參數(shù)。應(yīng)密切關(guān)注交流發(fā)電機(jī)的回路阻抗，整流器調(diào)節(jié)器的性能，濾波電容器的各項參數(shù)，使我國出口產(chǎn)品的品質(zhì)穩(wěn)步提高。也期待國內(nèi)同行指正與交流。

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