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1、 1 引言纵观近几年, 我们惊讶地发现电动自行车正以突飞猛进地速度进入自行车市场, 成为人们重要的代步工具。人们对环境和能源的关注以及相关重要技术的革新, 有力地促进了电动自行车的发展。我国电动车的研究相比欧美国家起步较晚。直到上个世纪9 0 年代中期, 我国才掀起开发研究的高潮, 主要集中在上海、 北京、 广东等地, 到9 0 年代后期基本覆盖全国主要经济发达地区如江苏、浙江、山东等省。虽然我国电动车研究起步晚, 但从技术的角度, 我们并落后于世界。我国电动自行车产业基本保持与世界同步发展。2 电动自行车关键技术的研究现状电动车核心技术包括三个方面：电机与传动、控制器与控制技术、电池等,涉及
2、电气、电力电子、控制、机械等多学科。目前, 我国对电动自行车的研究已经进入实用阶段, 具有相对成熟的技术, 可靠的驱动和控制,以及高比能量的电池。2 . 1 电机与传动目前我国电动自行车所使用的电机一般为直流电机, 它具有体积小, 效率高, 调速性能优良等特点；而电机的结构一般以轮毂式居多。传统的直流电机内部有碳刷和换向器, 故称之为有刷直流电机。它应用技术成熟, 高速范围宽, 构成的控制系统简单, 成本相对较低, 过载能点强, 因为通过机械换向, 故不需要位置传感器。无刷直流电机内部没有电刷( 碳刷) 和换向器, 其转子一般由永磁体构成, 这样构成的永磁无刷直流电机因其转子没有励磁损耗, 效
3、率较高, 得到了广泛的应用。由于永磁无刷直流电机通过电子换相取代机械换相, 从根本上消除了机械换相带来的机械磨损等不良影响, 因而大大地提高了电机运行的可靠性和效率。但是无刷直流电机的换相需要控制器根据反馈过来的电机转子的位置信息给出正确的控制信号,所以控制系统相对较为复杂, 成本稍高。随着永磁无刷直流电机的性价比不断提高, 其应用将日趋广泛。另外直流电机还有有齿和无齿之分, 表1 概括了常见电动自行车电机的特点。根据有无位置传感器, 无刷直流电机又可分为有位置传感器无刷直流电机和无位置传感器无刷直流电机。有位置传感器无刷直流电机所使用的位置传感器主要有光电传感器和霍尔传感器两种, 其中以霍尔
4、传感器应用较多。位置传感器的存在客观上增加了电机的体积和成本, 同时给电动自行车增加了一个故障源, 在应用上带来了很多的不足与不便。针对位置传感器的不利因素, 近一二十年来出现了无位置传感器的无刷直流电机, 并越来越得到人们的重视和研究, 相继出现了很多种电机转子位置信号检测的方法, 其中较为成熟的有：反电动势法、 续流二极管法、 电感法和状态观测器法等；其中以反电动势法应用较多。电机及其传动技术是电动自行车的心脏,其性能、质量、成本、可靠性等对电动自行车整车影响很大。表2 列出了目前国内外电动自行车制造厂家选用的传动技术及特点。我国电动自行车以轮毂式传动最为常见。2 . 2 控制器及控制技术
5、控制器是电动自行车的大脑, 其主要作用是控制电机转速、提高电机效率以及在一定的情况下保护电机和电池。无刷直流电机的控制器目前有三大类:一是采用专用集成电路制作的控制器；一是采用通用单片机制作；一是采用专用数字信号处理器( D S P ) 制作。以专用集成电路制作控制器,技术成熟, 这类芯片以安森美公司的 M C 3 3 0 3 5 、M C 3 3 0 3 3 、三洋公司的 L B 1 1 8 2 0为代表。此类芯片集位置检测、译码、过流、过热、欠压、正反转选择等功能于一身, 系统集成度较高, 保护电路动作快, 有配套的其他集成电路, 使用方便。以通用单片机制作控制器, 机动灵活, 容易进行功
6、能扩展, 目前应用较多, 以 A T M E L公司的89C2051和微芯公司的 PIC16C54、P I C 1 6 C 7 2 A 为典型代表。但单片机处理能力有限, 特别是需要处理的数据量大、 实时性和精度要求高时, 单片机往往不能满足要求。 目前应用D S P 制作无刷直流电机控制器是种趋势, 研究和应用也日趋广泛。D S P 对输入输出数据能进行高速处理, 且提供了高度专业化的指令集, 使得它在控制器的规则实施、矢量控制和矩阵方面具有极大优势, 同时可以完成一些较复杂的控制功能, 如电压电流双闭环控制、 转子电流正弦波驱动等。D S P芯片很多, 以 T I公司的 T M S3 2
7、0 C 2 4系列和 A D公司的 A D M C系列最为典型。它们都是将电机控制所需的外围功能电路集成在一个D S P 芯片内, 具有体积小、结构紧凑、易于使用、可靠性高等特点。有刷直流电机由于采用机械换向, 不需要位置传感器反馈电机位置信息, 所以控制器相对简单, 价格也相对便宜。有刷直流电机控制器主要由专用集成芯片制作,如 TM339、T L 4 9 4等。在控制器的基础上采用什么样的控制技术也非常重要。对于直流电机,基本都是采用P W M技术通过控制电机端电压来控制电机转速。一般情况下, 在要求不高时采用开环调速控制；而对于动态性能要求较高的负载, 可采用转速、电流双闭环调速控制系统。
8、目前我国电动自行车大多直接采用开环控制, 结构简单, 可靠性高, 成本低。2 . 3 电池电池是电动自行车的动力之源, 在电动自行车中占有极其重要的地位, 电池质量好坏直接影响电动自行车的行驶里程和使用寿命。目前电动自行车使用的车载电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂电池等。铅酸电池的比能量一般为 3 04 0 W h / k g ,能量密度为6 09 0 W h / l , 循环寿命4 0 0 6 0 0 次, 完全充电要6 h 左右。铅酸电池具有技术成熟, 成本低, 价格便宜等优点, 同时相对其它电池比功率较高, 不足的是比能量较低。目前铅酸电池被广泛使用。镍镉电池的比能量一般为 4 0
9、6 0 W h / k g ,能量密度为8 01 1 0 W h / l , 循环寿命6 0 0 1 2 0 0次。相比铅酸电池, 镍镉电池比能量较高, 充放电性能较好, 循环寿命较长, 但它价格偏高, 且旧电池若得不到回收会因重金属镉引起严重的环境污染。目前我国镍镉电池生产量仍较大。镍氢电池比能量为6 07 0 W h / k g , 能量密度为1 3 01 7 0 W h / l , 循环寿命为6 0 01 2 0 0 次。镍氢电池除技术不如镍镉电池成熟外, 其它性能均优于镍镉电池, 而且镍氢电池没有重金属污染的危险。目前镍氢电池大有逐渐取代镍镉我国电动自行车的研究现状和发展展望陈军 包建
10、华 齐美星（徐州师范大学电气工程及自动化学院 徐州 2 2 1 0 0 9 ）摘 要：近年来，电动自行车以其环保、节能、快捷的特点正逐渐走进普通消费者的生活中。社会对环境和节能的重视有力地促进了电动车的发展。本文首先综述了目前我国电动自行车的现状，然后重点阐述了目前电动自行车关键技术的研究现状，最后展望了电动自行车未来的发展前景。关键词：电动自行车 无刷直流电机 控制器 燃料电池 由于煤矿是井下生产, 一般距地面几十至几百米深处, 特别是老矿区, 采掘工作面离井底车场距离远, 供电距离长。如何安全用电、节约用电、提高线路的功率因数是安全用电、节约用电的一种重要途径。1 煤矿供电线路现状煤矿生产
11、的负荷7 0 在井下, 其供电过程:由地面变电所向地面绞车、主扇、选煤运输、压风等设备及井下中央变电所供电, 井下中央变电所向各采区变电所供电, 采变向各采、掘、运、电气供电。矿区地面变电所装设电容器组, 提高线路功率因数, 这种提高线路功率因数的方法, 管理集中、操作方便, 但在矿区同一有功负荷分量的情况下, 只是把矿区各感性支路与总供电线路的电源间的无功电流振荡变为与地面变电所的电容器间无功电流间振荡而己, 它提高的是向矿区供电的( 地面变电所) 上一级供电线路的功率因数, 地面变电所以下各感性支路的功率因数并未提高, 用电质量未改变。 由于矿区负荷9 0 左右都是感性负载, 各支路功率因
12、数过低, 存在以下危害:( 1 ) 各支路变压器的容量不能充分利用。 在变压器视在功率S 一定条件下, 由有功率P = S c o s 知: 功率因数c o s 较小, 变压器所提供的有功功率P 较小, 无功功率Q = S 2 p 2 较大。( 2 ) 各支线路的功率损失较大。 由流过输电线路的总电流I = I 有C O S 知, 当线路的电压和机械负荷不变时, 电流的有功分量就是一个常数。因此, 功率因数越小, 输电线路总电流必然增加, 输电线路功率损耗P = 3 1 . R 大大增加,( R 为一相输电线阻) 。( 3 ) 各支输电线路的电压损失也较大。 功率因数低时, 在输送同样有功电流
13、的情况下, 流过输电线的实际电流较大, 使变压器、 配电线路电压损失也大, 造成用电器端电压下降, 使用电设备, 尤其对异步电动机的运行和起动带来不良后果。2 高线路功率因数原则和方法( 1 ) 正确选择与合理地使用电动机, 使其经常在满载或接近满载的情况下运行。由图1 知:电动机的效率、功率因数、转矩、转速与负载的关系曲线可看出: 当电动机的负载逐渐增大时, 功率因数也逐渐增大。( 2 ) 对于轻负载的异步电动机, 可降低电压运行。对于负载率经常小于3 5 一4 0 的异步电动机, 可采用电动机外部或内部改接线的方法实现降压运行。( 3 ) 采用有补偿线路电容电流的开关控制异步电机。( 4
14、) 合理地调节负荷, 避免变压器空载和轻载运行。对负荷率小于3 0 % 的变压器用适当的小容量的变压器进行替换。( 5 ) 采用同容量的同步电动机代替异步电动机, 使同步电动机在过励磁条件下运行, 利用其浅谈煤矿供电线路提高功率因数的途径王宪国( 七煤集团电力公司 1 5 4 6 0 0 )摘 要: 本文浅谈煤矿供电线路提高功率因数的途径。关键词: 煤矿供电线路功率因数容性电流来补偿电网中的感性电流。( 6 ) 可用鼠笼型异步电动机的地方, 应尽量不用绕线型异步电动机, 因同容量、 同转数鼠笼型异步电动机绕线异步电动机功率因数高5 ,效率高3 左右。( 7 ) 提高电动机和变压器的检修质量。电
15、动机功率因数的高低常常与绕组每相线圈的匝数、接线方法、空气隙大小有关。变压器硅钢片间应有良好的绝缘, 铁芯迭片间隙不能太大, 对于多根导线并绕的变压器应注意换位,使并联导线之间不产生平衡电流及由它引起的附加损耗。 以变电所集中补偿为辅是指: 在各具体电气单元补偿电容电流后, 整个矿区功率因数还需提高状态下, 变电所装设电容器提高总线路的功率因数。方法如下:采用电容器组提高功率因数。单相电路并联电容的补偿经计算可得; 三相电路并联电容的补偿, 因三相电路是由三个单相电路构成的, 因此把式( 1 ) 中的各参数换面三相电路相应的参数即可。 在电容器容量己定的情况下, 每相所需电容器的个数n = N
16、 3 , 取接近于而大于此值的整数。三相电路补偿电容器的张路原理: 电容器分三相安装, 其接线一般采用三角形,因三角形接法为采用星形接线时的容量的3 倍。如果电容器的额定电压低于电网电压时, 应作星形连接。3 结语在煤矿供电系统中, 提高供电系统是最末端负荷功率因数, 是节约电能、 提高供电质量的最有效的一种方法。视具体电器、采用不同的方法对无功功率进行补偿, 是安全用电、 节约用电的一种有效途径。图 1电池之势。锂电池已经具备优良的车载电池的性能。它最大的特点是比能量高, 可达 1 5 0 W h / k g ；比功率可达 5 0 0 W / k g ；不足的地方就是目前价格还较高, 充放电
17、性能相对较差。目前国内一些研究机构正在积极研究新型车载电池, 如燃料电池、太阳能电池等。燃料电池是一种以氢气为燃料利用电化学反应而直接将化学能转变为电能的装置, 其主要特点是效率高、无噪音、零排放或极少排放、燃料添加快、寿命长、安全性好等。目前燃料电池主要有如下几种：碱性燃料电池、直接氧化甲醇电池、熔融碳酸盐电解质燃料电池、质子交换膜燃料电池等；其中以质子交换膜燃料电池性能最佳, 研究最多。另外太阳能电池在电动自行车的应用也受到了人们的重视,具有良好的应用前景。3 发展展望在我国有将近6 亿人以自行车代步, 自行车市场非常大。随着我国城市规模的迅速扩大及农村道路的日益改善, 长期依靠脚踏自行车
18、的人们将会把目标转向电动自行车, 对电动自行车的需求也会越来越大。据统计, 1 9 9 8 年我国电动自行车的产量仅为5 . 5 千万辆, 之后每年以7 0 % 3 0 0 % 的速度增长, 差不多每年增加一倍。具体数据见表3 。在电气技术、电力电子技术、新材料、控制技术等不断发展的情况下, 在电池性能不断提高的情况下, 可以预见, 未来十年二十年,电动自行车市场份额仍将以较高的速度增长。4 结语环保和节能是电动自行车发展的基础和保证, 方便和快捷是电动自行车发展的优势和动力。本文简要介绍了我国目前电动自行车的研究现状,重点讨论了电动自行车的关键技术。可以预见, 在电机、控制器及电池等重要部件
19、性能不断提高的情况下, 电动自行车必将逐步成为工薪阶层普通百姓日常生活和工作的代步工具。参考文献 1 陈清. 电动车的现状和趋势 J . 机械制造与研究, 2 0 0 3 ( 1 ) : 1 - 4 , 1 9 . 2 宋海龙, 杨明, 范宇等. 无刷直流电动机的无位置传感器控制. 2 0 0 2 , 6 ( 3 ) : 2 0 8 - 2 1 2 . 3 张天星, 张慧玲. 电动自行车电器原理与维修 M . 成都: 电子科技术大学出版社, 2 0 0 6 . 4 曹建平. 电动自行车调速控制电路的研究 J .电子工程师, 2 0 0 0 ( 1 ) : 3 2 - 3 4 . 5 胡宝兴. 基于D S P 的电动自行车用无刷直流电机控制系统的研究 D . 浙江工业大学,2 0 0 5 .
