CN102158163A

CN102158163A - 永磁双凸极电机可控整流发电系统

Info

Publication number: CN102158163A
Application number: CN2011100628731A
Authority: CN
Inventors: 陈冉; 陈志辉; 龚春英; 段晴晴; 毛志鑫; 严仰光
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2011-08-17

Abstract

一种永磁双凸极电机可控整流发电系统，属于特种发电系统。该发电系统由三大部分构成，分别是永磁双凸极发电机、三相半波可控整流电路和整流控制器。所述系统的发电机三相定子电枢绕组呈星形接法，绕组中点为O。定子电枢绕组A、B、C的另一端分别经三相可控半波整流电路整流输出，可控半波整流电路的下桥臂均为绝缘栅晶体管，上桥臂均为二极管。根据绕组中点O与整流电路的不同接法，可将所述双凸极电机可控整流发电系统拓展为中点连接型和中点浮空型。整流控制器根据发电机转子位置、电枢电流和整流电压信号，在各相绕组电势为正时发出对应绝缘栅晶体管的驱动信号，使相电流跟踪相电压波形，实现整流电路对双凸极发电机的整流和功率因数校正。

Description

永磁双凸极电机可控整流发电系统

技术领域

本发明涉及一种永磁双凸极电机可控整流发电系统，属于特种发电系统。

技术背景

永磁双凸极电机属于一种变磁阻电机，其定子、转子均为凸极结构，由硅钢片叠制而成，结构简单，永磁体和电枢绕组均位于定子侧，转子上没有绕组，电机可靠性高，功率密度高。作为发电机使用时，设计人员通过对绕组摆放方式和转子斜槽等设计，降低电机转矩脉动，并使双凸极发电机具有正弦电势，在整流环节可以应用传统的可控整流技术(如：空间矢量调制技术SVPWM)。但是上述设计会使双凸极电机的功率密度下降，效率降低，同时在高功率密度应用场合，电机设计还需要考虑到电枢反应对电势波形的影响，所以在设计高功率密度的双凸极发电机时需要做折中设计，这就使得永磁双凸极电机的电势无法保证是正弦波。双凸极发电系统发电时一般外接由二极管组成的不控整流电路和滤波器，作为直流发电机使用，其中不控整流电路是双凸极发电系统的重要组成部分。整个系统具有结构简单、造价便宜、可靠性高等诸多优点。

典型的双凸极电机多用于直流发电系统，整流方式较为单一。同时传统的不控整流电路没有功率因数校正功能，在不同性质负载条件下，发电机电枢的相电流和相电压产生相移，降低了发电机的功率因数和功率密度，同时二极管整流电路将低次谐波引入发电机绕组，加重了电枢反应，且输出直流电压的最低次谐波频率较低，直接导致直流侧滤波器体积大。因此本发明力图寻求将可控整流发电模式引入永磁双凸极电机发电系统，实现整流环节对发电机的功率因数校正，以调节发电机功率因数，提高电机功率密度，削弱电枢电流的波形畸变，减小直流侧滤波器体积，提高整个永磁双凸极发电机系统的效率。

发明内容：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种双凸极电机可控整流发电系统。

本发明的双凸极电机可控整流发电系统的具体构成如下，系统由三大部分构成，分别是永磁双凸极发电机、三相可控半波整流电路和整流控制器。所述永磁双凸极发电系统的双凸极发电机三相定子电枢绕组A、B、C呈星形接法，即A相绕组的一端分别接B相绕组的一端和C相绕组的一端，构成三相绕组的中点O。三相定子电枢绕组A、B、C的另一端分别经三相可控半波整流电路整流输出，三相可控半波整流电路的下桥臂均为绝缘栅晶体管，上桥臂均为二极管元件。根据三相绕组的中点O与整流电路的不同接法，可将所述双凸极电机可控整流发电系统拓展为中点连接型和中点浮空型，分别如图3和图4。整流控制器根据所接收的发电机转子位置信号、三相电枢电流和整流电压信号，产生整流电路三个可控开关器件的驱动信号，以实现整流电路对双凸极发电机的整流和功率因数校正。

与现有技术相比，所述双凸极电机可控整流发电系统具有如下特点：

(1)有效利用电机本身电枢电感，在无直流环节电感的情况下，实现了直流环节的调压。

(2)对于各相电枢绕组，均形成了独立的功率因数校正电路，在不同性质负载下，可以有效提高发电机的功率因数。

(3)可以通过控制整流电路开关器件的占空比，调节各相电枢电流大小，抑制各相电枢电流的波形畸变，减小发电机阻转矩脉动。

(4)引入了PWM调制技术，提高整流电路输出直流电压的最低次谐波频率，可以减小直流侧滤波器的容量。

附图说明

图1是永磁双凸极电机可控全桥整流发电系统结构示意图。

图2是永磁双凸极电机三相磁链与电枢电势波形示意图。

图3是永磁双凸极电机可控半波整流发电系统中点连接型拓扑结构示意图。

图4是永磁双凸极电机可控半波整流发电系统中点浮空型拓扑结构示意图。

图5是整流发电系统中点连接型拓扑电路工作状态示意图。

图6是整流发电系统中点浮空型拓扑电路工作状态示意图。

上述图中标号名称：

图1：虚线框1代表永磁双凸极发电机；虚线框2代表三相可控半波整流电路；虚线框3代表整流控制器；L_A、L_B、L_C分别代表双凸极发电机A、B、C相的电枢绕组电感；E_A、E_B、E_C分别代表双凸极发电机A、B、C相电枢绕组的电势；点O为双凸极发电机A、B、C相的电枢绕组星形接法的公共端；Q_F1、Q_F2、Q_F3、Q_F4、Q_F5、Q_F6分别为全桥整流电路六个桥臂上的绝缘栅晶体管；C为三相整流可控整流电路直流侧滤波电容。

图2：Ψ_A、Ψ_B、Ψ_C分别代表双凸极发电机A、B、C相的磁链波形，E_A、E_B、E_C分别代表双凸极发电机A、B、C相的电势波形。ωt为转子旋转的电角度。

图3：虚线框1代表永磁双凸极发电机；虚线框2代表三相整流可控半波整流电路；虚线框3代表整流控制器；L_A、L_B、L_C分别代表双凸极发电机A、B、C相的电枢绕组电感；E_A、E_B、E_C分别代表双凸极发电机A、B、C相电枢绕组的电势；点O为双凸极发电机A、B、C相的电枢绕组星形接法的公共端；D₁、D₂、D₃分别为三相整流可控半波整流电路三个上桥臂的功率二极管；Q₁、Q₂、Q₃分别为三相整流可控整流电路三个下桥臂的绝缘栅晶体管；C为三相整流可控整流电路直流侧滤波电容。图中三相绕组中点O分别与绝缘栅晶体管Q₁、Q₂、Q₃的发射极相连。

图4：虚线框1代表永磁双凸极发电机；虚线框2代表三相整流可控半波整流电路；虚线框3代表整流控制器；L_A、L_B、L_C分别代表双凸极发电机A、B、C相的电枢绕组电感；E_A、E_B、E_C分别代表双凸极发电机A、B、C相电枢绕组的电势；点O为双凸极发电机A、B、C相的电枢绕组星形接法的公共端；D₁、D₂、D₃分别为三相整流可控半波整流电路三个上桥臂的功率二极管；Q₁、Q₂、Q₃分别为三相整流可控整流电路三个下桥臂的绝缘栅晶体管；C为三相整流可控整流电路直流侧滤波电容。图中三相绕组中点O浮空。

图5：(A)-A相电势为正时的整流拓扑工作状态。L_A代表双凸极发电机A相的电枢绕组电感；E_A代表双凸极发电机A相电枢绕组的电势；D₁为整流电路的功率二极管；Q₁为整流电路的绝缘栅晶体管；

(B)-B相电势为正时的整流拓扑工作状态。LB代表双凸极发电机B相的电枢绕组电感；E_B代表双凸极发电机B相电枢绕组的电势；D₂为整流电路的功率二极管；Q₂为整流电路的绝缘栅晶体管；

(C)-C相电势为正时的整流拓扑工作状态。L_C代表双凸极发电机C相的电枢绕组电感；E_C代表双凸极发电机C相电枢绕组的电势；D₃为整流电路的功率二极管；Q₃为整流电路的绝缘栅晶体管；C为三相整流可控整流电路直流侧滤波电容。

图6：(A)-A相电势为正、B相电势为负时的整流拓扑工作状态。L_A、L_B分别代表双凸极发电机A、B相的电枢绕组电感；E_A、E_B代表双凸极发电机A、B相电枢绕组的电势；D₁为整流电路的功率二极管；Q₁、Q₂为整流电路的绝缘栅晶体管；

(B)-B相电势为正、C相电势为负时的整流拓扑工作状态。L_B、L_C分别代表双凸极发电机B、C相的电枢绕组电感；E_B、E_C代表双凸极发电机B、C相电枢绕组的电势；D₂为整流电路的功率二极管；Q₂、Q₃为整流电路的绝缘栅晶体管；

(C)-C相电势为正、A相电势为负时的整流拓扑工作状态。L_C、L_A分别代表双凸极发电机C、A相的电枢绕组电感；E_C、E_A代表双凸极发电机C、A相电枢绕组的电势；D₃为整流电路的功率二极管；Q₃、Q₁为整流电路的绝缘栅晶体管；

具体实施方式

本发明双凸极电机可控整流发电系统，根据三相绕组的中点O与整流电路的不同接法，可将所述双凸极电机可控整流发电系统拓展为中点连接型和中点浮空型，分别如图3和图4。其特征在于该系统的两种拓扑均由三大部分构成，分别是虚线框1永磁双凸极发电机、虚线框2三相可控半波整流电路和虚线框3整流控制器。

所述发电系统的永磁双凸极发电机的三相定子电枢绕组A、B、C呈星形接法，即A相绕组的一端分别接B相绕组的一端和C相绕组的一端，构成三相绕组的中点O。D₁、D₂、D₃分别为整流电路三个上桥臂的功率二极管，Q₁、Q₂、Q₃分别为整流电路三个下桥臂的绝缘栅晶体管，D₁、D₂、D₃、Q₁、Q₂、Q₃构成了三相可控半波整流电路。定子电枢绕组A的另一端分别接功率二极管D1阳极、绝缘栅晶体管Q₁集电极，电枢绕组B的另一端分别接功率二极管D₂阳极、绝缘栅晶体管Q₂集电极，电枢绕组C的另一端分别接功率二极管D₃阳极、绝缘栅晶体管Q₃集电极，在中点连接型双凸极电机可控整流发电系统中，三相绕组中点O分别与绝缘栅晶体管Q₁、Q₂、Q₃的发射极相连，如图3。在中点浮空型双凸极电机可控整流发电系统中，三相绕组中点O浮空，如图4。整流电路三个绝缘栅晶体管Q₁、Q₂、Q₃的驱动信号由整流控制器根据所接收的发电机转子位置信号、三相电枢电流和整流电压信号产生，分别在绕组电势为正的区间内发出对应可控开关器件的驱动信号，以调节该相电枢电流的大小，使双凸极发电机相电流跟踪相电压的相位，实现对永磁双凸极发电机的整流和功率因数校正。

双凸极电机可控整流发电系统的工作原理

正弦波发电整流系统发电机电枢的三相电势为正弦波，SVPWM等传统的控制策略适用于整流环节，系统结构较为成熟，如图1。而发电机电枢电势为非正弦波时，传统的可控整流控制策略将不适用。本发明避开传统桥式整流的概念，提出了一种三相可控半波整流发电系统。

由图2可知，对于所述三相永磁双凸极发电机，相对于公共端O，三相绕组的正、负电势交替产生。当三相绕组中点O分别与绝缘栅晶体管Q₁、Q₂、Q₃的发射极相连时，构成中点连接型可控整流发电拓扑，以A相为例说明：当双凸极电机处于滑出段发电方式时，A相电势为正，由功率管Q₁、储能电感L_A、升压二极管D₁和与其他两相共用的滤波电容C构成一个boost升压电路拓扑，形成一个boost升压电路拓扑，电路状态如图5-A。图5-B和图5-C的黑实线分别表示了B、C相电势为正时，发电系统的工作状态。

当三相绕组中点O浮空时，构成中点浮空型可控整流发电拓扑，以图6-A为例说明：当双凸极电机处于滑出段发电方式时，A相电势为正，B相电势为负，功率管Q₁、A相绕组电感L_A及B相绕组电感L_B串联而成的储能电感、升压二极管D₁、Q₂的续流二极管和与其他两相共用的滤波电容C构成一个boost升压电路拓扑。A相和B相共同向负载提供能量。图6-B和图6-C中的黑实线分别表示了B、C相和C、A相同时工作时的发电系统工作状态。

本发明双凸极电机可控整流发电系统整流电路部分可视为由三个独立的boost电路并联形成的电路。在一个电周期内，随着转子位置的不同，各相电枢绕组依次产生反电动势E_A、E_B、E_C。由boost电路特性可知，当双凸极发电机导通相绕组电流断续时，电枢绕组电流相位自动跟踪导通相电势相位，能够实现对导通相的功率因数校正；当双凸极发电机导通相绕组电流连续时，电枢绕组电流I_A＝e*T*D*(1-D)/(2*L)，e是导通相的电势E_A、E_B、E_C，T是开关管的工作周期，D为开关管驱动的占空比，L为对应的电枢绕组电感L_A、L_B、L_C。通过控制电流波形的幅值和相位，实现对导通相的功率因数校正，同时提高发电系统的功率密度。同时当输出电流I_O连续时，U_O＝e/(1-D)，e是导通相的电势E_A、E_B、E_C，这样通过整流控制器的闭环调节，实现输出电压U_O的稳定。

双凸极电机可控整流发电系统的优点

(1)有效利用电机本身电枢电感，在无直流环节电感的情况下，实现了直流环节的调压升压。

(5)适用于风力发电系统等，对电机功率密度要求较高的场合。

Claims

1.一种永磁双凸极电机可控整流发电系统，其特征在于，在永磁双凸极电机可控半波整流发电拓扑中，所述发电系统的永磁双凸极发电机的三相定子电枢绕组A、B、C呈星形接法，即A相绕组的一端分别接B相绕组的一端和C相绕组的一端，构成三相绕组的中点O。D₁、D₂、D₃分别为三相可控半波整流电路三个上桥臂的功率二极管，Q₁、Q₂、Q₃分别为三相可控半波整流电路三个下桥臂的绝缘栅晶体管，D₁、D₂、D₃、Q₁、Q₂、Q₃构成了三相可控半波整流电路，定子电枢绕组A的另一端分别接功率二极管D₁阳极、绝缘栅晶体管Q₁集电极，电枢绕组B的另一端分别接功率二极管D₂阳极、绝缘栅晶体管Q₂集电极，电枢绕组C的另一端分别接功率二极管D₃阳极、绝缘栅晶体管Q₃集电极，整流控制器根据所接收的发电机转子位置信号、三相电枢电流和整流电压信号，产生整流电路三个可控开关器件的驱动信号。

2.一种永磁双凸极电机可控整流发电系统，其特征在于，根据三相绕组的中点O与整流电路的不同接法，可将所述双凸极电机可控整流发电系统拓展为中点连接型和中点浮空型。

3.一种永磁双凸极电机可控整流发电系统的中点连接型可控整流发电拓扑，其特征在于，三相绕组中点O分别与绝缘栅晶体管Q₁、Q₂、Q₃的发射极相连，当双凸极电机处于滑出段发电方式时，A相电势为正，由功率管Q₁、储能电感L_A、升压二极管D₁和与其他两相共用的滤波电容C构成一个boost升压电路拓扑，B、C相工作时的发电系统工作状态与A相相同。

4.一种永磁双凸极电机可控整流发电系统的中点浮空型可控整流发电拓扑，其特征在于，双凸极电机处于滑出段发电方式时，当A相电势为正，B相电势为负，功率管Q₁、A相绕组电感L_A及B相绕组电感L_B串联而成的储能电感、升压二极管D₁、Q₂的续流二极管和与其他两相共用的滤波电容C构成一个boost升压电路拓扑，A相和B相共同向负载提供能量，B、C相和C、A相同时工作时的发电系统工作状态与A、B相同时工作时相同。

5.一种永磁双凸极电机可控整流发电系统，其特征在于，整个永磁双凸极电机可控半波整流发电拓扑可视为由三个独立的、具有功率因数校正功能的boost电路并联形成的整流系统。

6.一种永磁双凸极电机可控整流发电系统，其特征在于，可控半波整流电路中，各相电枢绕组所连接的开关元件在对应相电势为正值时斩波，以实现整流电路对双凸极发电机的整流和功率因数校正，适用于三相和多相永磁双凸极发电系统。