CN102223129A

CN102223129A - 电励磁双凸极电机可控半波整流发电系统

Info

Publication number: CN102223129A
Application number: CN2011101612232A
Authority: CN
Inventors: 陈志辉; 陈冉; 段晴晴; 毛志鑫; 龚春英; 严仰光
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2011-10-19

Abstract

一种电励磁双凸极电机可控半波整流发电系统，属于特种发电系统。系统由电励磁双凸极发电机、三相可控半波整流电路和发电机控制器构成。所述电励磁双凸极电机定子电枢绕组呈星形接法，绕组接三相可控半波整流电路，整流电路下桥臂器件均为绝缘栅晶体管，上桥臂器件均为二极管。根据绕组中点O与整流电路的不同接法，可将所述整流发电系统拓展为中点连接型和中点浮空型。发电机控制器根据电机转子位置信号、三相电枢电流信号和整流电压信号，产生整流电路和励磁回路的开关器件驱动信号，通过对整流电路和励磁电路的协调控制，实现电励磁双凸极发电系统的可控整流和励磁调压调节。

Description

电励磁双凸极电机可控半波整流发电系统

技术领域

本发明涉及一种电励磁双凸极电机可控半波整流发电系统，属于特种发电系统。

技术背景

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，励磁元件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。根据励磁种类不同，可将双凸极电机分为永磁双凸极电机和电励磁双凸极电机，永磁双凸极电机具有结构简单稳固、绕组端部短、用铜省、功率密度高和效率高等优点，但采用永磁体励磁无法直接改变磁场强度，作为发电机时存在调压和故障灭磁困难，限制了永磁双凸极电机的应用范围。电励磁双凸极电机通过改变励磁绕组电流，可以方便的调节气隙磁场强度从而实现宽范围调压，而且断开励磁电路可以灭磁，实现电机系统故障保护。但由于励磁电感的存在，励磁电流控制回路的响应时间常数较大，在负载变化率较大时，电压调节过程长。

在高功率密度应用场合作为发电机使用时，双凸极电机的反电势一般为不对称方波，在整流环节无法应用传统的可控整流技术(如：空间矢量调制技术SVPWM)，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。不控整流电路是双凸极发电系统的重要组成部分，传统的二极管不控整流电路具有结构简单、造价便宜、可靠性高等诸多优点，但由于发电整流过程中没有功率因数校正环节，在不同性质负载条件下，相电流和相电压波形会产生相移，降低了发电机的功率因数和功率密度，并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。

针对上述问题，本发明力图将可控整流发电模式引入电励磁双凸极电机发电系统，在传统靠励磁调压的电励磁双凸极发电系统基础上，采用可控整流电路，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，提高整个电励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，提出一种电励磁双凸极电机可控半波整流发电系统。

本发明电励磁双凸极电机可控半波整流发电系统的具体构成如下，系统由三大部分构成，分别是电励磁双凸极发电机、三相可控半波整流电路和发电机控制器。所述电励磁双凸极发电机励磁绕组的励磁电流由发电机控制器控制，以调节电机磁场，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。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半波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。与传统励磁调压器不同，发电机控制器不仅可以通过控制励磁电流调节电压，还可通过调节可控半波整流电路开关管的占空比控制发电机的电枢电流和电压。发电机控制器根据所接收的发电机转子位置信号、三相电枢电流信号和整流电压信号，产生整流电路三个可控开关器件的驱动信号和励磁回路开关器件的驱动信号，通过对整流电路和励磁电路的协调控制，实现电励磁双凸极发电系统的可控整流和励磁调压调节。

与现有技术相比，本电励磁双凸极电机可控半波整流发电系统具有如下特点：

(1)新型电路拓扑有效利用电机本身各相电枢绕组电感，形成了独立的斩波电路，在不同性质负载下，可以实现发电机的功率因数校正。

(2)发电机控制器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。

(3)将PWM调制技术引入双凸极整流系统，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。

(4)发电机控制器通过对整流开关管占空比和励磁电流的协调控制，可以同时实现发电机电枢电流控制和励磁调压控制。

附图说明

图1是电励磁双凸极电机可控半波整流发电系统结构示意图。

图2是电励磁双凸极电机三相磁链与电枢电势波形示意图。

图3是电励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是电励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是中点连接型拓扑电路工作状态示意图。

图6是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，ω为转子旋转的电角度。

图3：虚线框1代表电励磁双凸极发电机；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代表电励磁双凸极发电机；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。L_B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

本发明电励磁双凸极电机可控半波整流发电系统，由三大部分构成，分别是电励磁双凸极发电机、三相可控半波整流电路和发电机控制器。如图1所示。

所述电励磁双凸极发电机，其特征在于励磁绕组的励磁电流由发电机控制器控制，以调节电机磁场，实现发电机各相绕组的电压调节。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。由图2可知，对于所述三相电励磁双凸极发电机，相对于中点O，三相绕组的正、负、零电势交替产生。

所述三相可控半波整流电路，其特征在于电路中的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，D₄、D₅、D₆分别为Q₁、Q₂、Q₃的反并二极管，D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆、Q₁、Q₂、Q₃构成了三相可控半波整流电路。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半波整流发电系统拓展为中点连接型和中点浮空型。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半波整流发电拓扑，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半波整流发电系统中，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。以A相为例说明：当双凸极电机A相电势为正，由功率管Q₁、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，电路状态如图5-A。图5-B和图5-C分别示意了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半波整流发电拓扑，如图4。以图6-A为例说明：当双凸极电机A相电势为正，B相电势为负时，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分别示意了B、C相和C、A相同时工作时的发电系统工作状态。

所述发电机控制器，其特征在于，发电机控制器通过对整流管占空比和励磁电流的协调控制，可以同时实现发电机电枢电流控制和励磁调压控制。整流电路中三个绝缘栅晶体管Q₁、Q₂、Q₃的驱动信号由发电机控制器根据所接收的发电机转子位置信号和三相电枢电流信号产生，以调节各相电枢电流的大小，并使双凸极发电机相电流跟踪相电压的相位，实现对双凸极发电机的可控整流和功率因数校正。励磁电路中晶体管Q4的驱动信号由发电机控制器根据所接收的发电机整流电压信号产生，通过Q4的开断，调节励磁电流，控制磁场强度，实现发电系统的电压调节。

双凸极电机可控半波整流发电系统的优点

(1)新型电路拓扑有效利用了电机本身各相电枢绕组电感，形成了独立的斩波电路，在不同性质负载下，均可以实现发电机的功率因数校正。

(2)发电机控制器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与形状，减小电磁转矩的脉动。

(3)将PWM调制技术引入双凸极整流系统，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电容量。

(4)发电机控制器通过对整流管占空比和励磁电流的协调控制，可以实现系统的高效率运行。

(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

1.一种电励磁双凸极电机可控半波整流发电系统，其特征在于，三相定子电枢绕组A、B、C呈星形接法，另一端经三相可控半波整流电路整流输出，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。

2.一种电励磁双凸极电机可控半波整流发电系统，其特征在于，发电机控制量由传统的控制励磁变为同时控制励磁和电枢电流，所述发电机控制器根据所接收的发电机转子位置信号、三相电枢电流信号和整流电压信号，产生整流电路三个可控开关器件的驱动信号和励磁回路开关器件的驱动信号，通过对整流电路和励磁电路的协调控制，实现电励磁双凸极发电系统的可控整流和励磁调压调节。

3.一种电励磁双凸极电机可控半波整流发电系统，其特征在于，双凸极电机可控半波整流发电拓扑可视为由多个独立的斩波电路并联形成的整流系统，适用于三相和多相电励磁双凸极发电系统。