CN102611269B - 一种基于新能源供电的开关磁阻电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于新能源供电的开关磁阻电动机，包括：一新能源电池、一能量存储器、一逆阻二极管、一主续流二极管、两个开关和n个绕制于定子凸极上的绕组；绕组的一端与第一开关的另一端和主续流二极管的阴极相连，绕组的另一端连接有开关管和子续流二极管。本发明通过一套功率变换器可以实现新能源电池、能量存储器和电机之间的能量转换；新能源电池在给电机供电的同时亦能给能量存储器充电，在新能源电池输出能量较弱的情况下利用电机的自身绕组可以实现其给能量存储器充电，实现能量的充分利用；同时本发明功率变换器中开关器件少，能够提高系统整体的能量转换效率。

Description

一种基于新能源供电的开关磁阻电动机
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及一种基于新能源供电的开关磁阻电动机。
背景技术
电动机是将电能转化为机械能的装置，根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机，开关磁阻电动机(SRM)即为一种采用直流供电的新型电动机。开关磁阻电动机系双凸极可变磁阻电动机，其定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成，转子上既无绕组也无永磁体，定子凸极上绕有绕组。SRM可以设计成多种不同相数结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配。图1所示了四相8/6结构SRM及其功率变换器连接示意图，图中只画出A相绕组及其供电电路。
SRM的运行遵循“磁阻最小原理”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，使转子铁心在移动到磁阻最小位置时，转子的主轴线与磁场的轴线重合。如图1所示，当标有1-1’的转子极对的中心线和A-A’相定子极对的中心线重合时，转子极对1-1’处于磁阻最小位置，此时A相绕组电感是最大的。当给B-B’相通电时，转子极对2-2’根据“磁阻最小原理”就会产生逆时针方向的转矩，依次给A-B-C-D相绕组通电，SRM就可以实现逆时针方向转动；同理，如果依次给A-D-C-B相绕组通电，那么SRM就可以实现顺时针方向转动。由此可见，SRM的转向取决于相绕组通电的顺序，而与相绕组的电流方向无关。
目前，利用新能源供电的电动机系统包括新能源电池、蓄电池和电动机，这三者之间的功率转换应用越来越频繁，因此实现功率的转换便需要相应的功率变换器，然而目前对于这三者之间的功率转换需要多个功率变换器，例如新能源电池-电动机的功率变换器，新能源电池-蓄电池的功率变换器以及蓄电池-电动机的功率变换器。
一种现有以光伏电池作为输入电源的带蓄电池可调度式电动机如图2所示，光伏电池或蓄电池通过三相逆变器给电动机供电，光伏电池再通过一个直流变换器给蓄电池充电。
在上述系统中需要一个光伏电池给蓄电池充电的直流变换器，同时还需要一个三相逆变器，整个系统需要两套功率变换器以及数量众多的开关管，成本比较高，开关损耗比较大，总的转换效率也不是很高，三相逆变器中存在同一个支路中上下两个开关管直通的故障问题。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种基于新能源供电的开关磁阻电动机，只需通过一套功率变换器即能实现新能源电池、能量存储器和电机三者之间的能量转换。
一种基于新能源供电的开关磁阻电动机，包括：一新能源电池、一能量存储器、一逆阻二极管、一主续流二极管、两个开关和n个绕制于定子凸极上的绕组，n为开关磁阻电动机的相数；其中：所述的新能源电池的正极与逆阻二极管的阳极相连，逆阻二极管的阴极与第一开关的一端和第二开关的一端相连；
所述的绕组的一端与第一开关的另一端和主续流二极管的阴极相连，绕组的另一端连接有开关管和子续流二极管；
所述的子续流二极管的阳极与开关管的漏极和绕组的另一端相连，子续流二极管的阴极与第二开关的另一端和能量存储器的正极相连，开关管的源极与主续流二极管的阳极、能量存储器的负极和新能源电池的负极相连，开关管的栅极接收外部设备提供的开关信号。
新能源电池是一种直接把可再生能源(如核能、太阳能、风能、生物质能、地热能等)转化成电能的装置，优选地，所述的新能源电池为光伏电池；相对于其他新能源电池，其不受环境限制，使用方便。
优选地，所述的开关采用开关管；可以通过控制器实现智能控制。
优选地，所述的逆阻二极管的阴极连接有电容，所述的电容的另一端与新能源电池的负极相连；能够实现新能源电池输出功率的解耦，可以让后级电路减少对新能源电池工作点的影响。
能量存储器是一种用于存储电能的装置(如蓄电池、超级电容等)，优选地，所述的能量存储器为蓄电池；其具有较高的能量存储密度，且价格便宜，具有普适性。
本发明的工作原理为：
当第一开关闭合，第二开关关断时，新能源电池输出的电能通过开关管顺序导通给电机输送能量，电机绕组中的剩余能量可以通过续流二极管给能量存储器充电；当新能源电池输出的能量较弱不能带动电机时，利用电机中的绕组作为电感构成升压电路使其给能量存储器充电；当第一开关关断，第二开关闭合时，能量存储器单独给电机供电。
本发明通过一套功率变换器可以实现新能源电池、能量存储器和电机之间的能量转换；新能源电池在给电机供电的同时亦能给能量存储器充电，在新能源电池输出能量较弱的情况下利用电机的自身绕组可以实现其给能量存储器充电，实现能量的充分利用；同时本发明功率变换器中开关器件少，能够提高系统整体的能量转换效率，且开关器件之间无传统逆变器上下直通的危险隐患。
附图说明
图1为开关磁阻电动机的电路结构示意图。
图2为现有以光伏电池供电带蓄电池可调度式电动机的电路结构示意图。
图3为本发明开关磁阻电动机的电路结构示意图。
图4(a)为光伏电池向电机输送能量的电路原理示意图。
图4(b)为电机绕组向蓄电池释放能量的电路原理示意图。
图4(c)为电机绕组自然续流电路原理示意图。
图4(d)为蓄电池向电机输送能量的电路原理示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。
如图3所示，一种基于新能源供电的开关磁阻电动机，包括：一光伏电池、一蓄电池、一逆阻二极管、一主续流二极管、一电容、两个开关、三个开关管、三个子续流二极管和三个绕制于定子凸极上的绕组；其中：光伏电池的正极与逆阻二极管D的阳极相连，逆阻二极管D的阴极与第一开关的J1一端、第二开关J2的一端和电容C的一端相连；
绕组La的一端与第一开关J1的另一端和主续流二极管D0的阴极相连；绕组La的另一端与子续流二极管D1的阳极和开关管S1的漏极相连，子续流二极管D1的阴极与第二开关J2的另一端和蓄电池E的正极相连，开关管S1的源极与主续流二极管D0的阳极、蓄电池E的负极、电容C的另一端和光伏电池的负极相连，开关管S1的栅极接收外部设备提供的开关信号。
绕组Lb的一端与第一开关J1的另一端和主续流二极管D0的阴极相连；绕组Lb的另一端与子续流二极管D2的阳极和开关管S2的漏极相连，子续流二极管D2的阴极与第二开关J2的另一端和蓄电池E的正极相连，开关管S2的源极与主续流二极管D0的阳极、蓄电池E的负极、电容C的另一端和光伏电池的负极相连，开关管S2的栅极接收外部设备提供的开关信号。
绕组Lc的一端与第一开关J1的另一端和主续流二极管D0的阴极相连；绕组Lc的另一端与子续流二极管D3的阳极和开关管S3的漏极相连，子续流二极管D3的阴极与第二开关J2的另一端和蓄电池E的正极相连，开关管S3的源极与主续流二极管D0的阳极、蓄电池E的负极、电容C的另一端和光伏电池的负极相连，开关管S3的栅极接收外部设备提供的开关信号。
本实施方式中，第一开关J1和第一开关J2均采用开关管；蓄电池E的额定电压大于光伏电池的输出电压。
本实施方式的工作模式分为三种：光伏电池同时向电机和蓄电池输送能量、蓄电池单独向电机输送能量、光伏电池单独向蓄电池输送能量。
光伏电池同时向电机和蓄电池输送能量时，J1反复开关动作，J2断开，然后通过控制S1、S2和S3的导通角度来实现电机的转动，同时通过D0、D1、D2和D3将La、Lb、Lc中的能量释放给蓄电池E。以La为例：当J1和S1导通时如图4(a)所示，光伏电池给La充电，在电机工作时La将部分能量转化为机械能；若光伏不足，电机不工作时，光伏电池输出的能量全部存储在La上；当J1和S1关断时如图4(b)所示，La中存储的能量通过由La、D1、E、D0构成的回路释放给蓄电池E。当J1关断，S1导通，La中的电流通过La、S1和D0构成自然续流回路如图4(c)所示；当J1导通，S1关断时由于蓄电池E的额定电压高于光伏电池的输出电压，La中无电流流动。
当光伏电池没有能量输出时，蓄电池单独向电机输送能量时，J1反复开关动作，J2闭合，然后通过控制S1、S2和S3的导通角度来实现电机的转动。以La为例：当J1和S1开通时如图4(d)所示，蓄电池E给La提供能量，La将其部分能量转换为机械能；当J1和S1关断时，工作状态如图4(b)所示，La中的剩余能量回馈给蓄电池E。当J1关断，S1导通，La中的电流通过La、S1和D0构成自然续流回路如图4(c)所示。
光伏阵列单独向蓄电池输送能量时，J1闭合，J2断开，此时，根据转子位置，使电机三相绕组中的任一相绕组作为储能电感，利用S1和D1、S2和D2以及S3和D3中的任一对以构成boost(升压)电路，来对蓄电池E充电。以La为例：当S1导通时，D1关断，光伏电池将能量储存在La中；当S1关断时，D1导通，光伏电池和La中的能量向蓄电池E释放。其它两相绕组的作为储能电感时工作过程，与La相同。

Claims (3)

1.一种基于新能源供电的开关磁阻电动机，其特征在于，包括：一新能源电池、一能量存储器、一逆阻二极管、一主续流二极管、两个开关和n个绕制于定子凸极上的绕组，n为开关磁阻电动机的相数；其中：所述的新能源电池的正极与逆阻二极管的阳极相连，逆阻二极管的阴极与第一开关的一端和第二开关的一端相连；
所述的绕组的一端与第一开关的另一端和主续流二极管的阴极相连，绕组的另一端连接有开关管和子续流二极管；
所述的子续流二极管的阳极与开关管的漏极和绕组的另一端相连，子续流二极管的阴极与第二开关的另一端和能量存储器的正极相连，开关管的源极与主续流二极管的阳极、能量存储器的负极和新能源电池的负极相连，开关管的栅极接收外部设备提供的开关信号；
所述的新能源电池为光伏电池，所述的能量存储器为蓄电池。
2.根据权利要求1所述的基于新能源供电的开关磁阻电动机，其特征在于：所述的开关采用开关管。
3.根据权利要求1所述的基于新能源供电的开关磁阻电动机，其特征在于：所述的逆阻二极管的阴极连接有电容，所述的电容的另一端与新能源电池的负极相连。
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