CN104300859B - 一种开关磁阻发电机功率变换器拓扑结构及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种开关磁阻发电机功率变换器拓扑结构及其控制方法，在额定励磁模式时，向开关磁阻发电机系统提供与励磁电源相同电压的励磁电压；在弱磁控制模式时，向开关磁阻发电机系统提供的励磁电压低于励磁电源电压，实现弱磁抑制开关磁阻发电机系统高速运行过电压；在强磁控制模式时，向开关磁阻发电机系统提供的励磁电压高于励磁电源电压，泵升励磁电压实现强励，以提高开关磁阻发电机系统的功率密度，提高开关磁阻发电机系统低速起励发电能力，可以降低发电机高速时反电动势的影响，增大发电机高速运行功率输出能力。实现了励磁电压宽范围调节，功率输出能力强，可靠性高，实用效果好，性能价格比高，具有广泛的应用前景。

Description

一种开关磁阻发电机功率变换器拓扑结构及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种开关磁阻发电机系统，特别是一种开关磁阻发电机功率变换器拓扑结构及其控制方法。
背景技术
开关磁阻发电机无刷、无永磁，结构简单、牢固，制造成本低、易维护；它可做到磁路上及电路上各相相互独立，当某相发生故障时，通过切除故障相可以保证系统继续安全运转，具有较高的运行可靠性和容错能力。但现有的开关磁阻发电机系统技术存在的问题是不能同时实现励磁电压宽范围调节。采用Buck-Boost前端变换器，通过泵升功率变换器励磁电压，实现强励，以提高开关磁阻发电机系统的功率密度，提高开关磁阻发电机系统低速起励发电能力，可以降低发电机高速时反电动势的影响，增大发电机高速时功率输出能力；降低功率变换器励磁电压，实现弱磁，抑制开关磁阻发电机系统高速运行过电压。
发明内容
本发明的目的是克服已有技术中存在的问题，提供一种既能实现泵升功率变换器励磁电压，又能降低功率变换器励磁电压、实现弱磁的开关磁阻发电机功率变换器拓扑结构及其控制方法。
本发明的目的是这样实现的：该发电机功率变换器拓扑结构，包括开关磁阻发电机功率变换器，在所述的开关磁阻发电机功率变换器前增加Buck-Boost变换器；
所述的Buck-Boost变换器包括开关管Q7、开关管Q8、续流二极管D7、续流二极管D8和电感L；开关管Q7的集电极与二极管D7的阳极连接，开关管Q7的发射极与二极管D8的阳极连接，开关管Q8的发射极与二极管D8的阴极连接，电感L的一端连接在开关管Q7的集电极和二极管D7的阳极，电感L的另一端连接开关管Q8的发射极和二极管D8的阴极，开关管Q8的集电极与输入电源U0的正端连接，开关管Q7的发射极和二极管D8的阳极与输入电源U0的负端连接，开关管Q7的发射极和二极管D8的阳极为U1负输出端，U1负输出端与开关磁阻发电机功率变换器励磁母线Ue负端连接，二极管D7的阴极为U1正输出端，U1正输出端与开关磁阻发电机功率变换器励磁母线Ue正端连接，电容CS的一端接U1正输出端，电容CS的另一端接U1负输出端，U2+为开关磁阻发电机系统的正输出端，U2-为开关磁阻发电机系统的负输出端。
一种使用上述结构的开关磁阻发电机功率变换器拓扑控制方法：
(1)在额定励磁模式时，前级Buck-Boost变换器无需对励磁电压做升/降压变换，开关管Q8保持常通，开关管Q7保持关断，电流流经开关管Q8、电感L以及二极管D7向开关磁阻发电机功率变换器提供励磁，忽略开关器件通态压降，励磁电压Ue等于励磁电源电压U0；
(2)在弱磁控制模式时，前级Buck-Boost变换器工作在Buck状态；
模式①：关断开关管Q7，开通开关管Q8，励磁电流经开关管Q8、电感L和二极管D7向开关磁阻发电机功率变换器提供励磁；
模式②：保持开关管Q7关断，关断开关管Q8，励磁电流经二极管D8、电感L和二极管D7向开关磁阻发电机功率变换器提供励磁，向开关磁阻发电机系统提供的励磁电压Ue低于励磁电源电压U0，实现弱磁抑制开关磁阻发电机系统高速运行过电压；
(3)在强磁控制模式时，前级Buck-Boost变换器工作在Boost状态，开关管Q8保持常通；
模式①：开通开关管Q7，励磁电源经开关管Q8和开关管Q7对电感L充电储能，电容CS中电能向开关磁阻发电机功率变换器提供励磁；
模式②：关断开关管Q7，电感L储能、励磁电源U0经开关管Q8、电感L和二极管D7向开关磁阻发电机功率变换器提供励磁，并向电容CS充电储能，向开关磁阻发电机系统提供的励磁电压Ue高于励磁电源电压U0，泵升励磁电压Ue实现强励；
(4)励磁结束后，开关磁阻发电机系统发出电能。
有益效果，由于采用了上述开关磁阻发电机功率变换器拓扑结构，能泵升励磁电压实现强励、降低励磁电压实现弱磁；所采用的传统开关磁阻发电机功率变换器可以是不同的主电路结构形式；(1)在额定励磁模式时，向开关磁阻发电机系统提供与励磁电源相同电压的励磁电压；(2)在弱磁控制模式时，向开关磁阻发电机系统提供的励磁电压低于励磁电源电压，实现弱磁抑制开关磁阻发电机系统高速运行过电压；(3)在强磁控制模式时，向开关磁阻发电机系统提供的励磁电压高于励磁电源电压，泵升励磁电压实现强励，以提高开关磁阻发电机系统的功率密度，提高开关磁阻发电机系统低速起励发电能力，可以降低发电机高速时反电动势的影响，增大发电机高速运行功率输出能力。实现了励磁电压宽范围调节，功率输出能力强，可靠性高，实用效果好，性能价格比高，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的开关磁阻发电机功率变换器拓扑，是在传统的开关磁阻发电机功率变换器前增加Buck-Boost变换器；
图2是本发明的开关磁阻发电机功率变换器在额定励磁模式时，励磁电流路径示意图；
图3是本发明的开关磁阻发电机功率变换器在弱磁控制模式①时，励磁电流路径示意图；
图4是本发明的开关磁阻发电机功率变换器在弱磁控制模式②时，励磁电流路径示意图；
图5是本发明的开关磁阻发电机功率变换器在强磁控制模式①时，励磁电流路径示意图；
图6是本发明的开关磁阻发电机功率变换器在强磁控制模式②时，励磁电流路径示意图；
图7是本发明的开关磁阻发电机功率变换器在发电时，输出电流路径示意图。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
实施例1：如图1所示，本发明的开关磁阻发电机功率变换器拓扑结构，在传统的开关磁阻发电机功率变换器前增加Buck-Boost变换器；所述的Buck-Boost变换器包括开关管Q7、开关管Q8、续流二极管D7、续流二极管D8和电感L；开关管Q7的集电极与二极管D7的阳极连接，开关管Q7的发射极与二极管D8的阳极连接，开关管Q8的发射极与二极管D8的阴极连接，电感L的一端连接在开关管Q7的集电极和二极管D7的阳极，电感L的另一端连接开关管Q8的发射极和二极管D8的阴极，开关管Q8的集电极与输入电源U0的正端连接，开关管Q7的发射极和二极管D8的阳极与输入电源U0的负端连接，开关管Q7的发射极和二极管D8的阳极为U1负输出端，U1负输出端与开关磁阻发电机功率变换器励磁母线Ue负端连接，二极管D7的阴极为U1正输出端，U1正输出端与开关磁阻发电机功率变换器励磁母线Ue正端连接，电容CS的一端接U1正输出端，电容CS的另一端接U1负输出端，U2+为开关磁阻发电机系统的正输出端，U2-为开关磁阻发电机系统的负输出端。
本发明的开关磁阻发电机功率变换器拓扑控制方法：
(1)在额定励磁模式时，前级Buck-Boost变换器无需对励磁电压做升/降压变换，开关管Q8保持常通，开关管Q7保持关断，电流流经开关管Q8、电感L以及二极管D7向开关磁阻发电机功率变换器提供励磁，励磁电流路径如图2中点划线箭头所示，忽略开关器件通态压降，励磁电压Ue等于励磁电源电压U0；
(2)在弱磁控制模式时，前级Buck-Boost变换器工作在Buck状态，模式①：关断开关管Q7，开通开关管Q8，励磁电流经开关管Q8、电感L和二极管D7向开关磁阻发电机功率变换器提供励磁，励磁电流路径如图3中点划线箭头所示；模式②：保持开关管Q7关断，关断开关管Q8，励磁电流经二极管D8、电感L和二极管D7向开关磁阻发电机功率变换器提供励磁，励磁电流路径如图4中点划线箭头所示。向开关磁阻发电机系统提供的励磁电压Ue低于励磁电源电压U0，实现弱磁抑制开关磁阻发电机系统高速运行过电压；
(3)在强磁控制模式时，前级Buck-Boost变换器工作在Boost状态，开关管Q8保持常通，模式①：开通开关管Q7，励磁电源经开关管Q8和开关管Q7对电感L充电储能，电容CS中电能向开关磁阻发电机功率变换器提供励磁，电流路径如图5中点划线箭头所示；模式②：关断开关管Q7，电感L储能、励磁电源U0经开关管Q8、电感L和二极管D7向开关磁阻发电机功率变换器提供励磁，并向电容CS充电储能，励磁电流路径如图6中点划线箭头所示。向开关磁阻发电机系统提供的励磁电压Ue高于励磁电源电压U0，泵升励磁电压Ue实现强励，以提高开关磁阻发电机系统的功率密度，提高开关磁阻发电机系统低速起励发电能力，可以降低发电机高速时反电动势的影响，增大发电机高速运行功率输出能力；
(4)励磁结束后，开关磁阻发电机系统发出电能，输出电流路径如图7中点划线箭头所示。
同理，所采用的传统开关磁阻发电机功率变换器可以是不同的主电路结构形式，如不对称半桥功率变换器、双绕组功率变换器、分裂电源式功率变换器、公共开关功率变换器等。所采用的传统开关磁阻发电机功率变换器可以是任意相数的，如单相的、两相的、三相的、四相的、五相的等。

Claims (1)

1.一种开关磁阻发电机功率变换器拓扑控制方法，包括采用开关磁阻发电机功率变换器拓扑结构，开关磁阻发电机功率变换器拓扑结构包括开关磁阻发电机功率变换器，在所述的开关磁阻发电机功率变换器前增加Buck-Boost变换器；所述的Buck-Boost变换器包括开关管Q7、开关管Q8、续流二极管D7、续流二极管D8和电感L；开关管Q7的集电极与二极管D7的阳极连接，开关管Q7的发射极与二极管D8的阳极连接，开关管Q8的发射极与二极管D8的阴极连接，电感L的一端连接在开关管Q7的集电极和二极管D7的阳极，电感L的另一端连接开关管Q8的发射极和二极管D8的阴极，开关管Q8的集电极与输入电源U0的正端连接，开关管Q7的发射极和二极管D8的阳极与输入电源U0的负端连接，开关管Q7的发射极和二极管D8的阳极为U1负输出端，U1负输出端与开关磁阻发电机功率变换器励磁母线Ue负端连接，二极管D7的阴极为U1正输出端，U1正输出端与开关磁阻发电机功率变换器励磁母线Ue正端连接，电容CS的一端接U1正输出端，电容CS的另一端接U1负输出端，U2+为开关磁阻发电机系统的正输出端，U2-为开关磁阻发电机系统的负输出端；其特征在于：
（1）在额定励磁模式时，前级Buck-Boost变换器无需对励磁电压做升/降压变换，开关管Q8保持常通，开关管Q7保持关断，电流流经开关管Q8、电感L以及二极管D7向开关磁阻发电机功率变换器提供励磁，忽略开关器件通态压降，励磁电压Ue等于励磁电源电压U0；
（2）在弱磁控制模式时，前级Buck-Boost变换器工作在Buck状态；
模式：关断开关管Q7，开通开关管Q8，励磁电流经开关管Q8、电感L和二极管D7向开关磁阻发电机功率变换器提供励磁；
模式：保持开关管Q7关断，关断开关管Q8，励磁电流经二极管D8、电感L和二极管D7向开关磁阻发电机功率变换器提供励磁，向开关磁阻发电机系统提供的励磁电压Ue低于励磁电源电压U0，实现弱磁抑制开关磁阻发电机系统高速运行过电压；
（3）在强磁控制模式时，前级Buck-Boost变换器工作在Boost状态，开关管Q8保持常通；
模式：开通开关管Q7，励磁电源经开关管Q8和开关管Q7对电感L充电储能，电容CS中电能向开关磁阻发电机功率变换器提供励磁；
模式：关断开关管Q7，电感L储能、励磁电源U0经开关管Q8、电感L和二极管D7向开关磁阻发电机功率变换器提供励磁，并向电容CS充电储能，向开关磁阻发电机系统提供的励磁电压Ue高于励磁电源电压U0，泵升励磁电压Ue实现强励；
（4）励磁结束后，开关磁阻发电机系统发出电能。
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