CN107046385B - 自强化自充电他励开关磁阻发电机变流器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

自强化自充电他励开关磁阻发电机变流器及其控制方法，变流器由变流主电路、励磁电源、发电二极管、母线电容器、充电主电路组成，变流主电路正极端经发电二极管后输出并联母线电容器和充电主电路，充电主电路输出连接励磁电源，励磁电源输出给变流主电路；每相绕组分为两套支路并联后能实现绕组的自我结构上的强化励磁，更快励磁，可选的续流阶段可实现进一步强化励磁增强发电能力以及提高控制的灵活性，可独立控制的充电主电路能实现对励磁电源蓄电池的自主充电，减少了维护工作量，所以全系统智能化水平高，有效提升发电能力，在基于开关磁阻发电机应用的恒速发电和变速风电领域具有较好的应用前景。

Description

自强化自充电他励开关磁阻发电机变流器及其控制方法

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机领域，具体涉及一种自强化励磁和自充电他励型励磁电源的开关磁阻发电机变流器主电路及其控制方法。

背景技术

利用开关磁阻发电机发电，是一种新型的发电方式。

开关磁阻发电机的发电变流系统，是开关磁阻发电机系统的基础和关键，也事关发电的效率、效益及可靠性等。

根据开关磁阻发电机工作原理，其工作中分为励磁和发电两大阶段，先由外电源向绕组供电励磁储能，随后在运行反向力矩作用下磁储能续流释放即发电输出，发出的电能大于励磁吸收的电能，才有意义。

开关磁阻发电机励磁阶段一般是受控的，而发电阶段电流是不受严格控制的，为了提高发电输出能力，提高发电阶段开始时的电流，即提高励磁阶段的尤其是励磁后期的电流值成为了业界的共识之一；业界已有譬如通过专门的高压他励励磁电源向绕组供电励磁，但结构复杂，如果变流电路本身能提高励磁能力，则会简化结构节省成本；总之不管是强化励磁还是如何，需要尽可能增加发电阶段到来前并且尽可能短时间内使得绕组电流达到一定高度，是业界的期待。

开关磁阻发电机的励磁方式常用的为他励型和自励型，他励型的励磁阶段稳定性好，但需要单独的他励电源，电源电能耗尽后要经常更换，增加了人工维护量；而传统自励型的则存在电压电流波动大的缺点，稳定性不好；所以，稳定性好、无需过多人工参与的励磁电源系统是业界的期待。

另外，大中型的开关磁阻发电机系统发电及传输用电缆价格昂贵，尤其用于海上风电系统所需海底电缆等；还有大中型开关磁阻发电机系统中母线电压常明显大于励磁平均电压，要避免母线电压贯通励磁电源的问题；还有利用蓄电池励磁，蓄电池本身需要充电，不同阶段对充电电源的要求不同，不同充电参数下充电快慢不同等因素，以及能否自动充电问题等等。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明提出一种靠变流主电路本身结构和控制方法二维强化励磁能力、自动充电的他励型电源的开关磁阻发电机变流器结构及其控制方法。

本发明的技术方案为：

自强化自充电他励开关磁阻发电机变流器，由变流主电路、励磁电源、发电二极管、母线电容器、充电主电路组成，其特征是，所述变流主电路输入两端连接所述励磁电源输出两端，变流主电路输出正极端经由所述发电二极管连接所述母线电容器正极端，同时连接所述充电主电路输入正极端，发电二极管阳极连接变流主电路输出正极端，变流主电路输出负极端连接母线电容器负极端同时连接充电主电路输入负极端，充电主电路输出两端连接励磁电源输入两端；

变流主电路由3个变流支路并联连接组成，每个变流支路中连接一相绕组，每相绕组又分为两套绕组，分别对称集中分布于开关磁阻发电机定子磁极上，每个变流支路具体由第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一开关管、第二开关管、第三开关管、相绕组第一套绕组、相绕组第二套绕组组成，其特征是，所述第一二极管阴极、所述第一开关管阳极、所述第三二极管阴极短接并作为变流主电路输入输出正极端，所述第二开关管阴极、所述第二二极管阳极、所述第三开关管阴极短接并作为变流主电路输入输出负极端，第一二极管阳极与第二开关管阳极以及所述相绕组第一套绕组一端连接，相绕组第一套绕组另一端与所述相绕组第二套绕组一端以及第一开关管阴极、第二二极管阴极连接，相绕组第二套绕组另一端与第三二极管阳极以及第三开关管阳极连接；

励磁电源由励磁二极管和蓄电池串联连接组成，其中所述蓄电池正极连接所述励磁二极管阳极，励磁二极管阴极和蓄电池负极作为励磁电源输出正负端，蓄电池正负极两端作为励磁电源的输入正负极两端；

充电主电路由输入电容器、变压器第一绕组、变压器第二绕组、变压器第三绕组、第四二极管、控制开关管、第五二极管、第六二极管、电感、输出电容器组成，其特征是，所述输入电容器正负极两端分别作为充电主电路输入正负极两端，所述变压器第一绕组一端和所述变压器第二绕组一端以及输入电容器正极端连接，变压器第一绕组另一端与所述第四二极管阴极连接，变压器第二绕组另一端与所述控制开关管阳极连接，控制开关管阴极与第四二极管阳极以及输入电容器负极端连接，变压器第二绕组与所述变压器第三绕组耦合并且极性相同，变压器第一绕组极性与变压器第二绕组和变压器第三绕组极性相反，变压器第三绕组一端与所述第五二极管阳极连接，第五二极管阴极与所述电感一端以及所述第六二极管阴极连接，电感另一端与所述输出电容器正极连接并作为充电主电路输出正极端，输出电容器负极与第六二极管阳极以及变压器第三绕组另一端连接并作为充电主电路输出负极端。

自强化自充电他励开关磁阻发电机变流器的控制方法，其特征是：

根据转子位置信息，当某相绕组所在变流支路进入工作状态时，首先是第一开关管、第二开关管、第三开关管闭合，进入励磁阶段，由励磁电源中的蓄电池经由励磁二极管供电励磁；

励磁阶段结束时如果绕组电流未达到所需电流值，则第二开关管和第三开关管断开，第一开关管保持闭合状态，进入续流阶段，绕组中电流快速上升，续流阶段正常结束前达到所需电流值则提前关断第一开关管，续流阶段正常结束点绕组电流仍未达到所需值，仍关断第一开关管；关断第一开关管后随即进入发电阶段；

励磁阶段结束时如果绕组电流已达到所需电流值，则关断第一开关管、第二开关管、第三开关管，直接进入发电阶段；

以上为经蓄电池他励供电励磁的开关磁阻发电机运行控制过程；

当检测到蓄电池容量低于下限值时，启动充电主电路向蓄电池充电，充电过程为：

通过对控制开关管的PWM开关控制，将变流主电路发出的电能经变压器隔离向蓄电池充电，根据检测的蓄电池端电压和电流，调节控制开关管的开关占空比，直至充满电后完全关断控制开关管，充电结束。

本发明的技术效果主要有：

(1)把开关磁阻发电机的每相绕组分为两套并且并联于变流电路中，相对传统每相绕组内部均串联连接的模式，本发明的变流电路中两套绕组并联方式，自我强化了励磁，外置励磁电压直接加到每套绕组上，而不是串联方式下各占二分之一；励磁的强化，从而可在更短时间内达到所需励磁电流，也就是发电阶段初始的绕组电流，所以能提高开关磁阻发电机的功率输出能力。

(2)变流主电路的输入和输出的正负极端子共用，也就是说变流主电路的输入和输出总计采用两根电缆即可，节省了成本。

(3)在本发明的变流主电路结构下，可增加一运行中的续流阶段，由于续流期间绕组不受反向电压，其电流可快速增加，从而在更短时间内达到所需电流值，利于后续发电阶段的电能输出。

(4)发电二极管的设置，实现了更合理的低励磁电压和高发电电压的模式，加之充电主电路中变压器的隔离作用，使得本发明的结构可以适应于更大功率等级的开关磁阻发电机。

(5)通过蓄电池作为励磁电源，本发明具备了他励型开关磁阻发电机稳定性好的优点，同时自带的自充电主电路实现为蓄电池自主充电，则规避了他励型缺点，减少了维护工作量。

(6)在一定范围内可通过调节控制开关管的占空比，实现向蓄电池充电电源的相对独立调节，从而更有利于安全、可靠充电。

(7)本发明的结构，实现了自动化、智能化的调控，除了恒速开关磁阻发电机外，也非常适合于变速的譬如基于开关磁阻发电机的变速风力发电领域，适用面宽广。

附图说明

图1所示为本发明的自强化自充电他励型开关磁阻发电机的变流器电路结构图。

图1中：1、变流主电路，2、励磁电源，3、充电主电路。

具体实施方式

自强化自充电他励开关磁阻发电机变流器，电路结构如附图1所示，由变流主电路1、励磁电源2、发电二极管D10、母线电容器Cm、充电主电路3组成，变流主电路1输入两端连接励磁电源2输出两端，变流主电路1输出正极端经由发电二极管D10连接母线电容器Cm正极端，同时连接充电主电路3输入正极端，发电二极管D10阳极连接变流主电路1输出正极端，变流主电路1输出负极端连接母线电容器Cm负极端同时连接充电主电路3输入负极端，充电主电路3输出两端连接励磁电源2输入两端。

变流主电路由3个变流支路并联连接组成，每个变流支路中连接一相绕组，分别为M、N、P三相绕组，每相绕组又分为两套绕组，分别对称集中分布于开关磁阻发电机定子磁极上，任何瞬时有一相绕组所在变流支路工作，每个变流支路具体由第一二极管D1/D4/D7、第二二极管D2/D5/D8、第三二极管D3/D6/D9、第一开关管V1/V4/V7、第二开关管V2/V5/V8、第三开关管V3/V6/V9、相绕组第一套绕组M1/N1/P1、相绕组第二套绕组M2/N2/P2组成，第一二极管D1/D4/D7阴极、第一开关管V1/V4/V7阳极、第三二极管D3/D6/D9阴极短接并作为变流主电路1输入输出正极端，第二开关管V2/V5/V8阴极、第二二极管D2/D5/D8阳极、第三开关管V3/V6/V9阴极短接并作为变流主电路1输入输出负极端，第一二极管D1/D4/D7阳极与第二开关管V2/V5/V8阳极以及相绕组第一套绕组M1/N1/P1一端连接，相绕组第一套绕组M1/N1/P1另一端与相绕组第二套绕组M2/N2/P2一端以及第一开关管V1/V4/V7阴极、第二二极管D2/D5/D8阴极连接，相绕组第二套绕组M2/N2/P2另一端与第三二极管D3/D6/D9阳极以及第三开关管V3/V6/V9阳极连接。

励磁电源2由励磁二极管D0和蓄电池X串联连接组成，其中蓄电池X正极连接励磁二极管D0阳极，励磁二极管D0阴极和蓄电池X负极作为励磁电源2输出正负端，蓄电池X正负极两端作为励磁电源2的输入正负极两端。

蓄电池X额定电压小于变流主电路1输出额定电压即母线电容器Cm两端额定电压，发电二极管D10则防止变流主电路1输出电压即母线电压反向作为励磁电压，而由励磁电源2中蓄电池X这个相对更稳定的电源产生励磁电压。

充电主电路3由输入电容器C1、变压器T第一绕组a、变压器T第二绕组b、变压器T第三绕组c、第四二极管D11、控制开关管V10、第五二极管D12、第六二极管D13、电感L、输出电容器C2组成，输入电容器C1正负极两端分别作为充电主电路3输入正负极两端，变压器T第一绕组a一端和变压器T第二绕组b一端以及输入电容器C1正极端连接，变压器T第一绕组a另一端与第四二极管D11阴极连接，变压器T第二绕组b另一端与控制开关管V10阳极连接，控制开关管V10阴极与第四二极管D11阳极以及输入电容器C1负极端连接，变压器T第二绕组b与变压器T第三绕组c耦合并且极性相同，变压器T第一绕组a极性与变压器T第二绕组b和变压器T第三绕组c极性相反，变压器T第三绕组c一端与第五二极管D12阳极连接，第五二极管D12阴极与电感L一端以及第六二极管D13阴极连接，电感L另一端与输出电容器C2正极连接并作为充电主电路3输出正极端，输出电容器C2负极与第六二极管D13阳极以及变压器T第三绕组c另一端连接并作为充电主电路3输出负极端；

变压器T的a/b/c三套绕组匝数相等。

变流器起动运行前，蓄电池X存在剩余电量或满电状态，根据转子位置信息，假设M相绕组需投入工作，则其所在变流支路中的第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3闭合，进入励磁阶段，由励磁电源2中的蓄电池X经由励磁二极管D0供电励磁，具体分为两个励磁回路，分别为X-D0-V1-M1-V2-X和X-D0-V1-M2-V3-X，可见该M相绕组的两套绕组各自承受的是整个励磁电源2的输出电压，相比传统励磁方式下一相绕组串联的方式，自强化了励磁；

待根据转子位置情况，以上励磁阶段结束时，如果检测到绕组电流未达到所需电流最高限制值，则控制第二开关管V2和第三开关管V3断开，而第一开关管V1保持闭合状态，此为进入续流阶段，电流回路为M1-D1-V1-M1和M2-D3-V1-M2，由于此时两套绕组不受外在反向电压作用，绕组电流将快速上升，续流阶段正常结束前达到所需电流值则提前关断第一开关管V1，续流阶段正常结束点绕组电流仍未达到所需值，仍关断第一开关管V1；关断第一开关管V1后随即进入发电阶段；

待根据转子位置情况，以上励磁阶段结束时，如果检测到绕组电流已达到所需电流最高限制值，则关断第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3，直接进入发电阶段；

发电阶段的电流流向为M1-D1-Cm-D2-M1和M2-D3-Cm-D2-M2两个发电电流输出回路，两套绕组分别承受来自母线电容器Cm两端的反向母线电压，从而根据转子位置情况到发电阶段结束时易于使得绕组电流快速下降到零，实际中因发电阶段结束角度为绕组电感最小区域，根据开关磁阻发电机基本理论，此时电流将在反向母线电压加持下快速降至零。

以上为M相绕组所在变流支路工作的过程，待M相绕组工作结束，根据转子位置信息，下一相绕组工作来临后，其工作过程与前述M相绕组工作过程一致；如此这般，母线电容器Cm可接收到连续不断的电能输出，同时母线电容器Cm起到平稳电压波形的作用。

当检测到蓄电池X容量低于其下限值时，启动充电主电路3向蓄电池X充电；

通过对控制开关管V10的PWM开关控制，将变流主电路1发出的电能经变压器T隔离后向蓄电池X充电，根据检测的蓄电池X端电压和电流，调节控制开关管V10的开关占空比，直至充满电后完全关断控制开关管V10，充电结束，充电主电路3的具体工作过程为：

控制开关管V10闭合后，根据附图1所示结构，第五二极管D12导通并向电感L充电，同时向输出电容器C2充电并输出给蓄电池X充电，变压器T第一绕组a由于第四二极管D11的作用该支路无电流；控制开关管V10断开后，电感L通过第六二极管D13续流，此时变压器T第一绕组a承载的感应自变压器T第二绕组b的磁能转化为励磁电流经由第四二极管D11和第一绕组a流回充电主电路3输入端，为了在下一控制开关管V10的开关周期开始前使得励磁电流降为零，从而确保安全，需要控制开关管V10足够的关断时间，工作中令控制开关管V10一个开关周期中的关断时间始终大于开通时间，即占空比始终小于0.5，同时电感L的取值较大，确保电感L的电流不出现断续，再结合变压器T三套绕组匝数都相同的条件，从而可得到该充电主电路3的输出电压值等于控制开关管V10占空比乘以输入电压值，通过在一定范围内调节控制开关管V10的占空比，调节给予蓄电池X的充电电压和电流。

Claims (2)

1.自强化自充电他励开关磁阻发电机变流器，由变流主电路、励磁电源、发电二极管、母线电容器、充电主电路组成，其特征是，所述变流主电路输入两端连接所述励磁电源输出两端，变流主电路输出正极端经由所述发电二极管连接所述母线电容器正极端，同时连接所述充电主电路输入正极端，发电二极管阳极连接变流主电路输出正极端，变流主电路输出负极端连接母线电容器负极端同时连接充电主电路输入负极端，充电主电路输出两端连接励磁电源输入两端；

变流主电路由3个变流支路并联连接组成，每个变流支路中连接一相绕组，每相绕组又分为两套绕组，分别对称集中分布于开关磁阻发电机定子磁极上，每个变流支路具体由第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一开关管、第二开关管、第三开关管、相绕组第一套绕组、相绕组第二套绕组组成，其特征是，所述第一二极管阴极、所述第一开关管阳极、所述第三二极管阴极短接并作为变流主电路输入输出正极端，所述第二开关管阴极、所述第二二极管阳极、所述第三开关管阴极短接并作为变流主电路输入输出负极端，第一二极管阳极与第二开关管阳极以及所述相绕组第一套绕组一端连接，相绕组第一套绕组另一端与所述相绕组第二套绕组一端以及第一开关管阴极、第二二极管阴极连接，相绕组第二套绕组另一端与第三二极管阳极以及第三开关管阳极连接；

励磁电源由励磁二极管和蓄电池串联连接组成，其中所述蓄电池正极连接所述励磁二极管阳极，励磁二极管阴极作为励磁电源输出正端，蓄电池负极作为励磁电源输出负端，蓄电池正负极两端作为励磁电源的输入正负极两端；

充电主电路由输入电容器、变压器第一绕组、变压器第二绕组、变压器第三绕组、第四二极管、控制开关管、第五二极管、第六二极管、电感、输出电容器组成，其特征是，所述输入电容器正负极两端分别作为充电主电路输入正负极两端，所述变压器第一绕组一端和所述变压器第二绕组一端以及输入电容器正极端连接，变压器第一绕组另一端与所述第四二极管阴极连接，变压器第二绕组另一端与所述控制开关管阳极连接，控制开关管阴极与第四二极管阳极以及输入电容器负极端连接，变压器第二绕组与所述变压器第三绕组耦合并且极性相同，变压器第一绕组极性与变压器第二绕组极性相反，变压器第三绕组一端与所述第五二极管阳极连接，第五二极管阴极与所述电感一端以及所述第六二极管阴极连接，电感另一端与所述输出电容器正极连接并作为充电主电路输出正极端，输出电容器负极与第六二极管阳极以及变压器第三绕组另一端连接并作为充电主电路输出负极端。

2.根据权利要求1所述的自强化自充电他励开关磁阻发电机变流器的控制方法，其特征是：

根据转子位置信息，当某相绕组所在变流支路进入工作状态时，首先是第一开关管、第二开关管、第三开关管闭合，进入励磁阶段，由励磁电源中的蓄电池经由励磁二极管供电励磁；

励磁阶段结束时如果绕组电流未达到所需电流值，则第二开关管和第三开关管断开，第一开关管保持闭合状态，进入续流阶段，绕组中电流快速上升，续流阶段正常结束前达到所需电流值则提前关断第一开关管，续流阶段正常结束点绕组电流仍未达到所需值，仍关断第一开关管；关断第一开关管后随即进入发电阶段；

励磁阶段结束时如果绕组电流已达到所需电流值，则关断第一开关管、第二开关管、第三开关管，直接进入发电阶段；

以上为经蓄电池他励供电励磁的开关磁阻发电机运行控制过程；

当检测到蓄电池容量低于下限值时，启动充电主电路向蓄电池充电，充电过程为：

通过对控制开关管的PWM开关控制，将变流主电路发出的电能经变压器隔离向蓄电池充电，根据检测的蓄电池端电压和电流，调节控制开关管的开关占空比，直至充满电后完全关断控制开关管，充电结束。