CN107171606B - 小功率多功能三相开关磁阻电机系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

小功率多功能三相开关磁阻电机系统及其控制方法，系统由绕组电路、励磁电路、电源电路、变电流电路、隔离与逆变电路、整流电路、充电电路组成，绕组电路结构简单并可实现续流功能，励磁电路可实现强励与快速退磁双功能，发电及电动工况所需电源可实现自充电，变电流电路可实现对发电电流的调节，为MPPT控制创造条件，全系统在控制方法支持下，亦可实现交直流多电源输出，在无电网达到的地区具有应用价值。

Description

小功率多功能三相开关磁阻电机系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机领域，具体涉及一种小功率的、可实现发电机与电动机工况的、发电可多种电能输出的、灵活多可控参数的高性能发电运行控制的开关磁阻电机系统及其控制方法。

背景技术

考虑到无电网到达的海岛、船舶、偏远野外通信设施和工程建设现场等的所需多电源用电，以及偶尔需要的电动动力，而这类地区往往风能资源丰富；传统的常采用柴油发电机组提供的电能单一，需要燃油，但用电设备往往多样化、交直流不等，以及不同电压等级的需要等，所以，如果由一套综合系统，既可以实现多种电源输出，还能必要时提供动力，同时又利用这类地区丰富的可再生资源---风能，则非常具有意义。

开关磁阻电动机结构简单坚固，转子上无绕组、无永磁体，则可靠性势必较高，成本低，必然具有广阔的应用前景。

开关磁阻发电机在运行时一般分为励磁和发电两大阶段，传统的不对称半桥型的功率变换器主电路结构即绕组电路结构，往往也可以在两大阶段中间增加一续流阶段，无压续流阶段，可使得绕组电流在短时间内快速成长，利于发电能力的提高，业界提出的几种相对不对称半桥型来说简易的结构，虽然简化了结构降低了成本等，但往往又无法实现续流阶段。

开关磁阻发电机励磁阶段励磁电压的提高，能提高即强化励磁能力，减小励磁时间则增大发电区间，最终有利于发电能力的提高，同时，发电阶段结束时，由于绕组感性负载作用，绕组电流有一个下降过程，不得不要提早关断，从而在绕组电感上升之前使得绕组电流降到零，否则将进入反向转矩区，也就是说，要必要时能强化励磁，还能关断时快速退磁关断，业界已有的方法几乎都是将这二者独立考虑，各自单独的电路结构及其控制方法来实现，如果能够有合二为一的结构及方法，则势必有相当的意义。

众所周知，风电行业，MPPT(最大功率点跟踪)控制往往在实际中是必不可少的，用开关磁阻电机作为发电机之后，业界面临的一个重大问题就是，发电电流无法控制了，而双馈异步发电机、永磁同步发电机这些风电领域常用的发电机，其绕组输出电流即发电电流能很方便的实现控制，从而为MPPT控制创造了不可少的可控参数、条件，如果开关磁阻风力发电机系统的发电电流即绕组电流能够得到有效控制，则势必为其MPPT控制提供可控参数，并在风电领域的应用扩大影响。

无电网到达的如前所述的这些领域，往往需要交流电源、直流电源及不同电压等级的电源，即对多电源多样化有需求，所以，如果一套发电系统能够提供可变压，也能提供交直流电源的系统，必然有广阔用武之地。

这些无电网到达的地区，尤其是通信设施、海岛等，往往人也不常出现在现场，所以对智能化、自动化要求较高，尤其这类设施中的储能装置，如能自动充电，势必有意义。

另外，在必要时候，需要动力装置，即电动机，如果一套开关磁阻发电机系统能够同时作为电动机工况运行，一机多能，则同样提高了该套系统的适应性。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种电路结构简单，能增加续流阶段，可强化励磁和退磁，可变发电电流，交直流多电源输出，蓄电池自充电，电动机与发电机双工况可运行的开关磁阻电机系统及其控制方法。

本发明的技术方案为：

小功率多功能三相开关磁阻电机系统，由绕组电路、励磁电路、电源电路、变电流电路、隔离与逆变电路、整流电路、充电电路组成，其技术特征是，所述绕组电路的输入正负极两端与所述励磁电路的输出正负极两端一一对应连接，励磁电路的输入和输出各自的正负极两端相同，也一一对应连接所述电源电路的输出正负极两端，绕组电路的输出正负极两端与所述变电流电路的输入正负极两端一一对应连接，变电流电路的输出正负极两端与所述隔离与逆变电路的输入正负极两端一一对应连接，隔离与逆变电路的输出两端连接所述整流电路的输入两端，整流电路的输出正负极两端与所述充电电路的输入正负极两端一一对应连接，充电电路的输出正负极两端与电源电路的输入正负极两端一一对应连接，隔离与逆变电路输入负极端、变电流电路输入和输出负极端、绕组电路输入和输出负极端、励磁电路输入和输出负极端、电源电路输入和输出负极端、充电电路输入和输出负极端、整流电路输出负极端之间短接；

绕组电路由第一绕组、第二绕组、第三绕组、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电容器组成，其技术特征是，所述第一绕组一端、所述第二绕组一端、所述第三绕组一端、所述第四开关管阴极之间连接并作为绕组电路输入正极端，第一绕组另一端与所述第一开关管阳极和所述第一二极管阳极连接，第二绕组另一端与所述第二开关管阳极和所述第二二极管阳极连接，第三绕组另一端与所述第三开关管阳极和所述第三二极管阳极连接，第一二极管阴极、第二二极管阴极、第三二极管阴极、第四开关管阳极、所述第一电容器正极之间连接并作为绕组电路输出正极端，第一开关管阴极、第二开关管阴极、第三开关管阴极、第一电容器负极之间连接并作为绕组电路输入输出负极端；

励磁电路由第二电容器、第三电容器、第四二极管、第五开关管、第六开关管组成，其技术特征是，所述第二电容器正极与所述第五开关管阴极连接并作为励磁电路输入输出正极端，第二电容器负极与所述第六开关管阴极和所述第四二极管阳极连接，第六开关管阳极、第四二极管阴极、第五开关管阳极、所述第三电容器正极之间连接，第三电容器负极作为励磁电路输入输出负极端；

电源电路由第五二极管、继电器、蓄电池组成，其技术特征是，所述第五二极管阴极作为电源电路输出正极端，第五二极管阳极与所述继电器一端连接，继电器另一端与所述蓄电池正极连接并作为电源电路输入正极端，蓄电池负极作为电源电路输入输出负极端；

变电流电路由第七开关管、第八开关管、第一电感、第六二极管、第七二极管、第四电容器组成，其技术特征是，所述第七开关管阳极作为变电流电路输入正极端，第七开关管阴极与所述第一电感一端、所述第六二极管阴极连接，第一电感另一端与所述第八开关管阳极、所述第七二极管阳极连接，第七二极管阴极与所述第四电容器正极连接并作为变电流电路输出正极端，第四电容器负极、第八开关管阴极、第六二极管阳极之间连接并作为变电流电路输入输出负极端；

隔离与逆变电路由第二电感、第九开关管、第十开关管、变压器组成，其技术特征是，所述第二电感一端作为隔离与逆变电路输入正极端，第二电感另一端连接所述变压器的一次侧第一绕组一端和一次侧第二绕组一端，所述第九开关管阴极与所述第十开关管阴极连接并作为隔离与逆变电路输入负极端，第九开关管阳极与变压器的一次侧第一绕组另一端连接，第十开关管阳极与变压器的一次侧第二绕组另一端连接，变压器二次侧绕组输出两端作为隔离与逆变电路输出两端；

整流电路由第十一开关管、第十二开关管、第十三开关管、第十四开关管、第五电容器组成，其技术特征是，所述第十一开关管阳极与所述第十二开关管阴极连接并作为整流电路输入一端，所述第十三开关管阳极与所述第十四开关管阴极连接并作为整流电路输入另一端，第十一开关管阴极与第十三开关管阴极、所述第五电容器正极连接并作为整流电路输出正极端，第十二开关管阳极与第十四开关管阳极、第五电容器负极连接并作为整流电路输出负极端；

充电电路由第十五开关管、第八二极管、第九二极管、第三电感组成，其技术特征是，所述第十五开关管阳极作为充电电路输入正极端，第十五开关管阴极与所述第八二极管阴极、所述第三电感一端连接，第三电感另一端与所述第九二极管阳极连接，第九二极管阴极作为充电电路输出正极端，第八二极管阳极作为充电电路输入输出负极端。

小功率多功能三相开关磁阻电机系统的控制方法，其技术特征是，

当作为开关磁阻发电机运行时，根据开关磁阻电机转子位置信息，需要第一绕组励磁时第一开关管闭合，第二绕组励磁时第二开关管闭合，第三绕组励磁时第三开关管闭合，励磁所需电源分为两种模式提供：

模式一，第五开关管闭合，第六开关管断开，此时仅由第三电容器的储能作为励磁电源向需要励磁的绕组供电；

模式二，第五开关管断开，第六开关管闭合，此时由第二电容器与第三电容器一起作为励磁电源向需要励磁的绕组供电；

根据转子位置信息，以上励磁的绕组在励磁阶段结束后，相应的励磁阶段闭合的第一开关管或第二开关管或第三开关管断开，如果断开前检测到该绕组电流低于限制值，则断开后闭合第四开关管，待该绕组电流上升到需要值或者到达规定的最长续流时间后再断开第四开关管，进入发电阶段，如果励磁阶段结束时检测到该绕组电流不低于限制值，则直接进入发电阶段；发电阶段产生的电能流入变电流电路；

在发电阶段期间，先保持第五开关管断开，以及第六开关管闭合，待到需要发电阶段的绕组电流需尽快降到零即结束时，第五开关管闭合，第六开关管断开，使得该绕组电流快速降到零从而避免进入反向转矩区；

变电流电路的工作由第七开关管和第八开关管控制，分为三种开关控制模式：

模式一，第七开关管保持闭合，第八开关管保持断开，变电流电路的输出电压电流与输入电压电流相等；

模式二，第八开关管保持断开，第七开关管进行PWM斩波开关控制方式工作，调节第七开关管的开关占空比，改变变电流电路输出端的电压和电流；

模式三，第七开关管保持闭合，第八开关管进行PWM斩波开关控制方式工作，调节第八开关管的开关占空比，改变变电流电路输出端的电压和电流；该模式下得到比模式一和模式二更大的输出电压；

隔离与逆变电路的工作由第九开关管和第十开关管交替开关工作，即第九开关管闭合期间第十开关管断开，第十开关管闭合期间第九开关管断开，该两支开关管占空比均固定为0.5；

整流电路为单相桥式整流电路，四支开关管均为全控型电力电子开关器件，其中第十一开关管与第十四开关管作为一组同时闭合或断开，第十二开关管与第十三开关管作为另一组同时闭合或断开，该两组开关管根据输入的交流电电位高低交替工作，即其中一组闭合另一组断开；

充电电路是在检测到蓄电池电量低于下限值时起动工作，具体由第十五开关管按照PWM方式进行开关控制，否则该开关管保持断开；通过调节第十五开关管的开关占空比，可以改变给予蓄电池两端的充电电压和电流，以满足蓄电池的需要；待检测到蓄电池电量满电后，第十五开关管断开并保持，充电电路停止工作；

检测到励磁电路的第二电容器和第三电容器的储能低于下限值时，继电器闭合，电源电路开始工作，即蓄电池向励磁电路的第二电容器和第三电容器充电，检测到充电满电后，继电器断开；

作为开关磁阻发电机运行时的初始起动时，首先由蓄电池作为电源，开关磁阻电机作为电动机起动，继电器闭合，根据开关磁阻电机转子位置信息，蓄电池向需要供电的绕组供电产生电动转矩，同时蓄电池也向第二电容器和第三电容器充电；待开关磁阻电机起动运转起来达到发电工况最低切入转速后再进入发电机工况下检测、运行控制；

当作为开关磁阻电动机运行时，继电器闭合，根据开关磁阻电机转子位置信息，需要第一绕组或第二绕组或第三绕组通电产生电动转矩时，相应的第一开关管或第二开关管或第三开关管闭合导通，由蓄电池向需要通电的绕组通电产生电动转矩，做电动机运行；在电动机工况运行时，各相绕组续流产生的多余电能仍将提供给变电流电路，此时变电流电路的第七开关管保持闭合，第八开关管保持断开，隔离与逆变电路、整流电路也与发电机工况时一样工作，充电电路则根据检测到的蓄电池是否缺电状态决定是否提供充电工作。

本发明的技术效果主要有：

(1)基于本发明简易的绕组电路结构，仅仅增加一开关管(第四开关管)，可实现必要时增加的续流阶段，快速提高绕组电流，扩充发电阶段时间，提高发电输出能力。

(2)简易的励磁电路，仅由两个电容器、两个开关管、一个二极管组成，可胜任实现励磁阶段的强化励磁，以及关断截止时的快速退磁；强化励磁使得励磁阶段绕组电流上升更快，励磁区间更短，势必增加了发电区间，提高了发电输出能力，快速退磁也拓宽了发电输出区间，因为发电结束时可相对延后关断，提高了电能输出能力。

(3)变电流电路的设置，虽然增加了系统结构，但是实现了绕组电流的可调节，调节范围宽，为MPPT的控制提供了可控参数，从而势必间接提高了发电系统的电能输出能力。

(4)绕组电路直接输出直流电，变电流电路输出可变的直流电，隔离与逆变电路可输出可调频率和大小的交流电，整流电路又可以输出可调的直流电，蓄电池也可以输出直流电，本发明的一套系统，实现了交直流及多种、可调的电源输出，非常具有实际意义。

(5)本发明保持系统正常工作必不可少的储能装置只有一套蓄电池，并且该蓄电池可被自动充电，提高了系统的无人化、智能化运行水平，适宜于不常有人值守的场合。

(6)同时，本发明作为发电机运行时，完全适应变速情况，而这是风电领域获取最大风能从而产生最大电能的基础要求。

(7)必要时，本发明的装置可作为恒速运行的开关磁阻电动机，扩大了本发明的应用领域。

附图说明

图1所示为本发明的小功率多功能三相开关磁阻电机系统电路结构图。

图1中：1.绕组电路，2.励磁电路，3.电源电路，4.变电流电路，5.隔离与逆变电路，6.整流电路，7.充电电路。

具体实施方式

附图1所示为本发明实施例的小功率多功能三相开关磁阻电机系统电路结构图，由绕组电路1、励磁电路2、电源电路3、变电流电路4、隔离与逆变电路5、整流电路6、充电电路7组成，绕组电路1的输入正负极两端与励磁电路2的输出正负极两端一一对应连接，励磁电路2的输入和输出各自的正负极两端相同，也一一对应连接电源电路3的输出正负极两端，绕组电路1的输出正负极两端与变电流电路4的输入正负极两端一一对应连接，变电流电路4的输出正负极两端与隔离与逆变电路5的输入正负极两端一一对应连接，隔离与逆变电路5的输出两端连接整流电路6的输入两端，整流电路6的输出正负极两端与充电电路7的输入正负极两端一一对应连接，充电电路7的输出正负极两端与电源电路3的输入正负极两端一一对应连接，隔离与逆变电路5输入负极端、变电流电路4输入和输出负极端、绕组电路1输入和输出负极端、励磁电路2输入和输出负极端、电源电路3输入和输出负极端、充电电路7输入和输出负极端、整流电路6输出负极端之间短接；

绕组电路1由第一绕组M、第二绕组N、第三绕组P、第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3、第四开关管V4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一电容器C1组成，第一绕组M一端、第二绕组N一端、第三绕组P一端、第四开关管V4阴极之间连接并作为绕组电路1输入正极端，第一绕组M另一端与第一开关管V1阳极和第一二极管D1阳极连接，第二绕组N另一端与第二开关管V2阳极和第二二极管D2阳极连接，第三绕组P另一端与第三开关管V3阳极和第三二极管D3阳极连接，第一二极管D1阴极、第二二极管D2阴极、第三二极管D3阴极、第四开关管V4阳极、第一电容器C1正极之间连接并作为绕组电路1输出正极端，第一开关管V1阴极、第二开关管V2阴极、第三开关管V3阴极、第一电容器C1负极之间连接并作为绕组电路1输入输出负极端；

励磁电路2由第二电容器C2、第三电容器C3、第四二极管D4、第五开关管V5、第六开关管V6组成，第二电容器C2正极与第五开关管V5阴极连接并作为励磁电路2输入输出正极端，第二电容器C2负极与第六开关管V6阴极和第四二极管D4阳极连接，第六开关管V6阳极、第四二极管D4阴极、第五开关管V5阳极、第三电容器C3正极之间连接，第三电容器C3负极作为励磁电路2输入输出负极端；

电源电路3由第五二极管D5、继电器KT、蓄电池X组成，第五二极管D5阴极作为电源电路3输出正极端，第五二极管D5阳极与继电器KT一端连接，继电器KT另一端与蓄电池X正极连接并作为电源电路3输入正极端，蓄电池X负极作为电源电路3输入输出负极端；

变电流电路4由第七开关管V7、第八开关管V8、第一电感L1、第六二极管D6、第七二极管D7、第四电容器C4组成，第七开关管V7阳极作为变电流电路4输入正极端，第七开关管V7阴极与第一电感L1一端、第六二极管D6阴极连接，第一电感L1另一端与第八开关管V8阳极、第七二极管D7阳极连接，第七二极管D7阴极与第四电容器C4正极连接并作为变电流电路4输出正极端，第四电容器C4负极、第八开关管V8阴极、第六二极管D6阳极之间连接并作为变电流电路4输入输出负极端；

隔离与逆变电路5由第二电感L2、第九开关管V9、第十开关管V10、变压器T组成，第二电感L2一端作为隔离与逆变电路5输入正极端，第二电感L2另一端连接变压器T的一次侧第一绕组a一端和一次侧第二绕组b一端，第九开关管V9阴极与第十开关管V10阴极连接并作为隔离与逆变电路5输入负极端，第九开关管V9阳极与变压器T的一次侧第一绕组a另一端连接，第十开关管V10阳极与变压器T的一次侧第二绕组b另一端连接，变压器T二次侧绕组c输出两端作为隔离与逆变电路5输出两端；

整流电路6由第十一开关管V11、第十二开关管V12、第十三开关管V13、第十四开关管V14、第五电容器C5组成，第十一开关管V11阳极与第十二开关管V12阴极连接并作为整流电路6输入一端，第十三开关管V13阳极与第十四开关管V14阴极连接并作为整流电路6输入另一端，第十一开关管V11阴极与第十三开关管V13阴极、第五电容器C5正极连接并作为整流电路6输出正极端，第十二开关管V12阳极与第十四开关管V14阳极、第五电容器C5负极连接并作为整流电路6输出负极端；

充电电路7由第十五开关管V15、第八二极管D8、第九二极管D9、第三电感L3组成，第十五开关管V15阳极作为充电电路7输入正极端，第十五开关管V15阴极与第八二极管D8阴极、第三电感L3一端连接，第三电感L3另一端与第九二极管D9阳极连接，第九二极管D9阴极作为充电电路7输出正极端，第八二极管D8阳极作为充电电路7输入输出负极端。

本实施例的开关磁阻电机在作为发电机运行时，考虑到变速运行风力驱动开关磁阻电机发电的例子；作为电动机运行时则考虑为恒速输出。

本发明实施例小功率多功能三相开关磁阻电机系统，在满足本发明控制方法之下，可以实现作为发电机发电输出、电动机转矩输出双能量传递，在发电输出中也能直接产生三路直流电输出以及一路交流电输出，具体的控制方法与过程等实施例如下：

当作为开关磁阻发电机运行时，根据开关磁阻电机转子位置信息，当第一绕组M需通电工作时，首先是励磁阶段，即第一开关管V1闭合，如果是第二绕组N励磁时则第二开关管V2闭合，第三绕组P励磁时第三开关管V3闭合，励磁所需电源分为两种模式提供：

模式一，如果采用中低励磁电压电源励磁供电，则第五开关管V5闭合，第六开关管V6断开，此时仅由第三电容器C3的储能作为励磁电源向需要励磁的绕组供电；比如是第一绕组M励磁的话，则沿着C3-V5-M-V1-C3回路励磁供电，第二绕组N励磁则为C3-V5-N-V2-C3，第三绕组P励磁则为C3-V5-P-V3-C3；

模式二，如果需采取强化励磁的措施，则第五开关管V5断开，第六开关管V6闭合，此时由第二电容器V2与第三电容器V3一起作为励磁电源向需要励磁的绕组供电；根据转子位置信息，如果是第一绕组M励磁的话，则沿着C3-V6-C2-M-V1-C3回路强化励磁供电，第二绕组N励磁则为C3-V6-C2-N-V2-C3，第三绕组P励磁则为C3-V6-C2-P-V3-C3；

根据转子位置信息，以上励磁的绕组在励磁阶段结束后，相应的励磁阶段闭合的第一开关管V1或第二开关管V2或第三开关管V3断开，如果断开前检测到该绕组电流低于限制值，假设为第一绕组M，则断开第一开关管V1后闭合第四开关管V4，此时第一绕组M形成M-D1-V4-M的续流回路，第一绕组M没有外在反向发电电压，其绕组电流将快速上升，待该绕组电流上升到需要值或者到达规定的最长续流时间后再断开第四开关管V4，进入发电阶段，如果励磁阶段结束时检测到该绕组电流不低于限制值，则直接进入发电阶段；发电阶段产生的电能流入变电流电路4；

在发电阶段期间，先保持第五开关管V5断开，以及第六开关管V6闭合，待到需要发电阶段的绕组电流需尽快降到零即结束时，第五开关管V5闭合，第六开关管V6断开，使得该绕组电流快速降到零从而避免进入反向转矩区；因为在第五开关管V5断开，第六开关管V6闭合时，绕组电压为发电电压即第一电容器C1两端电压减去第二电容器C2两端电压和第三电容器C3两端电压，而第五开关管V5闭合第六开关管V6断开后，绕组电压为发电电压减去第五开关管V5两端电压，此时绕组电压更大，相对绕组电流方向来说，越大的绕组电压使得绕组电流降低更快。

变电流电路4的工作由第七开关管V7和第八开关管V8控制，分为三种开关控制模式：

模式一，第七开关管V7保持闭合，第八开关管保持V8断开，变电流电路的输出电压电流与输入电压电流相等；因为此时输入直流电流直接经由V7-L1-D7后输出；

模式二，第八开关管V8保持断开，第七开关管V7进行PWM斩波开关控制方式工作，调节第七开关管V7的开关占空比，改变变电流电路4输出端的电压和电流；因为，在第七开关管V7闭合时，电流经由V7-L1-D7输出的同时向第一电感L1充电，第七开关管V7断开后，第一电感L1的储能经由D6-L1-D7输出，通过调节第七开关管V7的占空比，可调节变电流电路4输出侧的电压和电流；

模式三，第七开关管V7保持闭合，第八开关管V8进行PWM斩波开关控制方式工作，调节第八开关管V8的开关占空比，改变变电流电路4输出端的电压和电流；因为，在第八开关管V8闭合时，输入端电流沿着V7-L1-V8回路向第一电感L1充电，第四电容器4的储能单独向外输出，当第八开关管V8断开时，输入端电流加上第一电感L1一起向外输出同时向第四电容器4充电，相对模式二，输出电压更大，具体由第八开关管V8的占空比决定，输出电流也改变；

从以上变电流电路4的三种工作模式可以看出，在此工作模式下，变电流电路4等效于一个电阻，在第七开关管V7和第八开关管V8开关控制下，输出电压和电流相对输入端电压和电流可调节，尤其是电流能够调节，而其输入端的电流即为开关磁阻发电机的绕组输出电流，即发电电流，在风力驱动下的开关磁阻发电机系统中，发电电流如能调节改变，势必对风电系统所要的最大功率点跟踪(MPPT)控制增加了一可控参数，在基于开关磁阻发电机的风电领域，发电电流往往面临无法控制的问题，而本实施例下，发电电流可调，势必为其MPPT控制提供一可控参数，增强了MPPT控制的灵活性。

隔离与逆变电路5的工作由第九开关管V9和第十开关管V10交替开关工作，即第九开关管V9闭合期间第十开关管V10断开，第十开关管V10闭合期间第九开关管V9断开，该两支开关管占空比均固定为0.5；结合附图1所示变压器T的一次侧两个绕组和二次侧绕组极性可见，此时变压器T二次侧绕组c两端将得到方向交变的交流电，其输出后再经交流滤波器以及调压器，可实现所需交流电源输出，其交流频率可调，即为第九开关管V9和第十开关管V10的开关交变频率。

隔离与逆变电路5输出的交流电一个分支作为整流电路6的输入，整流电路6为单相桥式整流电路，四支开关管均为全控型电力电子开关器件，其中第十一开关管V11与第十四开关管V14作为一组同时闭合或断开，第十二开关管V12与第十三开关管V13作为另一组同时闭合或断开，该两组开关管根据输入的交流电电位方向即输入的交流电频率交替工作，即其中一组闭合另一组断开；通过调节整流电路6的四支开关管的开关占空比(开通期间采用PWM方式)，调节了整流电路6输出的直流电压和电流大小；另外，相对工频来说，本实施例的隔离与逆变电路5输出交流电频率要高的多，从而高频整流后电能质量更高。

整流电路6的输出，除直接向外部供应直流电之外，同时作为充电电路7的输入，充电电路7是在检测到蓄电池X电量低于下限值时起动工作，具体由第十五开关管V15按照PWM方式进行开关控制，否则该开关管保持断开；通过调节第十五开关管V15的开关占空比，可以改变给予蓄电池X两端的充电电压和电流，以满足蓄电池的需要；待检测到蓄电池X电量满电后，第十五开关管V15断开并保持，充电电路7停止工作；工作中的机理为：第十五开关管V15闭合时，充电电路7输入端电流直接经V15-L3-D9输出并同时向第三电感L3充电，待第十五开关管V15断开后，第三电感L3的储能经由D8-L3-D9续流输出。

检测到励磁电路2的第二电容器C2和第三电容器C3的储能低于下限值时，继电器KT闭合，电源电路3开始工作，即蓄电池X经由X-KT-D5向励磁电路的第二电容器C2和第三电容器C3充电，检测到充电满电后，继电器KT断开。

另外，作为开关磁阻发电机运行时的起动时，首先由蓄电池X作为电源，开关磁阻电机作为电动机起动，继电器KT闭合，根据开关磁阻电机转子位置信息，蓄电池X向需要供电的绕组供电产生电动转矩，同时蓄电池X也向第二电容器C2和第三电容器C3充电；待开关磁阻电机起动运转起来达到发电工况最低切入转速(风力机驱动最低转速)后再进入发电机工况下检测、运行控制。

以上的运行及控制实例中，均为开关磁阻发电机的运行控制，本实施例的开关磁阻电机无需作为发电机发电时，根据需要，可以作为开关磁阻电动机运行使用，当继电器KT闭合，根据开关磁阻电机转子位置信息，当然是基于开关磁阻电动机起动运行的位置信息，需要第一绕组M或第二绕组N或第三绕组P通电产生电动转矩时，相应的第一开关管V1或第二开关管V2或第三开关管V3闭合导通，由蓄电池X向需要通电的绕组通电产生电动转矩，做电动机运行；在电动机工况运行时，各相绕组续流产生的多余电能(相当于发电机工况时的发电阶段，只是根据开关磁阻电机原理，电动机工况时的励磁供电关断时刻大大延后，续流发电输出电能大大减少)仍将提供给变电流电路4，此时变电流电路4的第七开关管V7保持闭合，第八开关管V8保持断开，隔离与逆变电路5、整流电路6也与发电机工况时一样工作，充电电路7则根据检测到的蓄电池X是否缺电状态决定是否提供充电工作，当充电电路7输出的最大电能不足以给蓄电池X充电时，由于第九二极管D9的作用，蓄电池X中的余能也不会损失即反向流入充电电路7。

Claims (2)

1.小功率三相开关磁阻电机系统，由绕组电路、励磁电路、电源电路、变电流电路、隔离与逆变电路、整流电路、充电电路组成，其技术特征是，所述绕组电路的输入正负极两端与所述励磁电路的输出正负极两端一一对应连接，励磁电路的输入和输出各自的正负极两端相同，也一一对应连接所述电源电路的输出正负极两端，绕组电路的输出正负极两端与所述变电流电路的输入正负极两端一一对应连接，变电流电路的输出正负极两端与所述隔离与逆变电路的输入正负极两端一一对应连接，隔离与逆变电路的输出两端连接所述整流电路的输入两端，整流电路的输出正负极两端与所述充电电路的输入正负极两端一一对应连接，充电电路的输出正负极两端与电源电路的输入正负极两端一一对应连接，隔离与逆变电路输入负极端、变电流电路输入和输出负极端、绕组电路输入和输出负极端、励磁电路输入和输出负极端、电源电路输入和输出负极端、充电电路输入和输出负极端、整流电路输出负极端之间短接；

绕组电路由第一绕组、第二绕组、第三绕组、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电容器组成，所述第一绕组一端、所述第二绕组一端、所述第三绕组一端、所述第四开关管阴极之间连接并作为绕组电路输入正极端，第一绕组另一端与所述第一开关管阳极和所述第一二极管阳极连接，第二绕组另一端与所述第二开关管阳极和所述第二二极管阳极连接，第三绕组另一端与所述第三开关管阳极和所述第三二极管阳极连接，第一二极管阴极、第二二极管阴极、第三二极管阴极、第四开关管阳极、所述第一电容器正极之间连接并作为绕组电路输出正极端，第一开关管阴极、第二开关管阴极、第三开关管阴极、第一电容器负极之间连接并作为绕组电路输入输出负极端；

励磁电路由第二电容器、第三电容器、第四二极管、第五开关管、第六开关管组成，所述第二电容器正极与所述第五开关管阴极连接并作为励磁电路输入输出正极端，第二电容器负极与所述第六开关管阴极和所述第四二极管阳极连接，第六开关管阳极、第四二极管阴极、第五开关管阳极、所述第三电容器正极之间连接，第三电容器负极作为励磁电路输入输出负极端；

电源电路由第五二极管、继电器、蓄电池组成，所述第五二极管阴极作为电源电路输出正极端，第五二极管阳极与所述继电器一端连接，继电器另一端与所述蓄电池正极连接并作为电源电路输入正极端，蓄电池负极作为电源电路输入输出负极端；

变电流电路由第七开关管、第八开关管、第一电感、第六二极管、第七二极管、第四电容器组成，所述第七开关管阳极作为变电流电路输入正极端，第七开关管阴极与所述第一电感一端、所述第六二极管阴极连接，第一电感另一端与所述第八开关管阳极、所述第七二极管阳极连接，第七二极管阴极与所述第四电容器正极连接并作为变电流电路输出正极端，第四电容器负极、第八开关管阴极、第六二极管阳极之间连接并作为变电流电路输入输出负极端；

隔离与逆变电路由第二电感、第九开关管、第十开关管、变压器组成，所述第二电感一端作为隔离与逆变电路输入正极端，第二电感另一端连接所述变压器的一次侧第一绕组一端和一次侧第二绕组一端，所述第九开关管阴极与所述第十开关管阴极连接并作为隔离与逆变电路输入负极端，第九开关管阳极与变压器的一次侧第一绕组另一端连接，第十开关管阳极与变压器的一次侧第二绕组另一端连接，变压器二次侧绕组输出两端作为隔离与逆变电路输出两端；

整流电路由第十一开关管、第十二开关管、第十三开关管、第十四开关管、第五电容器组成，所述第十一开关管阳极与所述第十二开关管阴极连接并作为整流电路输入一端，所述第十三开关管阳极与所述第十四开关管阴极连接并作为整流电路输入另一端，第十一开关管阴极与第十三开关管阴极、所述第五电容器正极连接并作为整流电路输出正极端，第十二开关管阳极与第十四开关管阳极、第五电容器负极连接并作为整流电路输出负极端；

充电电路由第十五开关管、第八二极管、第九二极管、第三电感组成，所述第十五开关管阳极作为充电电路输入正极端，第十五开关管阴极与所述第八二极管阴极、所述第三电感一端连接，第三电感另一端与所述第九二极管阳极连接，第九二极管阴极作为充电电路输出正极端，第八二极管阳极作为充电电路输入输出负极端。

2.根据权利要求1所述的小功率三相开关磁阻电机系统的控制方法，其技术特征是，

当作为开关磁阻发电机运行时，根据开关磁阻电机转子位置信息，需要第一绕组励磁时第一开关管闭合，第二绕组励磁时第二开关管闭合，第三绕组励磁时第三开关管闭合，励磁所需电源分为两种模式提供：

模式一，第五开关管闭合，第六开关管断开，此时仅由第三电容器的储能作为励磁电源向需要励磁的绕组供电；

模式二，第五开关管断开，第六开关管闭合，此时由第二电容器与第三电容器一起作为励磁电源向需要励磁的绕组供电；

根据转子位置信息，以上励磁的绕组在励磁阶段结束后，相应的励磁阶段闭合的第一开关管或第二开关管或第三开关管断开，如果断开前检测到该绕组电流低于限制值，则断开后闭合第四开关管，待该绕组电流上升到需要值或者到达规定的最长续流时间后再断开第四开关管，进入发电阶段，如果励磁阶段结束时检测到该绕组电流不低于限制值，则直接进入发电阶段；发电阶段产生的电能流入变电流电路；

在发电阶段期间，先保持第五开关管断开，以及第六开关管闭合，待到需要发电阶段的绕组电流需尽快降到零时，第五开关管闭合，第六开关管断开，使得该绕组电流快速降到零从而避免进入反向转矩区；

变电流电路的工作由第七开关管和第八开关管控制，分为三种开关控制模式：

模式一，第七开关管保持闭合，第八开关管保持断开，变电流电路的输出电压电流与输入电压电流相等；

模式二，第八开关管保持断开，第七开关管进行PWM斩波开关控制方式工作，调节第七开关管的开关占空比，改变变电流电路输出端的电压和电流；

模式三，第七开关管保持闭合，第八开关管进行PWM斩波开关控制方式工作，调节第八开关管的开关占空比，改变变电流电路输出端的电压和电流；该模式下得到比模式一和模式二更大的输出电压；

隔离与逆变电路的工作由第九开关管和第十开关管交替开关工作，即第九开关管闭合期间第十开关管断开，第十开关管闭合期间第九开关管断开，该两支开关管占空比均固定为0.5；

整流电路为单相桥式整流电路，四支开关管均为全控型电力电子开关器件，其中第十一开关管与第十四开关管作为一组同时闭合或断开，第十二开关管与第十三开关管作为另一组同时闭合或断开，该两组开关管根据输入的交流电电位高低交替工作，即其中一组闭合另一组断开；

充电电路是在检测到蓄电池电量低于下限值时起动工作，具体由第十五开关管按照PWM方式进行开关控制，否则该开关管保持断开；通过调节第十五开关管的开关占空比，可以改变给予蓄电池两端的充电电压和电流，以满足蓄电池的需要；待检测到蓄电池电量满电后，第十五开关管断开并保持，充电电路停止工作；

检测到励磁电路的第二电容器和第三电容器的储能低于下限值时，继电器闭合，电源电路开始工作，即蓄电池向励磁电路的第二电容器和第三电容器充电，检测到充电满电后，继电器断开；

作为开关磁阻发电机运行时，在初始起动时，首先由蓄电池作为电源，开关磁阻电机作为电动机起动，继电器闭合，根据开关磁阻电机转子位置信息，蓄电池向需要供电的绕组供电产生电动转矩，同时蓄电池也向第二电容器和第三电容器充电；待开关磁阻电机起动运转起来达到发电工况最低切入转速后再进入发电机工况下检测、运行控制；

当作为开关磁阻电动机运行时，继电器闭合，根据开关磁阻电机转子位置信息，需要第一绕组或第二绕组或第三绕组通电产生电动转矩时，相应的第一开关管或第二开关管或第三开关管闭合导通，由蓄电池向需要通电的绕组通电产生电动转矩，做电动机运行；在电动机工况运行时，各相绕组续流产生的多余电能仍将提供给变电流电路，此时变电流电路的第七开关管保持闭合，第八开关管保持断开，隔离与逆变电路、整流电路也与发电机工况时一样工作，充电电路则根据检测到的蓄电池是否处于缺电状态来决定是否提供充电工作。