CN108039844B - 一种开关磁阻发电机功率变换器及调控方法 - Google Patents

Abstract

一种开关磁阻发电机功率变换器及调控方法，由主电路与励磁电路两大部分组成，主电路每相绕组的控制回路由两个开关管和一个二极管组成，励磁时两个开关管闭合，发电时下端开关管断开，相绕组与励磁电源串联输出，从而发电电压获得高增益，节省了后续升压成本；励磁电路为两个隔离型变压电路并联后交替工作的结构和控制模式，除实现与发电电压解耦利于励磁外，可根据系统需要调节励磁电压，增加了系统的可控性，并且当中两个开关管交替开关，并联输出后电流平稳，提高了绕组电流测控可靠性，并降低转矩脉动，降低电磁噪音和噪声；全系统比较适合于中小功率的局域直流微电网的发电终端使用开关磁阻发电机系统时的领域。

Description

一种开关磁阻发电机功率变换器及调控方法

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机系统领域，具体涉及一种励磁电压解耦的交替工作励磁电路和发电电压直接高增益主电路的开关磁阻发电机功率变换器系统及其调控方法。

背景技术

开关磁阻电机结构简单坚固，制造成本低廉，转子上无绕组、无永磁体，可靠性高，具有广阔的应用前景，作为发电机的话更是在宽速度范围内具有高性能表现的能力。

开关磁阻发电机一般由2-5相绕组置于定子上，根据定转子之间凸极的相对位置决定通电的相绕组，每相绕组工作时一般分为励磁和发电两大阶段，励磁阶段为电机相绕组吸收外来励磁电源的电能储存磁能，后续根据转子相对定子位置结束励磁阶段进入发电阶段，相绕组中储存的磁能转化为电能输出。

开关磁阻发电机的励磁、发电都要围绕对其功率变换器的运行控制实现，没有功率变换器，开关磁阻发电机自然没有任何意义。

功率变换器主电路目前以不对称半桥型结构为主，所用器件较多；不管是自励型还是他励型功率变换器，励磁电源电压往往无法独立调节，虽然目前也有一些励磁电压与发电电压(开关磁阻发电机发电输出端电压)解耦并可独立调节的电路，但在可靠性方面有所欠缺，励磁电源开关管出现故障后励磁电源往往就无法工作，即整个开关磁阻发电机系统必须停止工作。

发电机发出电能后，往往需要输出后再行提升电压水平以利于并网或负载高电压需要，开关磁阻发电机系统领域多数时候是在发电输出后再增加升压措施，比如先逆变，然后经升压变压器升压，或者输出的直流电经直流升压电路实现等，增加了整个系统的结构复杂度。

开关磁阻电机的转矩脉动问题一直是业界的一块心病，开关磁阻发电机的转矩脉动，同时也往往带来发电电能质量不高的问题，业界有些励磁电源，尤其是自励型结构的，励磁电源输出的电压和电流往往会出现较大的周期性脉动，势必加大转矩脉动问题。

发明内容

根据以上的背景技术及问题，本发明就提出了一种结构简单，可靠性高容错性强，自电压增益，交替工作降脉动励磁电路，独立变励磁电压等的开关磁阻发电机功率变换器系统及其调控方法。

本发明的技术方案为：

一种开关磁阻发电机功率变换器，由主电路与励磁电路组成，其技术特征是，所述主电路输出电能，同时其输出两端连接所述励磁电路的输入两端，励磁电路的输出两端连接主电路的输入两端；

主电路由第一电容器、第二电容器、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第一绕组、第二绕组、第三绕组、第一二极管、第二二极管、第三二极管组成，其技术特征是，所述第一电容器正极作为主电路输入正极端并连接所述第一开关管阳极、所述第二开关管阳极、所述第三开关管阳极，第一开关管阴极连接所述第一绕组一端，第二开关管阴极连接所述第二绕组一端，第三开关管阴极连接所述第三绕组一端，第一绕组另一端连接所述第一二极管阳极和所述第四开关管阳极，第二绕组另一端连接所述第二二极管阳极和所述第五开关管阳极，第三绕组另一端连接所述第三二极管阳极和所述第六开关管阳极，第一二极管阴极、第二二极管阴极、第三二极管阴极和所述第二电容器正极连接并作为主电路输出即发电输出正极端以及励磁电路输入正极端，第一电容器负极作为主电路输入和输出负极端，同时也是励磁电路输入和输出负极端以及发电输出负极端；

励磁电路由两个励磁分支电路并联连接组成，其中所述第一励磁分支电路由第三电容器、第四电容器、第七开关管、第一变压器、第四二极管组成，其技术特征是，所述第三电容器的正负极两端分别作为励磁电路输入正负极两端，其正极端连接所述第一变压器的一次绕组一端，其负极端连接所述第七开关管阴极，第七开关管阳极连接第一变压器的一次绕组另一端，第一变压器的二次绕组一端连接所述第四电容器负极并作为励磁电路输出负极端，第一变压器的二次绕组另一端连接所述第四二极管阳极，第四二极管阴极连接第四电容器正极并作为励磁电路输出正极端，第一变压器的一次绕组和二次绕组极性相反；其中所述第二励磁分支电路由第五电容器、第六电容器、第八开关管、第二变压器、第五二极管组成，其技术特征是，所述第五电容器的正负极两端分别作为励磁电路输入正负极两端，其正极端连接所述第二变压器的一次绕组一端，其负极端连接所述第八开关管阴极，第八开关管阳极连接第二变压器的一次绕组另一端，第二变压器的二次绕组一端连接所述第六电容器负极并作为励磁电路输出负极端，第二变压器的二次绕组另一端连接所述第五二极管阳极，第五二极管阴极连接第六电容器正极并作为励磁电路输出正极端，第二变压器的一次绕组和二次绕组极性相反。

一种开关磁阻发电机功率变换器的调控方法，其技术特征是，根据开关磁阻发电机的转子位置信息，主电路中当第一绕组需要投入工作时，第一开关管和第四开关管闭合，励磁电路提供励磁电源向第一绕组供电励磁，根据转子位置信息及控制系统对关断角的关断时刻要求，励磁阶段结束时断开第四开关管，进入发电阶段，具体经由第一开关管给第一绕组提供续流通路向外续流发电，发电阶段结束时第一开关管再断开；第二绕组、第三绕组与第一绕组一样，根据转子位置信息对控制每相绕组的两支开关管进行开关控制，分别进行励磁和发电；

励磁电路由两个励磁分支电路并联组成，第一励磁分支电路中，当第七开关管闭合时，第一变压器一次绕组储能，待第七开关管断开时，储能经由第一变压器二次绕组经由第四二极管释放输出，额定状态时第七开关管的开关占空比为0.5，具体根据系统对输出励磁电压的大小要求调节第七开关管占空比实现；第二励磁分支电路与第一励磁分支电路调控模式相同，第八开关管与第七开关管采用相同的开关占空比和开关频率，唯一区别是第七开关管和第八开关管之间必须交替开关，二者开关动作相差半个周期相位，即在额定状态时，第七开关管闭合时第八开关管断开，第七开关管断开时第八开关管闭合；

当某一个励磁分支电路出现故障不能正常工作时，保持故障励磁分支电路的开关管断开状态，由另一个完好励磁分支电路单独工作。

本发明的技术效果主要有：

(1)相比传统的不对称半桥主电路，本发明功率变换器主电路结构更趋简单；励磁电路由两个分支电路组成，一个故障下另一个可正常工作励磁，提高了功率变换器的容错性和可靠性。

(2)主电路工作中，发电阶段的相绕组与第一电容器形成回路经由串联的二极管(与各相绕组串联的第一到第三二极管)向外输出电能，又考虑到发电阶段比励磁阶段区间时间长、功率大，从而输出端第二电容器端的发电电压(第二电容器足够大)明显大于第一电容器两端电压即励磁电压，所以通过功率变换器主电路自身可以直接实现更大的输出电压增益。

(3)第一变压器和第二变压器，既是变压器，也是各自由两个耦合的电感组成，第七开关管和第八开关管交替工作，该两个励磁分支电路工作下，经由第四二极管及第四电容器的输出电流，与经由第五二极管及第六电容器的输出电流互补，即一个电流高或上升时，另一个电流低或下降，从而他们并联后总电流互补并相对平稳的多，作为励磁电源的输出，极大地利于各相绕组励磁阶段的稳定性，电流波动性的降低，进而对开关磁阻发电机的转矩脉动抑制产生积极影响。

(4)各励磁分支电路工作中，通过同时调节第七开关管和第八开关管占空比，可改变励磁电路输出的励磁电压大小，对于开关磁阻发电机来说，可调的励磁电压，极大的增加了系统的可控性、灵活性，尤其需要强化励磁时，此时将第七开关管和第八开关管占空比调高，励磁电压增大。

(5)励磁电路具备磁隔离环节，主电路工作时，当某相绕组不工作时与其串联的两个开关管断开，所以系统安全性高，虽然本发明总体上限于中小功率场合，但本结构特别适合于并网条件下，尤其是直流微电网中的发电系统单元，而直流微电网是未来智能电网框架下较为公认的一个分支发展方向。

附图说明

图1所示为本发明开关磁阻发电机功率变换器结构图。

具体实施方式

本实施例的开关磁阻发电机功率变换器，由主电路1与励磁电路2组成，主电路1输出电能，同时其输出两端连接励磁电路2的输入两端，励磁电路2的输出两端连接主电路1的输入两端；开关磁阻发电机为三相绕组结构。

主电路由第一电容器C1、第二电容器C2、第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3、第四开关管V4、第五开关管V5、第六开关管V6、第一绕组M、第二绕组N、第三绕组P、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3组成，第一电容器C1正极作为主电路1输入正极端并连接第一开关管V1阳极、第二开关管V2阳极、第三开关管V3阳极，第一开关管V1阴极连接第一绕组M一端，第二开关管V2阴极连接第二绕组N一端，第三开关管V3阴极连接第三绕组P一端，第一绕组M另一端连接第一二极管D1阳极和第四开关管V4阳极，第二绕组N另一端连接第二二极管D2阳极和第五开关管V5阳极，第三绕组P另一端连接第三二极管D3阳极和第六开关管V6阳极，第一二极管D1阴极、第二二极管D2阴极、第三二极管D3阴极和第二电容器C2正极连接并作为主电路1输出即发电输出正极端以及励磁电路2输入正极端，第一电容器C1负极作为主电路1输入和输出负极端，同时也是励磁电路2输入和输出负极端以及发电输出负极端；

励磁电路2由两个励磁分支电路并联连接组成，其中第一励磁分支电路由第三电容器C3、第四电容器C4、第七开关管V7、第一变压器T1、第四二极管D4组成，第三电容器C3的正负极两端分别作为励磁电路2输入正负极两端，其正极端连接第一变压器T1的一次绕组a一端，其负极端连接第七开关管V7阴极，第七开关管V7阳极连接第一变压器T1的一次绕组a另一端，第一变压器T1的二次绕组b一端连接第四电容器C4负极并作为励磁电路2输出负极端，第一变压器T1的二次绕组b另一端连接第四二极管D4阳极，第四二极管D4阴极连接第四电容器C4正极并作为励磁电路2输出正极端，第一变压器T1的一次绕组a和二次绕组b极性相反；其中第二励磁分支电路由第五电容器C5、第六电容器C6、第八开关管V8、第二变压器T2、第五二极管D5组成，第五电容器C5的正负极两端分别作为励磁电路2输入正负极两端，其正极端连接第二变压器T2的一次绕组a一端，其负极端连接第八开关管V8阴极，第八开关管V8阳极连接第二变压器T2的一次绕组a另一端，第二变压器T2的二次绕组b一端连接第六电容器C6负极并作为励磁电路2输出负极端，第二变压器T2的二次绕组b另一端连接第五二极管D5阳极，第五二极管D5阴极连接第六电容器C6正极并作为励磁电路2输出正极端，第二变压器T2的一次绕组a和二次绕组b极性相反。

本实施例的开关磁阻发电机功率变换器的调控方法，根据开关磁阻发电机的转子位置信息，主电路1中假设是第一绕组M需要投入工作时，第一开关管V1和第四开关管V4闭合，励磁电路2提供励磁电源向第一绕组M供电励磁，路径为：C1-V1-M-V4-C1，随后根据转子位置信息及控制系统对关断角的关断时刻要求，励磁阶段结束时断开第四开关管V4，进入发电阶段，具体经由第一开关管V1给第一绕组M提供续流通路向外续流发电，路径为：C1-V1-M-D1-C2-C1，发电阶段结束即抵达第一绕组所在定子凸极侧凹槽中心线和受力的转子凸极中心线重合位置时，第一开关管V1再断开，完成该相绕组的工作过程；第二绕组N、第三绕组P与第一绕组M一样，根据转子位置信息对控制每相绕组的两支开关管进行开关控制，分别进行励磁和发电，对于第二绕组N，励磁阶段回路为：C1-V2-N-V5-C1，发电阶段回路为：C1-V2-N-D2-C2-C1，对于第三绕组P，励磁阶段回路为：C1-V3-P-V6-C1，发电阶段回路为：C1-V3-P-D3-C2-C1，实际上主电路的三相绕组各自组成三个并联的支路，针对每一个支路，根据其一个周期的励磁和发电过程，输出端的发电电压U1与输入端励磁电压即第一电容器C1两端电压UC1之间有如下关系：

U1＝[1/(1-S1)]*UC1 (1)

式(1)中S1为第四开关管V4或第五开关管V5或第六开关管V6的开关占空比；该式是将相绕组考虑为一个常电感的前提下，并基于该相绕组一个周期吸收和释放能量守恒为原则得到的，此时我们看到发电电压必大于励磁电压，占空比越大，发电电压增益越大；考虑到开关磁阻发电机相绕组随转子位置的电感变化数学模型，以及发电区间时长大于励磁区间时长、发电功率大于励磁功率等因素，实际中发电电压可以更高，从而通过主电路1本身直接获得高电压增益输出，并且可调控。

励磁电路2由两个励磁分支电路并联组成，第一励磁分支电路中，当第七开关管V7闭合时，第一变压器T1一次绕组a储能，待第七开关管V7断开时，储能经由第一变压器T1二次绕组b经由第四二极管D4释放输出，额定状态时第七开关管V7的开关占空比为0.5，具体根据系统对输出励磁电压的大小要求调节第七开关管V7占空比实现；第二励磁分支电路与第一励磁分支电路调控模式相同，第八开关管V8与第七开关管V7采用相同的开关占空比和开关频率，唯一区别是第七开关管V7和第八开关管V8之间必须交替开关，二者开关动作相差半个周期相位，其中在额定状态时，相当于第七开关管V7闭合时第八开关管V8断开，第七开关管V7断开时第八开关管V8闭合；

具体分析一个励磁分支电路，譬如第一励磁分支电路，第一变压器T1既是变压器，其两边绕组也相当于能储能的元件，即相当于相互耦合的两个电感，一次绕组a与二次绕组b匝数之比为2∶1，当第七开关管V7闭合后，一次绕组a的储能增加，待第七开关管V7关断时，一次绕组a的电流被强制关断，但是根据电感特性，及与其耦合的二次绕组b存在回路，将接收来自一次绕组a的储能，经由第四二极管D4释放输出，在第一变压器T1二次绕组b电感足够大，第七开关管V7占空比也不过小时，输出电流连续，并且其特点为：第七开关管V7闭合时，输出电流下降，第七开关管V7断开时，输出电流上升；根据本励磁分支电路及其调控原理，其输出电压也就是励磁电压UC1和输入端电压即发电电压U1之间又有如下关系：

UC1＝[S2/(1-S2)]*U1*1/2 (2)

式(2)中S2为第七开关管V7的开关占空比，第一变压器T1匝数比为1/2；表面看与式(1)形成了互相约束，但式(1)是将相绕组考虑为常系数电感的前提下，实际中电感随不同转子位置是变化的，不过，鉴于开关磁阻发电机中对开关角、电流斩波等控制模式下，对励磁电压产生必然的需求，所以要根据开关磁阻发电机及其供电系统的控制需要，发电电压确保时，把主电路1期望的励磁电压做为式(2)的输入，即第七开关管V7的占空比选择完全根据系统发电电压U1和励磁电压UC1的要求而定。

第二励磁分支电路与第一励磁分支电路结构及相对应器件完全相同；如前所述，唯一区别就是第七开关管V7和第八开关管V8的开关工作为交替，即相位上互差半个周期也就是180度错开，从而，当如上第一励磁分支电路工作时的输出电流上升时，第二励磁分支电路输出电流下降，反之第一励磁分支电路输出电流下降时，第二励磁分支电路输出电流上升，两个励磁分支电路并联后，输出端总电流趋于平稳，不但利于开关磁阻发电机励磁阶段工作的精确控制，而且对总体电流脉动及转矩脉动有一定的降低作用。

当某一个励磁分支电路出现故障不能正常工作时，保持故障励磁分支电路的开关管控制为断开状态，由另一个完好励磁分支电路单独工作。

必须指出的是，针对本实施例之外的诸如两相或四相或五相开关磁阻发电机，在主电路中增加或减少相应相绕组的励磁和发电回路后即可实现，并且调控方式相同，所以必然也是本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种开关磁阻发电机功率变换器，由主电路与励磁电路组成，其技术特征是，所述主电路输出电能，同时其输出两端连接所述励磁电路的输入两端，励磁电路的输出两端连接主电路的输入两端；

主电路由第一电容器、第二电容器、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第一绕组、第二绕组、第三绕组、第一二极管、第二二极管、第三二极管组成，所述第一电容器正极作为主电路输入正极端并连接所述第一开关管阳极、所述第二开关管阳极、所述第三开关管阳极，第一开关管阴极连接所述第一绕组一端，第二开关管阴极连接所述第二绕组一端，第三开关管阴极连接所述第三绕组一端，第一绕组另一端连接所述第一二极管阳极和所述第四开关管阳极，第二绕组另一端连接所述第二二极管阳极和所述第五开关管阳极，第三绕组另一端连接所述第三二极管阳极和所述第六开关管阳极，第一二极管阴极、第二二极管阴极、第三二极管阴极和所述第二电容器正极连接并作为主电路输出即发电输出正极端以及励磁电路输入正极端，第一电容器负极作为主电路输入和输出负极端，同时也是励磁电路输入和输出负极端以及发电输出负极端；

励磁电路由两个励磁分支电路并联连接组成，其中所述第一励磁分支电路由第三电容器、第四电容器、第七开关管、第一变压器、第四二极管组成，所述第三电容器的正负极两端分别作为励磁电路输入正负极两端，其正极端连接所述第一变压器的一次绕组一端，其负极端连接所述第七开关管阴极，第七开关管阳极连接第一变压器的一次绕组另一端，第一变压器的二次绕组一端连接所述第四电容器负极并作为励磁电路输出负极端，第一变压器的二次绕组另一端连接所述第四二极管阳极，第四二极管阴极连接第四电容器正极并作为励磁电路输出正极端，第一变压器的一次绕组和二次绕组极性相反；其中所述第二励磁分支电路由第五电容器、第六电容器、第八开关管、第二变压器、第五二极管组成，其技术特征是，所述第五电容器的正负极两端分别作为励磁电路输入正负极两端，其正极端连接所述第二变压器的一次绕组一端，其负极端连接所述第八开关管阴极，第八开关管阳极连接第二变压器的一次绕组另一端，第二变压器的二次绕组一端连接所述第六电容器负极并作为励磁电路输出负极端，第二变压器的二次绕组另一端连接所述第五二极管阳极，第五二极管阴极连接第六电容器正极并作为励磁电路输出正极端，第二变压器的一次绕组和二次绕组极性相反。

2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻发电机功率变换器的调控方法，其技术特征是，根据开关磁阻发电机的转子位置信息，主电路中当第一绕组需要投入工作时，第一开关管和第四开关管闭合，励磁电路提供励磁电源向第一绕组供电励磁，根据转子位置信息及控制系统对关断角的关断时刻要求，励磁阶段结束时断开第四开关管，进入发电阶段，具体经由第一开关管给第一绕组提供续流通路向外续流发电，发电阶段结束时第一开关管再断开；第二绕组、第三绕组与第一绕组一样，根据转子位置信息对控制每相绕组的两支开关管进行开关控制，分别进行励磁和发电；

励磁电路由两个励磁分支电路并联组成，第一励磁分支电路中，当第七开关管闭合时，第一变压器一次绕组储能，待第七开关管断开时，储能经由第一变压器二次绕组经由第四二极管释放输出，额定状态时第七开关管的开关占空比为0.5，具体根据系统对输出励磁电压的大小要求调节第七开关管占空比实现；第二励磁分支电路与第一励磁分支电路调控模式相同，第八开关管与第七开关管采用相同的开关占空比和开关频率，唯一区别是第七开关管和第八开关管之间必须交替开关，二者开关动作相差半个周期相位，即在额定状态时，第七开关管闭合时第八开关管断开，第七开关管断开时第八开关管闭合；

当某一个励磁分支电路出现故障不能正常工作时，保持故障励磁分支电路的开关管断开状态，由另一个完好励磁分支电路单独工作。