CN108429462B - 一种四相开关磁阻电机功率变换器 - Google Patents

Abstract

一种四相开关磁阻电机功率变换器，由八个开关管、四个二极管、两个电容器、蓄电池、电感、隔离双向DC/DC组成，主电路中每相隔两相绕组组成一组，主电路完成励磁及发电的同时可升高输出电压值，励磁蓄电池可根据需要充电，同时可反向馈能，作为电动机运行时采用本发明的同一套功率变换器；结构简单，控制方便，开关管开关频率低，损耗低，灵活性、适应性强，适用于各类发电/电动场合。

Description

一种四相开关磁阻电机功率变换器

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机领域，具体涉及一种四相绕组开关磁阻电机的高性能功率变换系统及其调控方法。

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，其中一相绕组不工作不影响其他相绕组的正常工作，容错性强，具有广阔的应用前景。

开关磁阻电机作为风力发电机应用时，相对双馈异步或永磁同步风力发电机，又具有成本低廉可靠性高的优点；作为各行各业电动机运行，其优良的本体结构和运行特点，也具备相当的优势。

开关磁阻电机一般由多个相绕组置于定子上，根据定转子之间凸极和凹槽的相对位置决定具体通电的相绕组，各相绕组分时工作；作为发电机工作时，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、发电都要围绕连接其绕组的功率变换电路的运行控制实现，没有绕组功率变换电路，开关磁阻发电机自然没有任何意义。

开关磁阻发电机运行时，现有功率变换系统，在励磁阶段，励磁电源大多实现了自励模式，不过很多新型自励电源结构和控制都较为复杂，并且系统运行期间励磁电源必须一起工作，没有间歇；传统他励模式缺点明显，主要是人工维护、充电或换电池工作量大，如果能克服此缺点，他励模式励磁供电稳定的优点也得以体现。

在开关磁阻电机系统的某些应用领域，譬如汽车发电机、野外无电源地区的发电和电力驱动等等场合，需要根据不同需求，在不同时段分别进行发电和电动运行，那么，一套功率变换器同时适应发电和电动不同的工况，则势必降低系统成本、减小体积重量。

在实际中，开关磁阻发电机发出的直流电往往需要较高电压值以适应负载侧的需要，除后续采取一定措施升压之外，开关磁阻电机功率变换器本身输出端直流电压如果过低，势必也增加后续升压的压力，甚至需要几级升压，增大了系统损耗，降低了发电效率，依靠功率变换器本身实现一级升压是大势所趋。

当开关磁阻发电机作为风力发电机应用时，风电工况复杂，尤其并网运行时，对功率变换系统的调控能力要求极高，功率变换器主电路输出电能，励磁电源(自励模式)吸收输出端电能属于常规情况，如果励磁电源在一定条件下能反向输出电能，则势必对输出端负载譬如风电并网适应性做出贡献。

功率变换电路，自然要用到功率开关管，尤其当众多开关管在高频开关工作时，开关管的损耗及带来的散热问题严重，典型的解决方法除增加大规模散热装置外，增加软开关装置及其控制系统是比较流行的，当然，这势必又增加了功率变换系统的复杂度，降低了可靠性。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种简易结构自励磁充电、励磁系统可馈能、直接高电压增益输出、低频开关、参量灵活可控的开关磁阻电机简易功率变换器及其调控方法。

本发明的技术方案为：

一种四相开关磁阻电机功率变换器，由蓄电池、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、第七开关管、第八开关管、第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组、第四相绕组、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容器、第二电容器、电感、隔离双向DC/DC组成，其技术特征是，所述蓄电池正极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、所述第四开关管阳极、所述隔离双向DC/DC输出正极端，第一开关管阴极连接所述第一相绕组一端，第一相绕组另一端连接所述第三相绕组一端、所述第一二极管阳极、所述第五开关管阳极，第二开关管阴极连接第三相绕组另一端，第三开关管阴极连接所述第二相绕组一端，第二相绕组另一端连接所述第四相绕组一端、所述第二二极管阳极、所述第六开关管阳极，第四开关管阴极连接第四相绕组另一端，第一二极管阴极连接第二二极管阴极、所述第一电容器正极、所述第七开关管阳极、所述第三二极管阴极，并作为输出正极端，蓄电池负极连接第五开关管阴极、第六开关管阴极、第一电容器负极、所述第八开关管阴极、所述第四二极管阳极、所述第二电容器负极、隔离双向DC/DC输入和输出负极端，并作为输出负极端，第七开关管阴极连接第三二极管阳极、第八开关管阳极、第四二极管阴极、所述电感一端，电感另一端连接第二电容器正极、隔离双向DC/DC输入正极端。

本发明的一种四相开关磁阻电机功率变换器的控制方法为：本发明功率变换器中所有开关管的初始状态均为断开状态；所有开关管的控制均由专门的控制器根据检测信号输出实现；

当开关磁阻电机作为发电机运行时：根据开关磁阻发电机运行原理，结合转子位置信息，当检测到第一相绕组需通电工作时，首先同时闭合导通第一开关管和第五开关管，蓄电池向第一相绕组供电励磁，此为励磁阶段；根据转子位置信息，励磁阶段结束时，断开第五开关管，保持第一开关管导通状态，第一相绕组续流发电向外输出并向第一电容器充电，此为发电阶段；根据转子位置信息，发电阶段结束时断开第一开关管；

相应地，当检测到第二相绕组需通电工作时，同时闭合第三开关管和第六开关管，蓄电池供电励磁，励磁阶段结束断开第六开关管进入发电阶段，发电阶段结束断开第三开关管；当检测到第三相绕组需通电工作时，同时闭合第二开关管和第五开关管，蓄电池供电励磁，励磁阶段结束断开第五开关管进入发电阶段，发电阶段结束断开第二开关管；当检测到第四相绕组需通电工作时，同时闭合第四开关管和第六开关管，蓄电池供电励磁，励磁阶段结束断开第六开关管进入发电阶段，发电阶段结束断开第四开关管；

当检测到蓄电池两端电压低于下限值时，第七开关管闭合导通，输出端电能经由电感及隔离双向DC/DC向蓄电池充电，同时向第二电容器充电，当第七开关管断开时，电感中的储能经由第四二极管续流，并经隔离双向DC/DC向蓄电池充电，同时向第二电容器充电以滤波；第七开关管如此按照一定占空比进行开关作业，通过调节其占空比以调节所提供给蓄电池的电压及电流满足需求；当检测到蓄电池满电时，第七开关管断开停止充电；

当检测到负载即输出端所需电能过大，即需要蓄电池电能馈入输出端时，第八开关管按PWM模式开关作业，当第八开关管闭合导通时，蓄电池电能经隔离双向DC/DC、电感、第八开关管向电感充电；当第八开关管断开时，蓄电池电能、电感储能共同经第三二极管向外输出及给第一电容器充电；

当开关磁阻电机作为电动机运行时：当检测到第一相绕组需通电工作时，第一开关管和第五开关管同时闭合导通，检测到第一相绕组需断电时，同时关断第一开关管和第五开关管；当检测到第二相绕组需通电工作时，第三开关管和第六开关管同时闭合导通，检测到第二相绕组需断电时，同时关断第三开关管和第六开关管；当检测到第三相绕组需通电工作时，第二开关管和第五开关管同时闭合导通，检测到第二相绕组需断电时，同时关断第二开关管和第五开关管；当检测到第四相绕组需通电工作时，第四开关管和第六开关管同时闭合导通，检测到第四相绕组需断电时，同时关断第四开关管和第六开关管；

开关磁阻电动机运行蓄电池电能不足时，第一电容器两端接入直流电源，第七开关管按照PWM模式工作向蓄电池充电同时向各绕组励磁。

本发明的技术效果主要有：

(1)本发明的结构简单，功率变换器主电路为四相绕组五开关管，成本低；并且该主电路对于每相绕组工作时，都相当于一个BOOST升压电路，所以输出端即第一电容器两端电压明显大于蓄电池电压，相当于励磁发电工作期间同时实现电压的高增益输出。

(2)虽然从本发明的电路结构看仅适用于偶数相的开关磁阻电机，并且要求相隔的两相构成一组，相邻相绕组必须在不同组，即第一相绕组和第三相绕组构成一组，第二相绕组和第四相绕组构成一组，但这种结构却能适应在任何瞬时有两相绕组同时工作的场合，譬如某相绕组励磁，相邻某相绕组发电，而当前多数开关磁阻电机的重叠系数大于零(即根据转子位置信息，仅考虑各自相绕组是否需要工作，任何瞬时都会有两相绕组处于工作状态)，所以该结构适应性更强。

(3)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、第六开关管的开关状态严格根据转子位置信息确定，但在其总的闭合导通区间中，也可以进行PWM控制，进而可实现电流斩波控制模式。

(4)蓄电池本身就是一个直流电源，不需要持续充电，只有在低于下限时第七开关管才进行PWM控制；当特殊工况(风电领域低电压穿越、负载剧烈变化等)需要反向馈能时第八开关管才进行PWM开关控制；所以总的开关损耗低，同时反向馈能对整个系统也是保护作用。

(5)根据第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管根据转子位置信息的开关特点，他们之间为分时分别工作，从而输出端第一电容器两端电压和电流不会出现累积性波动，总体呈平稳态，电能质量高。

(6)本发明的开关磁阻电机功率变换器，也可以作为电动机运行，长时间电动运行时，外接直流电源经由第七开关管向蓄电池充电，从而可保证长期电动运行；另外，该功率变换器的结构，作为发电机运行时的起动阶段，也可以如电动机运行控制下实现自起动，无需另外单独的起动系统。

(7)本发明的结构，对输入输出工况适应性强，譬如风电工况，尤其变速风电等均可适应。

附图说明

图1所示为本发明的一种四相开关磁阻电机功率变换器系统结构图。

具体实施方式

本实施例的开关磁阻电机为四相绕组，按分布于定子上的相邻顺序分别为M/N/P/Q四相绕组，每相绕组由两个支绕组组成并且对称绕制在不同的定子凸极上，即定子八个凸极，如附图1所示为本实施例四相绕组开关磁阻电机的功率变换器电路，另外有控制器根据所需检测信息对功率变换器电路各个开关管实施控制。

本实施例的四相开关磁阻电机功率变换器，由蓄电池X、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、第七开关管V7、第八开关管V8、第一相绕组M、第二相绕组N、第三相绕组P、第四相绕组Q、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一电容器C1、第二电容器C2、电感L、隔离双向DC/DC1组成，蓄电池X正极连接第一开关管V1阳极、第二开关管V2阳极、第三开关管V3阳极、第四开关管V4阳极、隔离双向DC/DC1输出正极端，第一开关管V1阴极连接第一相绕组M一端，第一相绕组M另一端连接第三相绕组P一端、第一二极管D1阳极、第五开关管V5阳极，第二开关管V2阴极连接第三相绕组P另一端，第三开关管V3阴极连接第二相绕组N一端，第二相绕组N另一端连接第四相绕组Q一端、第二二极管D2阳极、第六开关管V6阳极，第四开关管V4阴极连接第四相绕组Q另一端，第一二极管D1阴极连接第二二极管D2阴极、第一电容器C1正极、第七开关管V7阳极、第三二极管D3阴极，并作为输出正极端，蓄电池X负极连接第五开关管V5阴极、第六开关管V6阴极、第一电容器C1负极、第八开关管V8阴极、第四二极管D4阳极、第二电容器C2负极、隔离双向DC/DC1输入和输出负极端，并作为输出负极端，第七开关管V7阴极连接第三二极管D3阳极、第八开关管V8阳极、第四二极管D4阴极、电感L一端，电感L另一端连接第二电容器C2正极、隔离双向DC/DC1输入正极端。

本发明功率变换器中所有开关管的初始状态均为断开状态，所有开关管的控制均由专门的控制器根据检测信号输出实现。

当开关磁阻电机作为发电机运行时：根据开关磁阻发电机运行原理，结合转子位置信息，当检测到第一相绕组M需通电工作时，首先同时闭合导通第一开关管V1和第五开关管V5，蓄电池X向第一相绕组M供电励磁，回路为：X-V1-M-V5-X，此为励磁阶段，此时第一二极管反偏置截止；根据转子位置信息，励磁阶段结束时，断开第五开关管V5，保持第一开关管V1导通状态，第一相绕组M续流发电向外输出并向第一电容器C1充电，回路为：M-D1-C1-X-V1-M，此为发电阶段，可见此时相当于蓄电池X和第一相绕组M共同向第一电容器C1充电及输出；根据转子位置信息，发电阶段结束时断开第一开关管V1；

相应地，当检测到第二相绕组N需通电工作时，同时闭合第三开关管V3和第六开关管V6，蓄电池X供电励磁，励磁阶段结束断开第六开关管V6进入发电阶段，发电阶段结束断开第三开关管V3；当检测到第三相绕组P需通电工作时，同时闭合第二开关管V2和第五开关管V5，蓄电池X供电励磁，励磁阶段结束断开第五开关管V5进入发电阶段，发电阶段结束断开第二开关管V2；当检测到第四相绕组Q需通电工作时，同时闭合第四开关管V4和第六开关管V6，蓄电池X供电励磁，励磁阶段结束断开第六开关管V6进入发电阶段，发电阶段结束断开第四开关管V4；具体来说，各相绕组的励磁和发电模式相同，可以得到：

Us＝Ux/(1-D) (1)

式(1)中，Us为输出平均电压即第一电容器C1两端平均电压，Ux为蓄电池X电压，D为与四相绕组串联的四个开关管的开关占空比，原则上1＞D＞0，占空比不可随意调节，受开关磁阻发电机转速即转子位置信息约束，实际中一般0.5＞D＞0.25，可见本发明的功率变换主电路可同时实现高电压增益，最高可达4倍增益。

当检测到蓄电池X两端电压低于下限值时，第七开关管V7闭合导通，输出端电能经由电感L及隔离双向DC/DC1向蓄电池X充电，同时向第二电容器C2充电，回路为：V7-L-1(C2)-X-1-C1-V7；当第七开关管V7断开时，电感L中的储能经由第四二极管D4续流，并经隔离双向DC/DC1向蓄电池X充电，同时向第二电容器C2充电以滤波，回路为：L-1(C2)-X-1-D4-L；第七开关管V7如此按照一定占空比进行开关作业，通过调节其占空比以调节所提供给蓄电池X的电压及电流满足需求；当检测到蓄电池X满电时，第七开关管V7断开停止充电；第七开关管V7开关工作时，相当于一个降压电路，蓄电池X两端电压肯定小于输出电压值，所以不存在系统工作中输出电压持续升高(发电阶段输出电压为蓄电池X电压与相绕组电压之和)的情况。

当检测到负载即输出端所需电能过大，即需要蓄电池X电能馈入输出端时，第八开关管V8按PWM模式开关作业(第七开关管V7一直断开状态)，当第八开关管V8闭合导通时，蓄电池X电能经隔离双向DC/DC1、电感L、第八开关管V8向电感L充电，回路为：X-1-L-V8-1-X；当第八开关管V8断开时，蓄电池X电能、电感L储能共同经第三二极管D3向外输出及给第一电容器C1充电，回路为：X-1-L-D3-C1-1-X，并且此开关工作模式下，输出电压大于蓄电池X两端电压，适当调节第八开关管V8占空比，以满足输出端对电压的要求。

当开关磁阻电机作为电动机运行时：当检测到第一相绕组M需通电工作时，第一开关管V1和第五开关管V5同时闭合导通，回路为：X-V1-M-V5-X，实现励磁电动运行；检测到第一相绕组M需断电时，同时关断第一开关管V1和第五开关管V5，该相绕组工作结束；当检测到第二相绕组N需通电工作时，第三开关管V3和第六开关管V6同时闭合导通，检测到第二相绕组N需断电时，同时关断第三开关管V3和第六开关管V6；当检测到第三相绕组P需通电工作时，第二开关管V2和第五开关管V5同时闭合导通，检测到第二相绕组N需断电时，同时关断第二开关管V2和第五开关管V5；当检测到第四相绕组Q需通电工作时，第四开关管V4和第六开关管V6同时闭合导通，检测到第四相绕组Q需断电时，同时关断第四开关管V4和第六开关管V6；

开关磁阻电动机运行蓄电池X电能不足时，第一电容器C1两端接入外部直流电源，第七开关管V7按照PWM模式工作向蓄电池X充电同时向各绕组励磁。

Claims (2)

1.一种四相开关磁阻电机功率变换器，由蓄电池、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、第七开关管、第八开关管、第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组、第四相绕组、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容器、第二电容器、电感、隔离双向DC/DC组成，其特征在于，所述蓄电池正极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、所述第四开关管阳极、所述隔离双向DC/DC输出正极端，第一开关管阴极连接所述第一相绕组一端，第一相绕组另一端连接所述第三相绕组一端、所述第一二极管阳极、所述第五开关管阳极，第二开关管阴极连接第三相绕组另一端，第三开关管阴极连接所述第二相绕组一端，第二相绕组另一端连接所述第四相绕组一端、所述第二二极管阳极、所述第六开关管阳极，第四开关管阴极连接第四相绕组另一端，第一二极管阴极连接第二二极管阴极、所述第一电容器正极、所述第七开关管阳极、所述第三二极管阴极，并作为输出正极端，蓄电池负极连接第五开关管阴极、第六开关管阴极、第一电容器负极、所述第八开关管阴极、所述第四二极管阳极、所述第二电容器负极、隔离双向DC/DC输入和输出负极端，并作为输出负极端，第七开关管阴极连接第三二极管阳极、第八开关管阳极、第四二极管阴极、所述电感一端，电感另一端连接第二电容器正极、隔离双向DC/DC输入正极端。

2.根据权利要求1所述的一种四相开关磁阻电机功率变换器的控制方法，该方法为：功率变换器中所有开关管的初始状态均为断开状态；所有开关管的控制均由专门的控制器根据检测信号输出实现；

当开关磁阻电机作为发电机运行时：根据开关磁阻发电机运行原理，结合转子位置信息，当检测到第一相绕组需通电工作时，首先同时闭合导通第一开关管和第五开关管，蓄电池向第一相绕组供电励磁，此为励磁阶段；根据转子位置信息，励磁阶段结束时，断开第五开关管，保持第一开关管导通状态，第一相绕组续流发电向外输出并向第一电容器充电，此为发电阶段；根据转子位置信息，发电阶段结束时断开第一开关管；

相应地，当检测到第二相绕组需通电工作时，同时闭合第三开关管和第六开关管，蓄电池供电励磁，励磁阶段结束断开第六开关管进入发电阶段，发电阶段结束断开第三开关管；当检测到第三相绕组需通电工作时，同时闭合第二开关管和第五开关管，蓄电池供电励磁，励磁阶段结束断开第五开关管进入发电阶段，发电阶段结束断开第二开关管；当检测到第四相绕组需通电工作时，同时闭合第四开关管和第六开关管，蓄电池供电励磁，励磁阶段结束断开第六开关管进入发电阶段，发电阶段结束断开第四开关管；

当检测到蓄电池两端电压低于下限值时，第七开关管闭合导通，输出端电能经由电感及隔离双向DC/DC向蓄电池充电，同时向第二电容器充电，当第七开关管断开时，电感中的储能经由第四二极管续流，并经隔离双向DC/DC向蓄电池充电，同时向第二电容器充电以滤波；第七开关管如此按照一定占空比进行开关作业，通过调节其占空比以调节所提供给蓄电池的电压及电流满足需求；当检测到蓄电池满电时，第七开关管断开停止充电；

当检测到负载即输出端所需电能过大，即需要蓄电池电能馈入输出端时，第八开关管按PWM模式开关作业，当第八开关管闭合导通时，蓄电池电能经隔离双向DC/DC、电感、第八开关管向电感充电；当第八开关管断开时，蓄电池电能、电感储能共同经第三二极管向外输出及给第一电容器充电；

当开关磁阻电机作为电动机运行时：当检测到第一相绕组需通电工作时，第一开关管和第五开关管同时闭合导通，检测到第一相绕组需断电时，同时关断第一开关管和第五开关管；当检测到第二相绕组需通电工作时，第三开关管和第六开关管同时闭合导通，检测到第二相绕组需断电时，同时关断第三开关管和第六开关管；当检测到第三相绕组需通电工作时，第二开关管和第五开关管同时闭合导通，检测到第二相绕组需断电时，同时关断第二开关管和第五开关管；当检测到第四相绕组需通电工作时，第四开关管和第六开关管同时闭合导通，检测到第四相绕组需断电时，同时关断第四开关管和第六开关管；

开关磁阻电动机运行期间蓄电池电能不足时，第一电容器两端接入直流电源，第七开关管按照PWM模式工作向蓄电池充电同时向所需相绕组励磁。