CN108429498B - 一种开关磁阻发电机变流系统 - Google Patents

Abstract

一种开关磁阻发电机变流系统，由12个二极管、7个开关管、2个电容器，以及三相绕组组成，没有专门的励磁电源电路，每相绕组的两个分支在励磁时并联起到强化励磁效果，励磁的同时在满足第一电容器电压高于输出端电压的条件时可实现电能输出，发电阶段输出电能的同时也反向可对提供励磁电能的第一电容器充电；整个系统可扩展性、灵活性强，损耗低，电能质量高，做成各类中小功率单发电机组系统并适应需要直流电源的负载或者直流微电网的需要。

Description

一种开关磁阻发电机变流系统

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机领域，具体涉及一种无需励磁电源、可自强化励磁、励磁阶段和发电阶段均可输出电能的灵活可控、低损耗、高可靠性的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法。

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；作为发电机应用时，其中一相绕组不工作不影响其他相绕组的发电输出工作，容错性强，具有广阔的应用前景。

近年来直流输电日益受到电力部门的重视，局域的直流电网在部分地方已初具雏形，高压、超高压、特高压直流输电及并网也在发展中，也由此衍生了越来越多的负载设备直接采用直流电源供电，而开关磁阻发电机就可直接输出直流电，当然，输出的直流电能质量越高，意义越大。

开关磁阻发电机一般由3-5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，必要时中间再引入续流阶段(部分变流器及其控制方法配合下可以实现)，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，续流阶段的引入为了满足更大的发电阶段起始电流需求。

开关磁阻发电机的励磁、续流、发电都要围绕连接其绕组的变流电路的运行控制实现，没有绕组变流电路，开关磁阻发电机自然没有任何意义；提到变流电路，自然少不了大量可控电力电子开关管的使用，而这些开关管应用中，开关损耗，尤其高频开关工作的开关损耗是业界研究的一大问题，过高的开关损耗造成系统电能的损失，效率低下，并且加大了开关管的因损耗大而发热严重的损坏可能性。

由于励磁阶段以吸收电能为主，希望能短时间更快速的建立励磁电流，即强化励磁，从而给发电阶段留足更多时间及更大起始电流，提高电能输出能力，基于此，业界目前常常需要设计专门的励磁电源来强化励磁，但这些强化励磁方式，往往需要单独增加带有可控开关管的专门励磁电源实现，降低了系统的可靠性，加大了控制的复杂度，并且当励磁电源出现故障时，整台开关磁阻发电机将停机不能运行，使得本身具备发电高容错性能的开关磁阻发电机优势无法发挥出来，如果在每相绕组的变流支路内部实现强化励磁，则不存在此问题。

开关磁阻发电机的励磁阶段，历来在业界几乎统一认为属于完全吸收电能的阶段，当然，至目前为止，国内外已有的开关磁阻发电机变流系统，励磁阶段也均为单纯吸收电能的阶段，如此造成的一大后果是，有一段时间(励磁阶段)输出端得不到电能，也就是说，输出端的电压、电流波动性较大。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种不需要专门的励磁电源、相绕组自强化励磁2倍电压、可选续流阶段、一定条件下励磁阶段也能输出电能的高质量、高可靠性、灵活可扩展及适应性强的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法。

本发明的技术方案为：

一种开关磁阻发电机变流系统，由第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管、第十一二极管、第十二二极管、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、第七开关管、第一相绕组第一支绕组、第一相绕组第二支绕组、第二相绕组第一支绕组、第二相绕组第二支绕组、第三相绕组第一支绕组、第三相绕组第二支绕组组成，其技术特征是，所述第一二极管阳极、所述第一电容器负极、所述第二电容器负极、所述第五开关管阴极连接，第一二极管阴极连接所述第一开关管阴极、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、所述第二二极管阳极，第一电容器正极连接第一开关管阳极、所述第三二极管阴极，第二开关管阴极连接所述第一相绕组第一支绕组一端、所述第四二极管阳极，第一相绕组第一支绕组另一端连接所述第五二极管阳极和所述第六二极管阳极，第四二极管阴极连接第五二极管阴极和所述第一相绕组第二支绕组一端，第一相绕组第二支绕组另一端连接第六二极管阴极以及所述第九二极管阴极、所述第二相绕组第二支绕组一端、所述第十二二极管阴极、所述第三相绕组第二支绕组一端、第三二极管阳极、第五开关管阳极、所述第六开关管阳极、所述第七开关管阴极，第三开关管阴极连接所述第二相绕组第一支绕组一端和所述第七二极管阳极，第二相绕组第一支绕组另一端连接所述第八二极管阳极和第九二极管阳极，第七二极管阴极连接第八二极管阴极和第二相绕组第二支绕组另一端，第四开关管阴极连接所述第三相绕组第一支绕组一端和所述第十二极管阳极，第三相绕组第一支绕组另一端连接所述第十一二极管阳极和第十二二极管阳极，第十二极管阴极连接第十一二极管阴极和第三相绕组第二支绕组另一端，第二二极管阴极连接第二电容器正极、第六开关管阴极、第七开关管阳极。

本发明一种开关磁阻发电机变流系统的控制方法为：

根据开关磁阻发电机运行原理，三个相绕组根据转子位置按先后顺序分时交替工作；

当第一相绕组的两个支绕组需通电工作时，首先与其连接的第二开关管和第一开关管、第五开关管同时闭合导通，其余开关管处于断开状态，第一电容器作为电源向第一相绕组的两个支绕组供电励磁，同时，当第一电容器两端电压高于第二电容器两端电压即输出电压时，励磁的同时第一电容器的电能也经由第二二极管向外输出；根据转子位置信息在以上励磁阶段结束时同时关闭第一开关管和第五开关管，并给第六开关管闭合导通的驱动信号，此时进入第一相绕组的发电阶段，发出的电能一部分向第一电容器充电，并且当第一电容器两端电压大于第二电容器两端电压即输出电压时，第六开关管闭合导通即另一部分电能向第二电容器充电及输出，如果根据转子位置信息励磁阶段结束时第一相绕组的两个支绕组电流低于所需值，此时增加一个续流阶段，即第一开关管断开而第五开关管保持闭合导通，此时第一相绕组的两个支绕组经由第五开关管和第一二极管构成回路并且电流快速增加直到满足需求或达到续流最大位置时再关断第五开关管；发电阶段结束并且下一相绕组励磁阶段开始的同时再关断第二开关管；

当第二相绕组的两个支绕组需通电工作时，首先与其连接的第三开关管和第一开关管、第五开关管同时闭合导通，其余开关管处于断开状态，第一电容器作为电源向第二相绕组的两个支绕组供电励磁，同时，当第一电容器两端电压高于第二电容器两端电压即输出电压时，励磁的同时第一电容器的电能也经由第二二极管向外输出；根据转子位置信息在以上励磁阶段结束时同时关闭第一开关管和第五开关管，并给第六开关管闭合导通的驱动信号，此时进入第二相绕组的发电阶段，发出的电能一部分向第一电容器充电，并且当第一电容器两端电压大于第二电容器两端电压即输出电压时，第六开关管闭合导通即另一部分电能向第二电容器充电及输出，如果根据转子位置信息励磁阶段结束时第二相绕组的两个支绕组电流低于所需值，此时增加一个续流阶段，即第一开关管断开而第五开关管保持闭合导通，此时第二相绕组的两个支绕组经由第五开关管和第一二极管构成回路并且电流快速增加直到满足需求或达到续流最大位置时再关断第五开关管；发电阶段结束并且下一相绕组励磁阶段开始的同时再关断第三开关管；

当第三相绕组的两个支绕组需通电工作时，首先与其连接的第四开关管和第一开关管、第五开关管同时闭合导通，其余开关管处于断开状态，第一电容器作为电源向第三相绕组的两个支绕组供电励磁，同时，当第一电容器两端电压高于第二电容器两端电压即输出电压时，励磁的同时第一电容器的电能也经由第二二极管向外输出；根据转子位置信息在以上励磁阶段结束时同时关闭第一开关管和第五开关管，并给第六开关管闭合导通的驱动信号，此时进入第三相绕组的发电阶段，发出的电能一部分向第一电容器充电，并且当第一电容器两端电压大于第二电容器两端电压即输出电压时，第六开关管闭合导通即另一部分电能向第二电容器充电及输出，如果根据转子位置信息励磁阶段结束时第三相绕组的两个支绕组电流低于所需值，此时增加一个续流阶段，即第一开关管断开而第五开关管保持闭合导通，此时第三相绕组的两个支绕组经由第五开关管和第一二极管构成回路并且电流快速增加直到满足需求或达到续流最大位置时再关断第五开关管；发电阶段结束并且下一相绕组励磁阶段开始的同时再关断第四开关管；

在开关磁阻发电机每次起动之前，检测到第一电容器两端电压低于所需最低励磁电压，也低于输出端电压时，闭合导通第七开关管，向第一电容器充电直至高于所需的最低励磁电压再关断第七开关管。

本发明的技术效果主要有：

(1)本发明的变流系统结构无需专门的励磁电源，从而简化了结构，降低了成本，也降低了控制的复杂度，也就不存在励磁电源损坏使得整台机组必须停机的窘境，提高了可靠性。

(2)在励磁阶段，每相绕组的两个支绕组为并联连接励磁，譬如第一相绕组第一支绕组、第六二极管支路，与第四二极管、第一相绕组第二支绕组支路，二者之间并联，从而第一电容器给予的励磁电压值加到每个支绕组上，而不是各自二分之一，从而起到了自强化励磁的效果，因为励磁电压越大，相绕组电流上升越快，进而提高开关磁阻发电机系统的电能输出能力。

(3)本发明的结构，可以通过相关开关管的开关控制，在励磁阶段和发电阶段之间根据需要与否增加一个续流阶段，增强了系统的灵活性。

(4)本发明的结构及其控制方法下，在一定条件下，励磁阶段也能输出电能，这打破了业界的传统认知，即励磁阶段完全是吸收电能、只有发电阶段才能输出电能的认知，励磁阶段能发出电能，使得输出端电压和电流波形更平稳，为后续滤波带来的压力更小，电能质量高。

(5)从本发明的控制方法可见，所有开关管均无需高频或PWM控制，各开关管开关频率低，从而开关损耗低，变流系统效率高。

(6)本发明的结构及其控制方法下，适应性强：譬如应用于风电领域、发电并网或直流负载领域、频繁起动场合等；配以控制器前提下智能化程度高：一定条件下自起动、无需蓄电池及大量人工参与；可扩展性强：本发明的实施例针对三相开关磁阻发电机，根据本变流系统结构可见，增加或减少相绕组数量的其他相数开关磁阻发电机，只不过是增加或减少相应的变流支路而已。

附图说明

图1所示为本发明的一种开关磁阻发电机变流系统电路结构图。

具体实施方式

本实施例的开关磁阻发电机为三相绕组，按分布于定子上的顺序分别为M/N/P三相绕组，如附图1所示。

附图1所示为本实施例三相绕组开关磁阻发电机变流系统电路结构图，由第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11、第十二二极管D12、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、第七开关管V7、第一相绕组第一支绕组M1、第一相绕组第二支绕组M2、第二相绕组第一支绕组N1、第二相绕组第二支绕组N2、第三相绕组第一支绕组P1、第三相绕组第二支绕组P2组成，第一二极管D1阳极、第一电容器C1负极、第二电容器C2负极、第五开关管V5阴极连接，第一二极管D1阴极连接第一开关管V1阴极、第二开关管V2阳极、第三开关管V3阳极、第四开关管V4阳极、第二二极管D2阳极，第一电容器C1正极连接第一开关管V1阳极、第三二极管D3阴极，第二开关管V2阴极连接第一相绕组第一支绕组M1一端、第四二极管D4阳极，第一相绕组第一支绕组M1另一端连接第五二极管D5阳极和第六二极管D6阳极，第四二极管D4阴极连接第五二极管D5阴极和第一相绕组第二支绕组M2一端，第一相绕组第二支绕组M2另一端连接第六二极管D6阴极以及第九二极管D9阴极、第二相绕组第二支绕组N2一端、第十二二极管D12阴极、第三相绕组第二支绕组P2一端、第三二极管D3阳极、第五开关管V5阳极、第六开关管V6阳极、第七开关管V7阴极，第三开关管V3阴极连接第二相绕组第一支绕组N1一端和第七二极管D7阳极，第二相绕组第一支绕组N1另一端连接第八二极管D8阳极和第九二极管D9阳极，第七二极管D7阴极连接第八二极管D8阴极和第二相绕组第二支绕组N2另一端，第四开关管V4阴极连接第三相绕组第一支绕组P1一端和第十二极管D10阳极，第三相绕组第一支绕组P1另一端连接第十一二极管D11阳极和第十二二极管D12阳极，第十二极管D10阴极连接第十一二极管D11阴极和第三相绕组第二支绕组P2另一端，第二二极管D2阴极连接第二电容器C2正极、第六开关管V6阴极、第七开关管V7阳极。

以上全部开关管均为IGBT或电力MOSFET或GTR或GTO等全控型电力电子器件。

本发明实施例的三相开关磁阻发电机变流系统的控制方法，根据开关磁阻发电机运行原理，三个相绕组M/N/P根据转子位置按先后顺序分时交替工作；

由于三相绕组所在回路结构相同，以第一相绕组M为例，当第一相绕组M的两个支绕组需通电工作时，首先与其连接的第二开关管V2和第一开关管V1、第五开关管V5同时闭合导通，其余开关管处于断开状态，第一电容器C1作为电源向第一相绕组M的两个支绕组供电励磁，励磁回路为：C1-V1-V2-M1和D6支路以及D4和M2支路并联-V5-C1，第五二极管D5、第一二极管D1、第三二极管D3均反向偏置，M1和M2各自两端电压均等于输入端励磁电压即第一电容器C1两端电压(忽略回路中管压降)，同时，当第一电容器C1两端电压高于第二电容器C2两端电压即输出电压时，励磁的同时第一电容器C1的电能也自动经由第二二极管D2向外输出，回路为：C1-V1-D2-C2-C1；

根据转子位置信息在以上励磁阶段结束时同时关闭第一开关管V1和第五开关管V5，并给第六开关管V6闭合导通的驱动信号，此时进入第一相绕组M的发电阶段，发出的电能一部分向第一电容器C1充电，回路为：M1-D5-M2-D3-C1-D1-V2-M1，并且当第一电容器C1两端电压大于第二电容器C2两端电压即输出电压时，第六开关管V6闭合导通即另一部分电能向第二电容器C2充电及输出，回路为：M1-D5-M2-V6-C2-D1-V2-M1，如果根据转子位置信息励磁阶段结束时第一相绕组M的两个支绕组电流低于所需值，此时增加一个续流阶段，即第一开关管V1断开而第五开关管V5保持闭合导通，此时第一相绕组M的两个支绕组经由第五开关管V5和第一二极管D1构成回路并且电流快速增加直到满足需求或达到续流最大位置时再关断第五开关管V5，该续流回路为：M1-D5-M2-V5-D1-V2-M1，此时由于第一相绕组M两个支绕组两端电压为零(没有励磁及发电阶段的反向电压，忽略管压降)，绕组即回路中电流将更快速上升；发电阶段结束并且下一相绕组励磁阶段开始的同时再关断第二开关管V2；

本实施例的其余两相绕组的工作与第一相绕组的工作及控制过程相同，并且第八二极管D8、第十一二极管D11对应第五二极管D5，第三开关管V3、第四开关管V4对应第二开关管V2，第七二极管D7、第十二极管D10对应第四二极管D4，第九二极管D9、第十二二极管D12对应第六二极管D6，第二相绕组第一支绕组N1、第三相绕组第一支绕组P1对应第一相绕组第一支绕组M1，第二相绕组第二支绕组N2、第三相绕组第二支绕组P2对应第一相绕组第二支绕组M2。

在开关磁阻发电机每次起动之前，检测到第一电容器C1两端电压低于所需最低励磁电压，也低于输出端电压时，闭合导通第七开关管V7，向第一电容器C1充电直至高于所需的最低励磁电压再关断第七开关管V7。

鉴于本发明的可扩展性，当扩展为非三相绕组的开关磁阻发电机时，仅仅增加或减少相绕组所在回路即可，每相绕组独立工作的控制过程完全相同，所以非三相绕组的开关磁阻发电机自然也属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种开关磁阻发电机变流系统，由第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管、第十一二极管、第十二二极管、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、第七开关管、第一相绕组第一支绕组、第一相绕组第二支绕组、第二相绕组第一支绕组、第二相绕组第二支绕组、第三相绕组第一支绕组、第三相绕组第二支绕组组成，其技术特征是，所述第一二极管阳极、所述第一电容器负极、所述第二电容器负极、所述第五开关管阴极连接，第一二极管阴极连接所述第一开关管阴极、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、所述第二二极管阳极，第一电容器正极连接第一开关管阳极、所述第三二极管阴极，第二开关管阴极连接所述第一相绕组第一支绕组一端、所述第四二极管阳极，第一相绕组第一支绕组另一端连接所述第五二极管阳极和所述第六二极管阳极，第四二极管阴极连接第五二极管阴极和所述第一相绕组第二支绕组一端，第一相绕组第二支绕组另一端连接第六二极管阴极以及所述第九二极管阴极、所述第二相绕组第二支绕组一端、所述第十二二极管阴极、所述第三相绕组第二支绕组一端、第三二极管阳极、第五开关管阳极、所述第六开关管阳极、所述第七开关管阴极，第三开关管阴极连接所述第二相绕组第一支绕组一端和所述第七二极管阳极，第二相绕组第一支绕组另一端连接所述第八二极管阳极和第九二极管阳极，第七二极管阴极连接第八二极管阴极和第二相绕组第二支绕组另一端，第四开关管阴极连接所述第三相绕组第一支绕组一端和所述第十二极管阳极，第三相绕组第一支绕组另一端连接所述第十一二极管阳极和第十二二极管阳极，第十二极管阴极连接第十一二极管阴极和第三相绕组第二支绕组另一端，第二二极管阴极连接第二电容器正极、第六开关管阴极、第七开关管阳极。

2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻发电机变流系统的控制方法，其特征是，根据开关磁阻发电机运行原理，三个相绕组根据转子位置按先后顺序分时交替工作；

当第一相绕组的两个支绕组需通电工作时，首先与其连接的第二开关管和第一开关管、第五开关管同时闭合导通，其余开关管处于断开状态，第一电容器作为电源向第一相绕组的两个支绕组供电励磁，同时，当第一电容器两端电压高于第二电容器两端电压即输出电压时，励磁的同时第一电容器的电能也经由第二二极管向外输出；根据转子位置信息在以上励磁阶段结束时同时关闭第一开关管和第五开关管，并给第六开关管闭合导通所需的驱动信号，此时进入第一相绕组的发电阶段，发出的电能一部分向第一电容器充电，并且当第一电容器两端电压大于第二电容器两端电压即输出电压时，第六开关管在原有持续的驱动信号下才闭合导通即另一部分电能向第二电容器充电及输出，如果根据转子位置信息励磁阶段结束时第一相绕组的两个支绕组电流低于所需值，此时增加一个续流阶段，即第一开关管断开而第五开关管保持闭合导通，此时第一相绕组的两个支绕组经由第五开关管和第一二极管构成回路并且电流快速增加直到满足需求或达到续流最大位置时再关断第五开关管；发电阶段结束并且下一相绕组励磁阶段开始的同时再关断第二开关管；

当第二相绕组的两个支绕组需通电工作时，首先与其连接的第三开关管和第一开关管、第五开关管同时闭合导通，其余开关管处于断开状态，第一电容器作为电源向第二相绕组的两个支绕组供电励磁，同时，当第一电容器两端电压高于第二电容器两端电压即输出电压时，励磁的同时第一电容器的电能也经由第二二极管向外输出；根据转子位置信息在以上励磁阶段结束时同时关闭第一开关管和第五开关管，并给第六开关管闭合导通所需的驱动信号，此时进入第二相绕组的发电阶段，发出的电能一部分向第一电容器充电，并且当第一电容器两端电压大于第二电容器两端电压即输出电压时，第六开关管在原有持续的驱动信号下才闭合导通即另一部分电能向第二电容器充电及输出，如果根据转子位置信息励磁阶段结束时第二相绕组的两个支绕组电流低于所需值，此时增加一个续流阶段，即第一开关管断开而第五开关管保持闭合导通，此时第二相绕组的两个支绕组经由第五开关管和第一二极管构成回路并且电流快速增加直到满足需求或达到续流最大位置时再关断第五开关管；发电阶段结束并且下一相绕组励磁阶段开始的同时再关断第三开关管；

当第三相绕组的两个支绕组需通电工作时，首先与其连接的第四开关管和第一开关管、第五开关管同时闭合导通，其余开关管处于断开状态，第一电容器作为电源向第三相绕组的两个支绕组供电励磁，同时，当第一电容器两端电压高于第二电容器两端电压即输出电压时，励磁的同时第一电容器的电能也经由第二二极管向外输出；根据转子位置信息在以上励磁阶段结束时同时关闭第一开关管和第五开关管，并给第六开关管闭合导通所需的驱动信号，此时进入第三相绕组的发电阶段，发出的电能一部分向第一电容器充电，并且当第一电容器两端电压大于第二电容器两端电压即输出电压时，第六开关管在原有持续的驱动信号下才闭合导通即另一部分电能向第二电容器充电及输出，如果根据转子位置信息励磁阶段结束时第三相绕组的两个支绕组电流低于所需值，此时增加一个续流阶段，即第一开关管断开而第五开关管保持闭合导通，此时第三相绕组的两个支绕组经由第五开关管和第一二极管构成回路并且电流快速增加直到满足需求或达到续流最大位置时再关断第五开关管；发电阶段结束并且下一相绕组励磁阶段开始的同时再关断第四开关管；

在开关磁阻发电机每次起动之前，检测到第一电容器两端电压低于所需最低励磁电压，也低于输出端电压时，闭合导通第七开关管，向第一电容器充电直至高于所需的最低励磁电压再关断第七开关管。