CN108448972B - 他励高增益开关磁阻电机简易功率变换器系统 - Google Patents

Abstract

他励高增益开关磁阻电机简易功率变换器系统，每相绕组配置一个开关管和一个二极管，结构简单，控制方便，变压器的引入，帮助实现高电压增益和隔离功能，本发明功率变换器除简便的完成励磁和发电两大阶段的发电机工况运行外，同样的控制模式可作为电动机工况控制运行，适用于各类小功率开关磁阻发电机/电动机系统场合。

Description

他励高增益开关磁阻电机简易功率变换器系统

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机领域，具体涉及一种他励型高增益电压的开关磁阻电机简易结构功率变换器及其控制方法。

背景技术

开关磁阻电机结构简单坚固，转子上无绕组、无永磁体，散热压力小，可靠性高，制造成本低廉，当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。

开关磁阻电机一般由多个相绕组对称分布于定子凸极上，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，各相绕组根据相对的转子位置信息分时分别工作；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，在绕组电感最大区域前后通电首先励磁，励磁阶段电机相绕组吸收外来励磁电源的电能储存磁能，后续根据实时转子位置信息结束励磁阶段并换流进入发电阶段，相绕组中储存的磁能转化为电能输出，待进入绕组电感最小区域时电流降至零完成工作，必要时中间再引入续流阶段以提高发电阶段起始电流；作为电动机工作时，每相绕组工作的主体为励磁阶段，在绕组电感最小区域或电感上升开始时通电励磁，待进入绕组电感最大区域前后关断励磁完成工作，必要时在励磁结束后提供续流回路将绕组中的剩余磁能释放。

开关磁阻电机的励磁、续流、发电都要围绕连接其绕组的变换电路的运行控制实现，没有绕组变换电路，开关磁阻电机的运行就无从谈起，所以变换器意义重大。

当前开关磁阻电机的功率变换器，最典型的为不对称半桥结构的，优点非常明显，在业界获得广泛应用，但该结构所需功率开关器件多。

开关磁阻电机作为发电机时，目前大多数功率变换器输出的直流电压较低，往往不能适应负载端的需要，绝大多数后续要配备专门的DC/DC升压装置，并且加装隔离措施，如果功率变换器本身能引入升压及隔离环节，则势必能减轻甚至取消后续的升压及隔离装置。

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，尤其再加之控制模式接近的话，由于控制器无需复杂化，势必具有广泛的前景。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种结构及其简单，同时还具备隔离和高电压增益，又能同时适应发电和电动工况运行控制的开关磁阻电机功率变换器及其调控方法。

本发明的技术方案为：

他励高增益开关磁阻电机简易功率变换器系统，由蓄电池、第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、变压器、电容器组成，其技术特征是，所述蓄电池正极连接所述第一相绕组一端、所述第二相绕组一端、所述第三相绕组一端、所述变压器一次侧绕组一端，蓄电池负极连接所述第一开关管阴极、所述第二开关管阴极、所述第三开关管阴极，变压器一次侧绕组另一端连接所述第一二极管阴极、所述第二二极管阴极、所述第三二极管阴极，第一二极管阳极连接第一相绕组另一端、第一开关管阳极，第二二极管阳极连接第二相绕组另一端、第二开关管阳极，第三二极管阳极连接第三相绕组另一端、第三开关管阳极，变压器二次侧绕组一端连接所述第四二极管阳极，第四二极管阴极连接所述电容器正极，电容器负极连接变压器二次侧绕组另一端；变压器一次侧绕组和二次侧绕组极性相反，并且变压器一次侧绕组匝数小于二次侧绕组匝数。

本发明的他励高增益开关磁阻电机简易功率变换器系统的控制方法为：本发明功率变换器中所有功率开关管均为全控型电力电子开关管，它们的初始状态均为断开状态；所有功率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，当第一相绕组需投入工作时，第一开关管闭合导通，蓄电池作为励磁电源给第一相绕组励磁，根据转子位置信息励磁阶段结束时关断第一开关管，第一相绕组的储能经由第一二极管向变压器一次侧绕组释放，并与变压器二次侧绕组耦合后经由第四二极管向电容器充电并向外输出；当第二相绕组需投入工作时，第二开关管闭合导通，蓄电池作为励磁电源给第二相绕组励磁，根据转子位置信息励磁阶段结束时关断第二开关管，第二相绕组的储能经由第二二极管向变压器一次侧绕组释放，并与变压器二次侧绕组耦合后经由第四二极管向电容器充电并向外输出；当第三相绕组需投入工作时，第三开关管闭合导通，蓄电池作为励磁电源给第三相绕组励磁，根据转子位置信息励磁阶段结束时关断第三开关管，第三相绕组的储能经由第三二极管向变压器一次侧绕组释放，并与变压器二次侧绕组耦合后经由第四二极管向电容器充电并向外输出；

当开关磁阻电机作为电动机运行时，与作为发电机时各开关管开关控制模式相同，不同处在于各开关管开关时的转子位置不同，按照开关磁阻电动机运行原理执行。

本发明的技术效果主要有：

(1)本发明的功率变换器结构及其简单，平均每相绕组仅需要一只开关管，从而控制简便，可靠性高；并且在如此简单结构下能同时实现电磁隔离和高电压增益功能。

(2)当变压器二次侧绕组匝数多于一次侧绕组匝数时，电容器两端即输出电压将实现升压，并且该变压器同时实现了如上所述的隔离功能，为后续的升压及隔离减轻了负担。

(3)本发明的功率变换器可适应开关磁阻发电机和电动机运行，并且除了开关控制的转子位置角度点不同外，两种工况下的变流控制模式完全相同，电动机工况下励磁结束后的续流电能可输出，具有可再生性。

附图说明

图1所示为本发明的他励高增益开关磁阻电机简易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三相绕组12/8极结构，按分布于定子上的相邻顺序分别为M/N/P三相绕组，每相绕组由四个支绕组组成并且对称绕制在不同的定子凸极上后串联，即定子十二个凸极，转子八个凸极，如附图1所示为本实施例的功率变换器主电路，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；所有开关管为IGBT或电力MOSFET或GTR或碳化硅或氮化镓等全控型器件。

本发明实施例由蓄电池X、第一相绕组M、第二相绕组N、第三相绕组P、第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、变压器T、电容器C组成，蓄电池X正极连接第一相绕组M一端、第二相绕组N一端、第三相绕组P一端、变压器T一次侧绕组a一端，蓄电池X负极连接第一开关管V1阴极、第二开关管V2阴极、第三开关管V3阴极，变压器X一次侧绕组a另一端连接第一二极管D1阴极、第二二极管D2阴极、第三二极管D3阴极，第一二极管D1阳极连接第一相绕组M另一端、第一开关管V1阳极，第二二极管D2阳极连接第二相绕组N另一端、第二开关管V2阳极，第三二极管D3阳极连接第三相绕组P另一端、第三开关管V3阳极，变压器T二次侧绕组b一端连接第四二极管D4阳极，第四二极管D4阴极连接电容器C正极，电容器C负极连接变压器T二次侧绕组b另一端；变压器T一次侧绕组a和二次侧绕组b极性相反，并且变压器T一次侧绕组a匝数为二次侧绕组b匝数的三分之一。

本实施例的他励高增益开关磁阻电机简易功率变换器系统的控制方法：功率变换器中所有功率开关管均为全控型电力电子开关管，它们的初始状态均为断开状态；所有功率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，当第一相绕组M需投入工作时，第一开关管V1闭合导通，蓄电池X作为励磁电源给第一相绕组M励磁，回路为：X-M-V1-X，根据转子位置信息励磁阶段结束时关断第一开关管V1，第一相绕组M的储能经由第一二极管D1向变压器T一次侧绕组a释放，回路为：M-D1-a-M，随后并与变压器T二次侧绕组b耦合后经由第四二极管D4向电容器C充电并向外输出；当第二相绕组N需投入工作时，第二开关管V2闭合导通，蓄电池X作为励磁电源给第二相绕组N励磁，根据转子位置信息励磁阶段结束时关断第二开关管V2，第二相绕组N的储能经由第二二极管D2向变压器T一次侧绕组a释放，并与变压器T二次侧绕组b耦合后经由第四二极管D4向电容器C充电并向外输出；当第三相绕组P需投入工作时，第三开关管V3闭合导通，蓄电池X作为励磁电源给第三相绕组P励磁，根据转子位置信息励磁阶段结束时关断第三开关管V3，第三相绕组P的储能经由第三二极管D3向变压器T一次侧绕组a释放，并与变压器T二次侧绕组b耦合后经由第四二极管D4向电容器C充电并向外输出；由于变压器T二次侧绕组b与一次侧绕组a匝数比为3∶1，则相对来说输出电压增益三倍。

当开关磁阻电机作为电动机运行时，与作为发电机时各开关管开关控制模式相同，不同处在于各开关管开关时的转子位置不同，按照开关磁阻电动机运行原理执行，即电感模型最小区域通电励磁，最大区域断电。

Claims (2)

1.他励高增益开关磁阻电机功率变换器系统，其特征是，包括蓄电池、第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、变压器、电容器，所述蓄电池正极连接所述第一相绕组一端、所述第二相绕组一端、所述第三相绕组一端、所述变压器一次侧绕组一端，蓄电池负极连接所述第一开关管阴极、所述第二开关管阴极、所述第三开关管阴极，变压器一次侧绕组另一端连接所述第一二极管阴极、所述第二二极管阴极、所述第三二极管阴极，第一二极管阳极连接第一相绕组另一端、第一开关管阳极，第二二极管阳极连接第二相绕组另一端、第二开关管阳极，第三二极管阳极连接第三相绕组另一端、第三开关管阳极，变压器二次侧绕组一端连接所述第四二极管阳极，第四二极管阴极连接所述电容器正极，电容器负极连接变压器二次侧绕组另一端；变压器一次侧绕组和二次侧绕组极性相反，并且变压器一次侧绕组匝数小于二次侧绕组匝数。

2.根据权利要求1所述的他励高增益开关磁阻电机功率变换器系统的控制方法，其特征是，所述功率变换器中所有功率开关管均为全控型电力电子开关管，它们的初始状态均为断开状态；所有功率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，当第一相绕组需投入工作时，第一开关管闭合导通，蓄电池作为励磁电源给第一相绕组励磁，根据转子位置信息励磁阶段结束时关断第一开关管，第一相绕组的储能经由第一二极管向变压器一次侧绕组释放，并与变压器二次侧绕组耦合后经由第四二极管向电容器充电并向外输出；当第二相绕组需投入工作时，第二开关管闭合导通，蓄电池作为励磁电源给第二相绕组励磁，根据转子位置信息励磁阶段结束时关断第二开关管，第二相绕组的储能经由第二二极管向变压器一次侧绕组释放，并与变压器二次侧绕组耦合后经由第四二极管向电容器充电并向外输出；当第三相绕组需投入工作时，第三开关管闭合导通，蓄电池作为励磁电源给第三相绕组励磁，根据转子位置信息励磁阶段结束时关断第三开关管，第三相绕组的储能经由第三二极管向变压器一次侧绕组释放，并与变压器二次侧绕组耦合后经由第四二极管向电容器充电并向外输出；

当开关磁阻电机作为电动机运行时，与作为发电机时各开关管开关控制模式相同，不同处在于各开关管开关时的转子位置不同，按照开关磁阻电动机运行原理执行。