CN109921704A - 一种开关磁阻发电机变流器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种开关磁阻发电机变流器及其控制方法，其变流器由变流主电路和自励变励磁电路组成，总计由三相绕组、七个开关管、十一个二极管、八个电容器、一个电感、一个电阻组成，变流主电路各相绕组励磁时每相绕组的分支绕组为并联，发电时自动为串联，输出电压被抬高，变流主电路和自励变励磁电路负极共地，自励变励磁电路输入和输出的电流在工作时不中断，并且其输出励磁电压可通过第七开关管占空比可调，本发明除第七开关管外其余开关管均处于单脉波开关模式；所以整个变流器励磁可强化、多样，输入输出电能质量高，输出电压高，开关损耗低，控制简便，适合于各类开关磁阻发电机系统领域尤其是高速小功率开关磁阻发电机系统中应用。

Description

一种开关磁阻发电机变流器及其控制方法

技术领域

本发明涉及开关磁阻发电机系统领域，具体涉及一种自强化可变励磁、励磁和发电共地、低开关损耗、高电能质量的开关磁阻发电机变流器及其控制方法。

背景技术

开关磁阻发电机近年来越来越受到重视，但其高可靠性、成本低、简单坚固的电机本体不能掩盖其对变流器的高要求，没有变流器该电机将无法工作。

开关磁阻发电机每相绕组工作中分为励磁阶段和发电阶段，并分时进行，励磁阶段吸收电能，发电阶段释放电能，所以励磁阶段时间越短并且励磁电流能尽快建立，势必能提高发电输出能力，强化励磁的方式方法目前有多种，譬如根据需要可调的励磁电压，升高励磁电压强化励磁，这就需要专门的励磁电路完成，而目前多数的励磁电路和主变流电路之间往往需要隔离环节，势必增加了成本和结构及控制的复杂度。

并且，由于励磁电路大多为自励模式下，当励磁电路的输入端电流断续时，给发电输出侧造成干扰，励磁电路输出侧如果电流断续，则励磁性能大打折扣，而采用他励蓄电池模式虽然电能稳定但人工维护成本太高。

各类变流器必然采用大量开关管，开关损耗已经是目前该领域必须重视的问题，会极大的降低变流效率，降低可靠性，目前业界主要采用的新措施是采用软开关技术，则势必增加了结构和控制的复杂度，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主变流系统共地，可以强化励磁并维持励磁电流不间断的自励磁模式，高电压和高电能质量输出，低开关损耗的开关磁阻发电机变流器及其控制方法，适合于各类开关磁阻发电机系统尤其是高速小功率开关磁阻发电机系统中应用。

本发明的技术方案为：

一种开关磁阻发电机变流器，由变流主电路和自励变励磁电路组成，其技术特征是，所述变流主电路输出正极端连接所述自励变励磁电路输入正极端，变流主电路输出负极端连接自励变励磁电路输入负极端，自励变励磁电路输出正极端连接变流主电路输入正极端，自励变励磁电路输出负极端连接变流主电路输入负极端；

所述变流主电路由第一开关管、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、第一相绕组一绕组、第一相绕组二绕组、第二相绕组一绕组、第二相绕组二绕组、第三相绕组一绕组、第三相绕组二绕组、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、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第五电容器、第六电容器组成，其技术特征是，所述第一开关管阴极连接所述第一相绕组一绕组一端，第一相绕组一绕组另一端连接所述第一二极管阳极、所述第二二极管阳极，第一二极管阴极连接所述第一相绕组二绕组一端、所述第二开关管阳极、所述第三二极管阳极，第二二极管阴极连接第一相绕组二绕组另一端、所述第一电容器一端，第三二极管阴极连接所述第二电容器一端、所述第四电容器一端、所述第六电容器一端、所述第六二极管阴极、所述第九二极管阴极，并作为变流主电路输出正极端，第一电容器另一端连接第二开关管阴极、第二电容器另一端、所述第三电容器一端、所述第四开关管阴极、第四电容器另一端、所述第五电容器一端、所述第六开关管阴极、第六电容器另一端，并作为变流主电路输出负极端、变流主电路输入负极端，第一开关管阳极连接所述第三开关管阳极、所述第五开关管阳极，并作为变流主电路输入正极端，第三开关管阴极连接所述第二相绕组一绕组一端，第二相绕组一绕组另一端连接所述第四二极管阳极、所述第五二极管阳极，第四二极管阴极连接所述第二相绕组二绕组一端、第四开关管阳极、第六二极管阳极，第五二极管阴极连接第二相绕组二绕组另一端、第三电容器另一端，第五开关管阴极连接所述第三相绕组一绕组一端，第三相绕组一绕组另一端连接所述第七二极管阳极、所述第八二极管阳极，第七二极管阴极连接所述第三相绕组二绕组一端、第六开关管阳极、第九二极管阳极，第八二极管阴极连接第三相绕组二绕组另一端、第五电容器另一端。

所述自励变励磁电路由第七开关管、第七电容器、第八电容器、电阻、第十二极管、第十一二极管、电感组成，其技术特征是，所述第七开关管阳极连接所述第七电容器一端，并作为自励变励磁电路输入正极端，第七电容器另一端连接所述电阻一端、所述第十一二极管阳极，电阻另一端连接所述第十二极管阴极，第十一二极管阴极连接第七开关管阴极、所述电感一端，电感另一端连接所述第八电容器一端，并作为自励变励磁电路输出正极端，第八电容器另一端连接第十二极管阳极，并作为自励变励磁电路输入负极端、自励变励磁电路输出负极端。

一种开关磁阻发电机变流器的控制方法为，根据开关磁阻发电机的定转子相对位置信息，当第一相绕组一绕组和第一相绕组二绕组需投入工作时，第一开关管和第二开关管闭合导通，形成自励变励磁电路输出向第一相绕组一绕组供电励磁，同时第一电容器向第一相绕组二绕组供电励磁的模式，此为励磁阶段，励磁阶段结束时关断第二开关管，进入发电阶段，第一相绕组一绕组和第一相绕组二绕组放电输出，同时第一电容器被充电，当根据转子位置信息发电阶段结束时关断第一开关管；

根据开关磁阻发电机的定转子相对位置信息，当第二相绕组一绕组和第二相绕组二绕组需投入工作时，第三开关管和第四开关管闭合导通，形成自励变励磁电路输出向第二相绕组一绕组供电励磁，同时第三电容器向第二相绕组二绕组供电励磁的模式，此为励磁阶段，励磁阶段结束时关断第四开关管，进入发电阶段，第二相绕组一绕组和第二相绕组二绕组放电输出，同时第三电容器被充电，当根据转子位置信息发电阶段结束时关断第三开关管；

根据开关磁阻发电机的定转子相对位置信息，当第三相绕组一绕组和第三相绕组二绕组需投入工作时，第五开关管和第六开关管闭合导通，形成自励变励磁电路输出向第三相绕组一绕组供电励磁，同时第五电容器向第三相绕组二绕组供电励磁的模式，此为励磁阶段，励磁阶段结束时关断第六开关管，进入发电阶段，第三相绕组一绕组和第三相绕组二绕组放电输出，同时第五电容器被充电，当根据转子位置信息发电阶段结束时关断第五开关管；

自励变励磁电路为变流主电路提供励磁电源，对励磁电压的大小要求由采用PWM模式工作的第七开关管的占空比决定。

本发明的技术效果主要有：

(1)本发明的变流主电路中各相绕组的励磁和发电，励磁时一相绕组的两个绕组并联连接强化励磁，加快励磁，发电时自动串联提升输出端发电电压，过程中没有专门的开关管进行串并联转换控制，简化了结构，直接实现高电压的输出。

(2)本发明的变流器系统，变流主电路和自励变励磁电路共地，从而无需笨重的隔离变换器，降低了成本，简化了结构。

(3)发电阶段除自动变换为两绕组串联之外，同时串联输入侧的励磁电源也会一同提供给变流主电路输出侧，所以发电电压的升压倍数高，必要时无需另外的升压设备，降低了成本，提高了可靠性。

(4)自励变励磁电路作为励磁电源，在第七开关管开关控制下，输出侧提供的励磁电能始终保持电流连续，提高了励磁性能，而其输入侧电流也为不间断状态，减轻了变流主电路输出侧在断流状态下时的负担，使得发电电压侧电能质量高。

(5)纵观整个变流器，七只开关管，仅有第七开关管为高频PWM开关控制模式，其余开关管均为单脉波开关模式，所以总体开关管的开关损耗低，提高了运行可靠性和发电效率。

附图说明

图1所示为本发明的一种开关磁阻发电机变流器结构图。

图中，1：变流主电路；2：自励变励磁电路。

具体实施方式

本实施例的一种开关磁阻发电机变流器，如附图1所示，其由变流主电路1和自励变励磁电路2组成，变流主电路1输出正极端连接自励变励磁电路2输入正极端，变流主电路1输出负极端连接自励变励磁电路2输入负极端，自励变励磁电路2输出正极端连接变流主电路1输入正极端，自励变励磁电路2输出负极端连接变流主电路1输入负极端。

变流主电路1由第一开关管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、第一相绕组一绕组M1、第一相绕组二绕组M2、第二相绕组一绕组N1、第二相绕组二绕组N2、第三相绕组一绕组P1、第三相绕组二绕组P2、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、第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4、第五电容器C5、第六电容器C6组成，第一开关管V1阴极连接第一相绕组一绕组M1一端，第一相绕组一绕组M1另一端连接第一二极管D1阳极、第二二极管D2阳极，第一二极管D1阴极连接第一相绕组二绕组M2一端、第二开关管V2阳极、第三二极管D3阳极，第二二极管D2阴极连接第一相绕组二绕组M2另一端、第一电容器C1一端，第三二极管D3阴极连接第二电容器C2一端、第四电容器C4一端、第六电容器C6一端、第六二极管D6阴极、第九二极管D9阴极，并作为变流主电路1输出正极端，第一电容器C1另一端连接第二开关管V2阴极、第二电容器C2另一端、第三电容器C3一端、第四开关管V4阴极、第四电容器C4另一端、第五电容器C5一端、第六开关管V6阴极、第六电容器C6另一端，并作为变流主电路1输出负极端、变流主电路1输入负极端，第一开关管V1阳极连接第三开关管V3阳极、第五开关管V5阳极，并作为变流主电路1输入正极端，第三开关管V3阴极连接第二相绕组一绕组N1一端，第二相绕组一绕组N1另一端连接第四二极管D4阳极、第五二极管D5阳极，第四二极管D4阴极连接第二相绕组二绕组N2一端、第四开关管V4阳极、第六二极管D6阳极，第五二极管D5阴极连接第二相绕组二绕组N2另一端、第三电容器C3另一端，第五开关管V5阴极连接第三相绕组一绕组P1一端，第三相绕组一绕组P1另一端连接第七二极管D7阳极、第八二极管D8阳极，第七二极管D7阴极连接第三相绕组二绕组P2一端、第六开关管V6阳极、第九二极管D9阳极，第八二极管D8阴极连接第三相绕组二绕组P2另一端、第五电容器C5另一端；变流主电路1的输出正负两端连接外部负载或者直流电网，该两端电压可称为发电电压，而变流主电路1输入两端电压可称为励磁电压。

第一相绕组一绕组M1和第一相绕组二绕组M2位于开关磁阻发电机对称的不同的定子凸极上，构成第一相绕组M；第二相绕组一绕组N1和第二相绕组二绕组N2位于开关磁阻发电机对称的不同的定子凸极上，构成第二相绕组N；第三相绕组一绕组P1和第三相绕组二绕组P2位于开关磁阻发电机对称的不同的定子凸极上，构成第三相绕组P。

自励变励磁电路2由第七开关管V7、第七电容器C7、第八电容器C8、电阻R、第十二极管D10、第十一二极管D11、电感L组成，第七开关管V7阳极连接第七电容器C7一端，并作为自励变励磁电路2输入正极端，第七电容器C7另一端连接电阻R一端、第十一二极管D11阳极，电阻R另一端连接第十二极管D10阴极，第十一二极管D11阴极连接第七开关管V7阴极、电感L一端，电感L另一端连接第八电容器C8一端，并作为自励变励磁电路2输出正极端，第八电容器C8另一端连接第十二极管D10阳极，并作为自励变励磁电路2输入负极端、自励变励磁电路2输出负极端。

本发明全部开关管为全控型开关器件；除以上结构外，还应具备转子位置、绕组电流、励磁电压、输出发电电压等检测装置，以及根据这些检测信息输出给全部开关管的控制器。

本实施例的开关磁阻发电机变流器的控制方法，根据开关磁阻发电机的定转子相对位置信息，当第一相绕组一绕组M1和第一相绕组二绕组M2需投入工作时，第一开关管V1和第二开关管V2闭合导通，形成自励变励磁电路2输出向第一相绕组一绕组M1供电励磁，同时第一电容器C1向第一相绕组二绕组M2供电励磁的模式，此为励磁阶段，具体为，一个回路为V1-M1-D1-V2，此回路为自励变励磁电路2输出直接给第一相绕组一绕组M1励磁，另一个回路为C1-M2-V2，此回路为第一电容器C1给第一相绕组二绕组M2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，进入发电阶段，第一相绕组一绕组M1和第一相绕组二绕组M2放电输出，同时第一电容器C1被充电，两个回路分别为：V1-M1-D2-M2-D3-C2、V1-M1-D2-C1，当根据转子位置信息发电阶段结束时关断第一开关管V1，第一相绕组M工作结束；从以上可见，励磁时由于第一相绕组M从常规各支绕组串联变为各自独立励磁后，励磁电压成倍增加，励磁能力得到强化，发电阶段时输出端的发电电压为第一相绕组一绕组M1和第一相绕组二绕组M2串联之和还要加上自励变励磁电路2输出侧的励磁电压，从而变流主电路1输出发电电压得到较大规模的抬升；

根据开关磁阻发电机的定转子相对位置信息，当第二相绕组一绕组N1和第二相绕组二绕组N2需投入工作时，或者第三相绕组一绕组P1和第三相绕组二绕组P2需投入工作时，它们的工作模式与以上第一相绕组M的完全相同，具体各器件的对应关系为：第三开关管V3和第五开关管V5对应第一开关管V1，第二相绕组一绕组N1和第三相绕组一绕组P1对应第一相绕组一绕组M1，第四二极管D4和第七二极管D7对应第一二极管D1，第五二极管D5和第八二极管D8对应第二二极管D2，第二相绕组二绕组N2和第三相绕组二绕组P2对应第一相绕组二绕组M2，第三电容器C3和第五电容器C5对应第一电容器C1，第四开关管V4和第六开关管V6对应第二开关管V2，第六二极管D6和第九二极管D9对应第三二极管D3，第四电容器C4和第六电容器C6对应第二电容器C2。

自励变励磁电路2提供励磁电源，对励磁电压的大小要求由采用PWM模式工作的第七开关管V7的占空比决定，具体当第七开关管V7闭合导通时，形成V7-L-C8和C7-V7-L-C8-D10-R双回路给电感L充电，同时输出给变流主电路1，当第七开关管V7断开时，形成C7-D11-L-C8和D10-R-D11-L-C8双回路，此时第七电容器C7被充电，电感L释放电能并输出给变流主电路1，可见，无论第七开关管V7的闭合导通还是断开状态，自励变励磁电路2的输入端和输出端电流在工作时始终连续，由于第七开关管V7断开时，输出侧电压接近为零，所以通过调节第七开关管V7占空比可改变输出侧励磁电压平均值，并且励磁电压始终小于自励变励磁电路2输入侧的发电电压。

根据附图1所示，变流主电路中各相绕组的变流回路结构相同、控制相同，所以如不是本实施例所示的三相绕组，而是两相或四相及以上时，只是增删各自相绕组变流回路的问题，所以一样处于保护范围。

Claims (4)

1.一种开关磁阻发电机变流器，由变流主电路和自励变励磁电路组成，其技术特征是，所述变流主电路输出正极端连接所述自励变励磁电路输入正极端，变流主电路输出负极端连接自励变励磁电路输入负极端，自励变励磁电路输出正极端连接变流主电路输入正极端，自励变励磁电路输出负极端连接变流主电路输入负极端。

2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻发电机变流器，其技术特征是，所述变流主电路由第一开关管、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、第一相绕组一绕组、第一相绕组二绕组、第二相绕组一绕组、第二相绕组二绕组、第三相绕组一绕组、第三相绕组二绕组、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、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第五电容器、第六电容器组成，其技术特征是，所述第一开关管阴极连接所述第一相绕组一绕组一端，第一相绕组一绕组另一端连接所述第一二极管阳极、所述第二二极管阳极，第一二极管阴极连接所述第一相绕组二绕组一端、所述第二开关管阳极、所述第三二极管阳极，第二二极管阴极连接第一相绕组二绕组另一端、所述第一电容器一端，第三二极管阴极连接所述第二电容器一端、所述第四电容器一端、所述第六电容器一端、所述第六二极管阴极、所述第九二极管阴极，并作为变流主电路输出正极端，第一电容器另一端连接第二开关管阴极、第二电容器另一端、所述第三电容器一端、所述第四开关管阴极、第四电容器另一端、所述第五电容器一端、所述第六开关管阴极、第六电容器另一端，并作为变流主电路输出负极端、变流主电路输入负极端，第一开关管阳极连接所述第三开关管阳极、所述第五开关管阳极，并作为变流主电路输入正极端，第三开关管阴极连接所述第二相绕组一绕组一端，第二相绕组一绕组另一端连接所述第四二极管阳极、所述第五二极管阳极，第四二极管阴极连接所述第二相绕组二绕组一端、第四开关管阳极、第六二极管阳极，第五二极管阴极连接第二相绕组二绕组另一端、第三电容器另一端，第五开关管阴极连接所述第三相绕组一绕组一端，第三相绕组一绕组另一端连接所述第七二极管阳极、所述第八二极管阳极，第七二极管阴极连接所述第三相绕组二绕组一端、第六开关管阳极、第九二极管阳极，第八二极管阴极连接第三相绕组二绕组另一端、第五电容器另一端。

3.根据权利要求1所述的一种开关磁阻发电机变流器，其技术特征是，所述自励变励磁电路由第七开关管、第七电容器、第八电容器、电阻、第十二极管、第十一二极管、电感组成，其技术特征是，所述第七开关管阳极连接所述第七电容器一端，并作为自励变励磁电路输入正极端，第七电容器另一端连接所述电阻一端、所述第十一二极管阳极，电阻另一端连接所述第十二极管阴极，第十一二极管阴极连接第七开关管阴极、所述电感一端，电感另一端连接所述第八电容器一端，并作为自励变励磁电路输出正极端，第八电容器另一端连接第十二极管阳极，并作为自励变励磁电路输入负极端、自励变励磁电路输出负极端。

4.根据权利要求1、2、3所述的一种开关磁阻发电机变流器的控制方法为，根据开关磁阻发电机的定转子相对位置信息，当第一相绕组一绕组和第一相绕组二绕组需投入工作时，第一开关管和第二开关管闭合导通，形成自励变励磁电路输出向第一相绕组一绕组供电励磁，同时第一电容器向第一相绕组二绕组供电励磁的模式，此为励磁阶段，励磁阶段结束时关断第二开关管，进入发电阶段，第一相绕组一绕组和第一相绕组二绕组放电输出，同时第一电容器被充电，当根据转子位置信息发电阶段结束时关断第一开关管；

根据开关磁阻发电机的定转子相对位置信息，当第二相绕组一绕组和第二相绕组二绕组需投入工作时，第三开关管和第四开关管闭合导通，形成自励变励磁电路输出向第二相绕组一绕组供电励磁，同时第三电容器向第二相绕组二绕组供电励磁的模式，此为励磁阶段，励磁阶段结束时关断第四开关管，进入发电阶段，第二相绕组一绕组和第二相绕组二绕组放电输出，同时第三电容器被充电，当根据转子位置信息发电阶段结束时关断第三开关管；

根据开关磁阻发电机的定转子相对位置信息，当第三相绕组一绕组和第三相绕组二绕组需投入工作时，第五开关管和第六开关管闭合导通，形成自励变励磁电路输出向第三相绕组一绕组供电励磁，同时第五电容器向第三相绕组二绕组供电励磁的模式，此为励磁阶段，励磁阶段结束时关断第六开关管，进入发电阶段，第三相绕组一绕组和第三相绕组二绕组放电输出，同时第五电容器被充电，当根据转子位置信息发电阶段结束时关断第五开关管；

自励变励磁电路为变流主电路提供励磁电源，对励磁电压的大小要求由采用PWM模式工作的第七开关管的占空比决定。