CN110011579B - 高速直流开关磁阻发电机变流系统 - Google Patents

Abstract

高速直流开关磁阻发电机变流系统，结构上由四相绕组、六个开关管、七个二极管、五个电容器、电感、隔离变流器组成，第一相绕组和第二相绕组变流回路结构简单并且控制模式相同，第三相绕组和第四相绕组非对称集成变流结构，依靠第四相绕组相对复杂的变流回路及调控，可实现第四相绕组自身增强发电能力的措施如续流阶段之外，可与第三相绕组相互促进，并间接提升第一相绕组和第二相绕组的发电能力；另外，本发明的结构可扩展性强，输出端串联抬高了电压，各相绕组总励磁电源经第六开关管的占空比可调，所以是一套高性能的变流系统，特别适合于高速直流开关磁阻发电机应用领域，譬如全电航空飞行器中的内部直流微电网中作为发电系统之一。

Description

高速直流开关磁阻发电机变流系统

技术领域

本发明涉及开关磁阻发电机系统领域，具体涉及一种高速开关磁阻发电机的变流系统，尤其是其变流主电路的结构和调控方法。

背景技术

目前在开关磁阻发电机应用领域，高速开关磁阻发电机尤其是在航空领域，已得到较为成熟的应用，一般转速在8千转/分钟到10万转/分钟，随着电力电子技术的发展，高速开关磁阻发电机的变流系统也得到发展。

现有的各类开关磁阻发电机的变流系统，一台开关磁阻发电机的各相绕组的变流模式、变流回路都是一样的，各相绕组变流调控模式也一样，但在一些要求高的场合，调控模式复杂，那么各相绕组由于都采用同样的结构和控制，所以造成总体的调控复杂性，同时开关损耗也大。

并且现有的开关磁阻发电机各相绕组的变流模式中，各相绕组的工作都是各自独立的，互不干扰，各自的工作根据转子位置信息进行，从而各自的变流回路也相对独立，互不利用，假如需要强化励磁，则肯定来自于专门的外部励磁电源，即使某相绕组正在强力发电阶段，其电能也不会直接参与另一相绕组励磁中的强化，所以造成系统割裂，效益得不到最大化。

开关磁阻发电机发电输出直流电后，现实中往往需要专门的升压系统才输出，增加了结构和控制的复杂性，如果依靠变流系统本身能抬升电压，则势必具有应用价值，尤其输出后接局域微直流电网的话，减少了变流环节。

另外，高速开关磁阻发电机一般来说对励磁系统要求较高，尤其是短时间内快速的建立励磁电流，即强化励磁能力，所以励磁电源往往要求可变范围较大，同时也利于提高电能输出能力；另一方面，除传统强化励磁方式外，开拓新的交互式强化励磁一定也具有新的意义。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种各相绕组变流回路差异化、互补优化并自身强化励磁、直接升压的可扩展性强的高速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：

高速直流开关磁阻发电机变流系统，由第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组、第四相绕组、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、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第五电容器、电感、隔离变流器组成，其技术特征是，所述第一相绕组一端与所述第二相绕组一端连接，并与所述第三开关管阳极、所述第五电容器正极、所述电感一端连接，第一相绕组另一端与所述第一开关管阳极、所述第一二极管阳极连接，第二相绕组另一端与所述第二开关管阳极、所述第二二极管阳极连接，第一二极管阴极与第二二极管阴极、所述第二电容器正极、所述隔离变流器输入正极端连接，第一开关管阴极与第二开关管阴极、第二电容器负极、所述第三电容器正极、所述第四开关管阴极、所述第五开关管阳极、所述第一电容器一端、所述第三相绕组一端、第五电容器负极、所述第六二极管阳极、隔离变流器输出负极端连接，第三开关管阴极与第三相绕组另一端、所述第三二极管阴极连接，第三二极管阳极与第一电容器另一端、第四开关管阳极、所述第四相绕组一端连接，第四相绕组另一端与第五开关管阴极、所述第四二极管阴极连接，第四二极管阳极与第三电容器负极、隔离变流器输入负极端连接，隔离变流器输出正极端与所述第五二极管阳极连接，第五二极管阴极与所述第四电容器正极、所述第六开关管阳极连接，第四电容器负极与第六二极管阴极、所述第七二极管阳极连接，第七二极管阴极与第六开关管阴极、电感另一端连接。

高速直流开关磁阻发电机变流系统的控制方法为：

当本发明的高速直流开关磁阻发电机变流系统工作期间，第六开关管按照PWM模式工作，具体占空比根据对第五电容器两端电压值的需要而确定；

结合开关磁阻发电机的运行原理，根据转子位置信息，当第一相绕组需要投入工作时，首先闭合第一开关管通电励磁，根据转子位置信息励磁阶段结束后关断第一开关管，进入发电阶段；当第二相绕组需要投入工作时，首先闭合第二开关管通电励磁，根据转子位置信息励磁阶段结束后关断第二开关管，进入发电阶段；

当第三相绕组需要投入工作时，首先闭合第三开关管通电励磁，根据转子位置信息励磁阶段结束后关断第三开关管进入发电阶段；

当第四相绕组需要投入工作时，首先闭合第五开关管通电励磁，根据转子位置信息，励磁阶段结束后，结合第四相绕组电流信息，第四相绕组电流低于期望值时，首先进入续流阶段，具体为：第五开关管保持闭合导通，闭合第四开关管，第四相绕组进入无压续流阶段，根据转子位置信息和第四相绕组电流信息，续流阶段结束后，进入发电阶段，励磁阶段结束时第四相绕组电流不低于期望值时则在励磁阶段后直接进入发电阶段，发电阶段分为如下两种模式供选择：

一、第四开关管闭合导通，第五开关管断开，第四相绕组的储能向外发电输出即第三电容器方向输出；

二、该模式的条件是：此时第三相绕组处于励磁阶段，并且需要强化励磁，第四相绕组发电阶段开始时第四开关管和第五开关管均断开，第四相绕组的储能分为两路，一路为与第一电容器一起发电输出，另一路经由第三相绕组发电输出，同时起到给第三相绕组补充励磁的功能。

本发明的技术效果主要有：

(1)本发明的变流系统结构可扩展性强，通过增删并联回路，也可以适应除四相开关磁阻发电机之外的诸如三相、五相、六相等开关磁阻发电机系统，而控制方法不会复杂化。

(2)本发明的各相绕组集成化强，第一相绕组和第二相绕组的变流回路相互并联，结构简单，控制简单，当然更鲜明特征的是第三相绕组和第四相绕组集成的变流回路，在业界首次实现非对称集成化共同发电和互补励磁模式，虽然第三相绕组也采取极简便的变流回路和控制方式，而通过第四相绕组的不同调控方式，促进第三相绕组的励磁能力，而第三相绕组发电阶段反过来又顺带增强第四相绕组所述励磁电源来源的第一电容器的储能，还有第四相绕组可选的无压续流阶段则，这些都增强了整个变流系统的控制灵活性、可控性，无需对其他三相绕组进行同样的复杂控制，因为靠第四相绕组有效提升发电输出后，由于本发明自励的特点，反馈后的励磁能力会增强其余三相绕组的发电能力，所以减轻了整体的负担，降低了控制复杂度和开关损耗。

(3)特别再次详细突出本发明的第三相绕组和第四相绕组的变流回路，它们集成到一起，并且是非对称性的，当开关磁阻发电机定转子结构中的重叠系数大于零时，即存在一相绕组发电输出时，相邻某相绕组处于励磁阶段的工况，若需增强励磁获得更大的发电能力，则第四相绕组根据需要可选励磁后的续流阶段增强发电阶段前的第四相绕组电流，发电阶段开始时断开第四开关管和第五开关管，第四相绕组的储能发电输出回路中，一条需经由第三相绕组，此时第三相绕组处于励磁阶段时，势必对其起到强化作用，从而第三相绕组进入发电阶段后发电能力得到提升，由于第三相绕组发电阶段的回路除发电输出外，其中包含对第一电容器的充电，而第一电容器是第四相绕组励磁阶段的励磁电能来源，所以第三相绕组和第四相绕组的工作属于互相促进，达到对开关磁阻发电机电能输出能力的进一步提升；当然，如以上(2)中所述，本发明自励变流系统下，第一相绕组和第二相绕组的励磁间接获得强化，进而全域提升发电能力，而无需每相绕组的变流回路采取同样的复杂控制。

(4)本发明的四相绕组的多种变流回路，但在输出端变为两路串联，则通过该变流结构直接抬高了输出直流电压值，减轻了后续升压的负担。

(5)第六开关管在PWM模式下工作，可根据第一到第三相绕组对励磁电压的需求，改变该PWM工作占空比，从而间接控制整个变流系统的电能输出，无需他励电源尤其是笨重的蓄电池，当隔离变流器输出侧为局域并网时，甚至无需起励电源。

总之，本发明的变流系统及控制方法特别适合于高速开关磁阻发电机系统，诸如航空领域的高速发电机系统应用。

附图说明

图1所示为本发明的高速直流开关磁阻发电机变流系统结构图。

具体实施方式

本实施例的高速直流开关磁阻发电机变流系统，由第一相绕组R1、第二相绕组R2、第三相绕组R3、第四相绕组R4、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、电感L、隔离变流器组成，第一相绕组R1一端与第二相绕组R2一端连接，并与第三开关管V3阳极、第五电容器C5正极、电感L一端连接，第一相绕组R1另一端与第一开关管V1阳极、第一二极管D1阳极连接，第二相绕组R2另一端与第二开关管V2阳极、第二二极管D2阳极连接，第一二极管D1阴极与第二二极管D2阴极、第二电容器C2正极、隔离变流器输入正极端连接，第一开关管V1阴极与第二开关管V2阴极、第二电容器C2负极、第三电容器C3正极、第四开关管V4阴极、第五开关管V5阳极、第一电容器C1一端、第三相绕组R3一端、第五电容器C5负极、第六二极管D6阳极、隔离变流器输出负极端连接，第三开关管V3阴极与第三相绕组R3另一端、第三二极管D3阴极连接，第三二极管D3阳极与第一电容器C1另一端、第四开关管V4阳极、第四相绕组R4一端连接，第四相绕组R4另一端与第五开关管V5阴极、第四二极管D4阴极连接，第四二极管D4阳极与第三电容器C3负极、隔离变流器输入负极端连接，隔离变流器输出正极端与第五二极管D5阳极连接，第五二极管D5阴极与第四电容器C4正极、第六开关管V6阳极连接，第四电容器C4负极与第六二极管D6阴极、第七二极管D7阳极连接，第七二极管D7阴极与第六开关管V6阴极、电感L另一端连接。

第二电容器C2和第三电容器C3串联后两端连接隔离变流器输入两端，隔离输出后接局域直流电网。

本实施例的高速直流开关磁阻发电机变流系统的控制方法：

当本发明的高速直流开关磁阻发电机变流系统工作期间，第六开关管V6按照PWM模式工作，其占空比根据对第五电容器C5两端电压值的需要而确定，当第六开关管V6闭合导通时，沿着D5-V6-L-C5和C4-V6-L-C5-D6两个方向通流，此时属于电感L被充电，第四电容器C4放电；当第六开关管V6断开时，沿着D5-C4-D7-L-C5和D6-D7-L-C5两个方向通流，此时属于电感L放电，第四电容器C4被充电，当然这个过程中，有功主电能来自于隔离变流器输出端，经第六开关管V6的开关工作，再经第五电容器C5端提供给四相绕组励磁电能，第六开关管V6的占空比调节依据是各相绕组对励磁电压的需求而定。

对于各相绕组的变流工作，需结合开关磁阻发电机的运行原理，根据转子位置信息，当第一相绕组R1需要投入工作时，首先闭合第一开关管V1通电励磁，根据转子位置信息励磁阶段结束后关断第一开关管V1，进入发电阶段，路径为R1-D1-C2；当第二相绕组R2需要投入工作时，首先闭合第二开关管V2通电励磁，根据转子位置信息励磁阶段结束后关断第二开关管V2，进入发电阶段，路径为R2-D2-C2，第一相绕组R1和第二相绕组R2的工作回路属于并联关系，输入和输出均并联，第一相绕组R1和第二相绕组R2的工作模式也是相同的。

当第三相绕组R3需要投入工作时，首先闭合第三开关管V3通电励磁，根据转子位置信息励磁阶段结束后关断第三开关管V3进入发电阶段，发电路径为R3-C3，同时会向第一电容器C1充电。

当第四相绕组R4需要投入工作时，首先闭合第五开关管V5通电励磁，励磁电能来自第一电容器C1，根据转子位置信息，励磁阶段结束后，结合第四相绕组R4电流信息，第四相绕组R4电流低于期望值时，首先进入续流阶段，具体为：第五开关管V5保持闭合导通，闭合第四开关管V4，形成R4-V4-V5回路，可见第四相绕组R4进入无压续流阶段，所以其电流会快速增大，根据转子位置信息和第四相绕组R4电流信息，如果第四相绕组R4电流在规定的最大结束续流阶段角度之前达到所需值，则结束续流阶段进入发电阶段，如果到最大结束续流阶段角度时第四相绕组R4电流未达到所需值，仍然结束续流阶段进入发电阶段；如果励磁阶段结束时第四相绕组R4电流不低于期望值时则在励磁阶段后直接进入发电阶段；第四相绕组R4的发电阶段分为两种调控模式：

一、第四开关管V4闭合导通，第五开关管V5断开，第四相绕组R4的储能向外发电输出即第三电容器C3方向输出，回路为R4-V4-C3；

二、这个模式进入的前提条件有两个：(1)开关磁阻发电机定转子重叠系数大于零，即存在两相绕组同时工作，并且一相绕组励磁另一相绕组发电的工况；(2)第四相绕组R4进入发电阶段时第三相绕组R3处于励磁阶段，并且根据系统要求需要强化第三相绕组R3的励磁；满足以上两条件后，第四相绕组R4发电阶段开始时第四开关管V4和第五开关管V5同时断开，第四相绕组R4的储能分为两路，一路为与第一电容器C1一起发电输出，路径为R4-C1-C3，另一路经由第三相绕组R3发电输出，路径为：R4-D3-R3-C3，可见此时起到给第三相绕组R3补充励磁的功能，该控制模式的前提条件不能同时满足时执行第一模式；事实上当第四相绕组R4发电阶段直接增强第三相绕组R3的励磁能力时，待到第三相绕组R3发电阶段时，自然增强了其发电能力，从而也就增强了向第一电容器C1供电的能力，进而又反馈了第四相绕组R4的励磁能力的提升(第一电容器C1作为第四相绕组R4的励磁电能来源)；第三相绕组R3和第四相绕组R4的如此相互促进，增加了发电输出，自然，即使在第六开关管V6占空比不变时(尤其靠V6的占空比调节的励磁能力已最大化时)，势必也间接增强了第一相绕组R1和第二相绕组R2的励磁及发电能力的提升，所以说，不依靠全域的全部相绕组的续流、多模式控制方式，依然可达到相似的提升发电能力的效果。

虽然本发明实施例针对四相绕组的开关磁阻发电机，但可以看出，第一相绕组R1和第二相绕组R2的结构和调控方法相同，并且并联，所以可扩展增加或减少，同样的第三相绕组R3和第四相绕组R4的非对称性结构的集成组合，也存在成对增加两相绕组而控制模式相同的可能，可见，这些应都是本发明保护的范围。

Claims (2)

1.高速直流开关磁阻发电机变流系统，由第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组、第四相绕组、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、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第五电容器、电感、隔离变流器组成，其技术特征是，所述第一相绕组一端与所述第二相绕组一端连接，并与所述第三开关管阳极、所述第五电容器正极、所述电感一端连接，第一相绕组另一端与所述第一开关管阳极、所述第一二极管阳极连接，第二相绕组另一端与所述第二开关管阳极、所述第二二极管阳极连接，第一二极管阴极与第二二极管阴极、所述第二电容器正极、所述隔离变流器输入正极端连接，第一开关管阴极与第二开关管阴极、第二电容器负极、所述第三电容器正极、所述第四开关管阴极、所述第五开关管阳极、所述第一电容器一端、所述第三相绕组一端、第五电容器负极、所述第六二极管阳极、隔离变流器输出负极端连接，第三开关管阴极与第三相绕组另一端、所述第三二极管阴极连接，第三二极管阳极与第一电容器另一端、第四开关管阳极、所述第四相绕组一端连接，第四相绕组另一端与第五开关管阴极、所述第四二极管阴极连接，第四二极管阳极与第三电容器负极、隔离变流器输入负极端连接，隔离变流器输出正极端与所述第五二极管阳极连接，第五二极管阴极与所述第四电容器正极、所述第六开关管阳极连接，第四电容器负极与第六二极管阴极、所述第七二极管阳极连接，第七二极管阴极与第六开关管阴极、电感另一端连接。

2.根据权利要求1所述的高速直流开关磁阻发电机变流系统的控制方法为：

当高速直流开关磁阻发电机变流系统工作期间，第六开关管按照PWM模式工作，具体占空比根据对第五电容器两端电压值的需要而确定；

结合开关磁阻发电机的运行原理，根据转子位置信息，当第一相绕组需要投入工作时，首先闭合第一开关管通电励磁，根据转子位置信息励磁阶段结束后关断第一开关管，进入发电阶段；当第二相绕组需要投入工作时，首先闭合第二开关管通电励磁，根据转子位置信息励磁阶段结束后关断第二开关管，进入发电阶段；

当第三相绕组需要投入工作时，首先闭合第三开关管通电励磁，根据转子位置信息励磁阶段结束后关断第三开关管进入发电阶段；

当第四相绕组需要投入工作时，首先闭合第五开关管通电励磁，根据转子位置信息，励磁阶段结束后，结合第四相绕组电流信息，第四相绕组电流低于期望值时，首先进入续流阶段，具体为：第五开关管保持闭合导通，闭合第四开关管，第四相绕组进入无压续流阶段，根据转子位置信息和第四相绕组电流信息，续流阶段结束后，进入发电阶段，励磁阶段结束时第四相绕组电流不低于期望值时则在励磁阶段后直接进入发电阶段，发电阶段分为如下两种模式供选择：

一、第四开关管闭合导通，第五开关管断开，第四相绕组的储能向外发电输出即第三电容器方向输出；

二、该模式的条件是此时第三相绕组处于励磁阶段，并且需要强化励磁；工作过程为：第四相绕组发电阶段开始时第四开关管和第五开关管均断开，第四相绕组的储能分为两路，一路为与第一电容器一起发电输出，另一路经由第三相绕组发电输出，同时起到给第三相绕组补充励磁的功能。

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