CN110212825A - 自变发电电压自充电的开关磁阻发电机变流系统 - Google Patents

Abstract

自变发电电压自充电的开关磁阻发电机变流系统，由蓄电池、十个开关管、六个二极管、四个电容器、三相绕组、电感组成，整个变流系统结构无需隔离环节；依靠本发明变流系统本身及其控制方法即解决了发电电压不能主动调节的问题，极大提高了本发明的适应性；在高压输出的第四和第五模式下，可通过变换增加相绕组反向电压方式相对快速降低电流，从而间接控制提升了发电阶段发电电流，进而提升发电输出能力，同样依靠变流系统本身实现而无需额外装置；通过仅仅一个第十开关管的PWM作用，可对蓄电池自动充电；系统适合于各类应用开关磁阻发电机的领域，譬如风电领域应用。

Description

自变发电电压自充电的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系统领域，具体涉及一种通过开关磁阻发电机变流器自身可变换输出端发电电压，也可以自动为励磁蓄电池充电的系统及其控制方法。

背景技术

开关磁阻电机因其结构简单坚固，转子上无绕组散热方便，可靠性高，容错性强，具备广泛的应用前景。

开关磁阻发电机运行控制方式中，常规的角度位置控制、电流斩波控制，以及最新出现的励磁电压扰动控制等方式，均无法做到对发电电压的控制，而根据开关磁阻发电机的数学模型可知，开关磁阻发电机的运动电动势与发电电压之间的关系，直接关系到发电阶段绕组发电电流的走势，进而影响到开关磁阻发电机的发电能力，运动电动势直接和转速有关，发电电压再不可控的话，发电阶段的绕组电流将无法控制，近年来也出现了一些改变发电电压的结构和方式，但都是要额外增加结构及其控制方式方法才能实现，增加了结构和控制的复杂度，降低了可靠性，另外，某些用电负载有根据实际情况调整电压的需求，只能靠单独增加额外调压装置来实现。

开关磁阻发电机的励磁方式一般有他励和自励两种，他励模式励磁稳定，不影响输出端，但维护成本高，需要单独励磁电源譬如蓄电池，自励模式不需要单独电源，没有他励型的常常更换蓄电池等的缺点，但一般会给输出端造成波动较大，同时输入励磁电能不稳，电能质量低；目前也有一些励磁方式，由蓄电池供电励磁，吸收他励型的优点，必要时利用输出端电能给蓄电池充电，从而也吸收了自励型的优点，但大多要增加隔离环节，从而增加了结构的复杂性和体积重量。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种直接利用开关磁阻发电机绕组变流器本身在励磁和发电的同时可调节输出的发电电压以及一定条件下相对调节发电电流快速下降，而不增加额外结构，另外也能实现对励磁蓄电池自动充电，并且没有隔离环节的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法，适合于各类动力驱动包括风力驱动下，开关磁阻发电机发电输出并网或直接负载的各类场合中应用。

本发明的技术方案为：

自变发电电压自充电的开关磁阻发电机变流系统，其特征是，包括：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、第九开关管、第十开关管、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、第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、电感组成，所述蓄电池正极连接所述第一开关管阳极、所述第四开关管阳极、所述第七开关管阳极、所述电感一端，第一开关管阴极连接所述第一二极管阴极、所述第一相绕组一端，第一相绕组另一端连接所述第二开关管阳极、所述第三开关管阳极，第三开关管阴极连接所述第一电容器一端、所述第六开关管阴极、所述第九开关管阴极、所述第二电容器一端、所述第十开关管阳极，并作为所述变流系统的输出正极端，蓄电池负极连接第一二极管阳极、第二开关管阴极、第一电容器另一端、所述第二二极管阳极、所述第五开关管阴极、所述第三二极管阳极、所述第八开关管阴极、所述第六二极管阳极、所述第三电容器一端，并作为所述变流系统的输出负极端，第四开关管阴极连接第二二极管阴极、所述第二相绕组一端，第二相绕组另一端连接第五开关管阳极、第六开关管阳极，第七开关管阴极连接第三二极管阴极、所述第三相绕组一端，第三相绕组另一端连接第八开关管阳极、第九开关管阳极，第二电容器另一端连接第三电容器另一端、所述第四二极管阳极、所述第五二极管阴极，第四二极管阴极连接第十开关管阴极、所述第四电容器一端、电感另一端，第四电容器另一端连接第五二极管阳极、第六二极管阴极。

自变发电电压自充电的开关磁阻发电机变流系统的控制方法，其特征是，开关磁阻发电机运行中，根据转子位置信息，当第一相绕组需投入工作时，工作模式分为五种：

第一模式：闭合第一开关管和第三开关管，进入励磁阶段，根据转子位置信息当励磁阶段结束时关断第一开关管，进入发电阶段，当以上励磁阶段结束时第一相绕组电流没有达到所需值时，下一次轮到第一相绕组投入工作时，励磁阶段结束时断开第一开关管和第三开关管，并闭合第二开关管，增加一个续流阶段，根据转子位置信息到达续流阶段最大角度时关断第二开关管并闭合第三开关管，进入发电阶段，但如果在到达续流阶段最大角度之前第一相绕组电流达到所需值时，提前结束续流阶段即关断第二开关管并闭合第三开关管，进入发电阶段，根据转子位置信息发电阶段结束时关断第三开关管；此模式下输出电压即发电电压低于蓄电池两端电压；

第二模式：首先励磁阶段，此时闭合第一开关管，第二开关管和第三开关管交替开关，即第二开关管闭合时第三开关管断开，第二开关管断开时第三开关管闭合，对发电电压要求越大第二开关管闭合时间相对第三开关管闭合时间越长，根据转子位置信息励磁阶段结束时关断第一开关管、第二开关管，闭合第三开关管，进入发电阶段，根据转子位置信息发电阶段结束时关断第三开关管；

第三模式：闭合第一开关管和第二开关管，进入励磁阶段，根据转子位置信息当励磁阶段结束时关断第一开关管和第二开关管，闭合第三开关管，进入发电阶段，当以上励磁阶段结束时第一相绕组电流没有达到所需值时，下一次轮到第一相绕组投入工作时，励磁阶段结束时只关断第一开关管，增加一个续流阶段，根据转子位置信息到达续流阶段最大角度时关断第二开关管并闭合第三开关管，进入发电阶段，但如果在到达续流阶段最大角度之前第一相绕组电流达到所需值时，提前结束续流阶段即关断第二开关管并闭合第三开关管，进入发电阶段，根据转子位置信息发电阶段结束时关断第三开关管；

第四模式：发电阶段之前的模式与第三模式相同，发电阶段第二开关管断开，第三开关管闭合，第一开关管进行PWM开关模式，发电电压要求越大其PWM占空比越大，根据转子位置信息发电阶段即将结束之前先关断第一开关管，待根据转子位置信息发电阶段结束时关断第三开关管；

第五模式：发电阶段之前的模式与第三模式相同，发电阶段第一开关管、第三开关管闭合，第二开关管断开，根据转子位置信息发电阶段即将结束之前先关断第一开关管，待根据转子位置信息发电阶段结束时关断第三开关管；

第二相绕组和第三相绕组需投入工作时，工作模式与第一相绕组工作模式相同，对应关系为：第四开关管、第七开关管对应第一开关管，第二二极管、第三二极管对应第一二极管，第二相绕组、第三相绕组对应第一相绕组，第五开关管、第八开关管对应第二开关管，第六开关管、第九开关管对应第三开关管；

各相绕组根据转子位置信息每次实际工作中只能采用其中一种工作模式，具体采用哪种工作模式，根据所述变流系统对发电电压的要求而确定；

当检测到蓄电池电量低于下限值时，第十开关管按照PWM模式开关工作，其占空比大小根据蓄电池对充电电压的要求而定。

本发明的技术效果主要有：

(1)本发明的整个变流系统结构，各个部分包括蓄电池充电电路，均为共地结构，没有常规的隔离环节，极大减小了系统体积、重量，降低了成本。

(2)本发明的蓄电池充电电路，各个电容器和电感足够大，通过第十开关管的PWM控制，电流可连续，易于充电，并且该充电电路仅仅需要第十开关管一个开关管，降低了控制的复杂度和开关损耗，提高了可靠性。

(3)本发明解决了通过开关磁阻发电机变流器自身同时兼顾实现对发电电压的调节控制，根据输出负载或并网侧对该输出端发电电压的需求，选择不同的工作模式，具备较宽的发电电压输出范围；结构上相对传统开关磁阻发电机变流器(不对称半桥变流器)，仅仅增加了一个开关管但减少了一个二极管；更为重要的是，可变的发电电压，对于需要最大功率跟踪(MPPT)控制的诸如风电场合，增加了一个可调变量，而众所周知，开关磁阻发电机的运动电动势和发电电压之间的关系，决定了发电阶段绕组电流的走势，决定了发电输出能力，而传统模式下发电电压不可调，运动电动势取决于转速，而转速更多的取决于风力动力，所以本发明实现宽范围可调的发电电压，势必对于更好的落实MPPT控制及增大发电能力提供了非常好的发展前景，对于某些应用开关磁阻发电机的领域譬如风电领域更具有重要意义。

(4)本发明的控制方法中，第四模式和第五模式下，在发电阶段结束前，提前关断第一开关管的举措，提高了发电能力，因为可以尽量强化励磁等举措而不用考虑后续发电电流较大的话在结束时自然关断降到零时已进入正向转矩区降低发电效率的问题，放心在发电阶段获取较大的绕组电流增大发电输出功率，结束前实现对发电电流的间接快速下降调节，实现了开关磁阻发电机领域中发电阶段依靠其变流系统本身对发电电流调节。

附图说明

图1所示为本发明的自变发电电压自充电的开关磁阻发电机变流系统电路结构图。

具体实施方式

本实施例的自变发电电压自充电的开关磁阻发电机变流系统，变流电路结构如附图1所示，其由蓄电池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、第九开关管V9、第十开关管V10、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、第一相绕组M、第二相绕组N、第三相绕组P、第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4、电感L组成，蓄电池X正极连接第一开关管V1阳极、第四开关管V4阳极、第七开关管V7阳极、电感L一端，第一开关管V1阴极连接第一二极管D1阴极、第一相绕组M一端，第一相绕组M另一端连接第二开关管V2阳极、第三开关管V3阳极，第三开关管V3阴极连接第一电容器C1一端、第六开关管V6阴极、第九开关管V9阴极、第二电容器C2一端、第十开关管V10阳极，并作为本发明变流系统的输出正极端，蓄电池X负极连接第一二极管D1阳极、第二开关管V2阴极、第一电容器C1另一端、第二二极管D2阳极、第五开关管V5阴极、第三二极管D3阳极、第八开关管V8阴极、第六二极管D6阳极、第三电容器C3一端，并作为本发明变流系统的输出负极端，第四开关管V4阴极连接第二二极管D2阴极、第二相绕组N一端，第二相绕组N另一端连接第五开关管V5阳极、第六开关管V6阳极，第七开关管V7阴极连接第三二极管D3阴极、第三相绕组P一端，第三相绕组P另一端连接第八开关管V8阳极、第九开关管V9阳极，第二电容器C2另一端连接第三电容器C3另一端、第四二极管D4阳极、第五二极管D5阴极，第四二极管D4阴极连接第十开关管V10阴极、第四电容器V4一端、电感L另一端，第四电容器C4另一端连接第五二极管D5阳极、第六二极管D6阴极。

所有开关管为全控型电力电子开关器件，各个电容器和电感足够大以保持相应的电压和电流基本稳定。

本实施例的自变发电电压自充电的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，开关磁阻发电机运行中，根据转子位置信息，当第一相绕组M需投入工作时，工作模式分为五种：

第一模式：闭合第一开关管V1和第三开关管V3，进入励磁阶段，励磁回路为：X-V1-M-V3-C1-X，蓄电池X的电能向第一相绕组M供电励磁储能，同时向外及第一电容器C1方向输出，第一电容器C1两端电压即为本发明变流系统的输出电压，也称为发电电压，可见此模式应用的前提是所需发电电压低于蓄电池电压时；根据转子位置信息当励磁阶段结束时关断第一开关管V1，进入发电阶段，发电回路为：M-V3-C1-D1-M，第一相绕组M的储能释放输出，但是，如果以上励磁阶段结束时第一相绕组M电流没有达到所需值时，下一次轮到第一相绕组M投入工作并采用本模式时，励磁阶段结束时先同时断开第一开关管V1和第三开关管V3，并闭合第二开关管V2，增加一个续流阶段，续流回路为：M-V2-D1-M，由于此时第一相绕组M并未承受来自外界的反向电压，其电流将快速上升，从而获得满意的相绕组电流值，待根据转子位置信息到达续流阶段最大角度时关断第二开关管V2并闭合第三开关管V3，进入发电阶段，但如果在到达续流阶段最大角度之前第一相绕组M电流达到所需值时，提前结束续流阶段即关断第二开关管V2并闭合第三开关管V3，进入发电阶段，根据转子位置信息发电阶段结束时关断第三开关管V3；

第二模式：首先是励磁阶段，此时闭合第一开关管V1，第二开关管V2和第三开关管V3交替开关，即第二开关管V2闭合时第三开关管V3断开，第二开关管V2断开时第三开关管V3闭合，前者回路为：X-V1-M-V2-X，后者回路为：X-V1-M-V3-C1-X，可见前者第一相绕组M励磁电压等于蓄电池X电压，后者时第一相绕组M励磁电压为蓄电池X电压与发电电压之差，前者励磁电流上升快，后者慢，所以，虽然此时对输出发电电压要求仍然低于蓄电池X电压，但相对第一种模式发电电压要大，因为励磁阶段储能越多，发电阶段释放越多输出越多，对发电电压要求越大第二开关管V2闭合时间相对第三开关管V3闭合时间越长；根据转子位置信息励磁阶段结束时关断第一开关管V1、第二开关管V2，闭合第三开关管V3，进入发电阶段，回路为：M-V3-C1-D1-M，根据转子位置信息发电阶段结束时关断第三开关管；

第三模式：闭合第一开关管V1和第二开关管V2，进入励磁阶段，回路为：X-V1-M-V2-X，根据转子位置信息当励磁阶段结束时关断第一开关管V1和第二开关管V2，闭合第三开关管V3，进入发电阶段，回路为：M-V3-C1-D1；当以上励磁阶段结束时第一相绕组M电流没有达到所需值时，下一次轮到第一相绕组M投入工作并依旧为第三模式工作时，励磁阶段结束时只关断第一开关管V1，增加一个续流阶段，续流回路：M-V2-D1，此时第一相绕组M电流无压快速升高，根据转子位置信息到达续流阶段最大角度时关断第二开关管V2并闭合第三开关管V3，进入发电阶段，但如果在到达续流阶段最大角度之前第一相绕组M电流达到所需值时，提前结束续流阶段即关断第二开关管V2并闭合第三开关管V3，进入发电阶段，根据转子位置信息发电阶段结束时关断第三开关管V3；此模式下，发电电压将大于或等于蓄电池X电压；

第四模式：发电阶段之前的模式与第三模式相同，发电阶段第二开关管V2断开，第三开关管V3闭合，第一开关管V1进行PWM开关模式，第一开关管V1断开状态时发电回路为：M-V3-C1-D1-M，当第一开关管V1闭合状态时，发电回路是：M-V3-C1-X-V1-M，此时发电电压为蓄电池X电压和第一相绕组M电压之和，所以发电电压要求越大第一开关管V1的PWM占空比越大，根据转子位置信息发电阶段即将结束之前先关断第一开关管V1，此时加在第一相绕组M上的反向电压为相对更大的发电电压，而不是发电电压与蓄电池X电压之差，其绕组电流将更快的下降，避免进入开关磁阻电动机状态的正向转矩区，所以先关断第一开关管V1的提前的时间或角度，取决于在进入正向转矩区之前相绕组电流降至零，后续根据转子位置信息进入正向转矩区之前相绕组电流降至零后发电阶段结束关断第三开关管V3；此模式下发电电压将明显大于蓄电池X电压；采用此模式下提前关断第一开关管V1的方式也能提升电能输出能力，因为否则的话，为了确保发电阶段结束正向转矩区之前相绕组电流降至零，励磁阶段将缩减，同时发电阶段电流不能过大，以确保按要求不可控的相绕组电流自然降至零，此方式下可以在关断第一开关管V1之前允许更大的相绕组电流的存在，提升电能输出能力；

第五模式：发电阶段之前的模式与第三模式和第四模式相同，发电阶段第一开关管V1、第三开关管V3闭合，第二开关管V2断开，发电回路为：M-V3-C1-X-V1-M，临近发电阶段结束时，与第四模式相同，根据转子位置信息发电阶段即将结束之前先关断第一开关管V1，待根据转子位置信息发电阶段结束即相绕组电流降至零时关断第三开关管V3；此模式下发电电压值远大于蓄电池X电压。

第二相绕组N和第三相绕组P需投入工作时，工作模式与第一相绕组M工作模式完全相同，各相关器件的对应关系为：第四开关管V4、第七开关管V7对应第一开关管V1，第二二极管D2、第三二极管D3对应第一二极管D1，第二相绕组N、第三相绕组P对应第一相绕组M，第五开关管V5、第八开关管V8对应第二开关管V2，第六开关管V6、第九开关管V9对应第三开关管V3。

各相绕组根据转子位置信息每次实际工作中只能采用五种工作模式中的一种工作模式，具体采用哪种工作模式，根据所述变流系统对发电电压的要求而确定；

当检测到蓄电池X电量低于下限值时，第十开关管V10按照PWM模式开关工作，其中第十开关管V10为闭合状态时，第二电容器C2和输入电源即第一电容器C1两端发电电压端共同供电向第三电容器C3、第四电容器C4充电并经电感L输出给蓄电池X，第四二极管D4和第六二极管D6截止，第十开关管V10为断开状态时，第五二极管D5截止，第二电容器C2被充电，第三电容器C3和第四电容器C4放电输出经电感L给蓄电池X，第十开关管V10的占空比大小根据蓄电池X对充电电压的要求而定，电感L值要足够大，以确保输出电流即充电电流连续平稳。

Claims (2)

1.自变发电电压自充电的开关磁阻发电机变流系统，其特征是，包括：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、第九开关管、第十开关管、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、第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、电感组成，所述蓄电池正极连接所述第一开关管阳极、所述第四开关管阳极、所述第七开关管阳极、所述电感一端，第一开关管阴极连接所述第一二极管阴极、所述第一相绕组一端，第一相绕组另一端连接所述第二开关管阳极、所述第三开关管阳极，第三开关管阴极连接所述第一电容器一端、所述第六开关管阴极、所述第九开关管阴极、所述第二电容器一端、所述第十开关管阳极，并作为所述变流系统的输出正极端，蓄电池负极连接第一二极管阳极、第二开关管阴极、第一电容器另一端、所述第二二极管阳极、所述第五开关管阴极、所述第三二极管阳极、所述第八开关管阴极、所述第六二极管阳极、所述第三电容器一端，并作为所述变流系统的输出负极端，第四开关管阴极连接第二二极管阴极、所述第二相绕组一端，第二相绕组另一端连接第五开关管阳极、第六开关管阳极，第七开关管阴极连接第三二极管阴极、所述第三相绕组一端，第三相绕组另一端连接第八开关管阳极、第九开关管阳极，第二电容器另一端连接第三电容器另一端、所述第四二极管阳极、所述第五二极管阴极，第四二极管阴极连接第十开关管阴极、所述第四电容器一端、电感另一端，第四电容器另一端连接第五二极管阳极、第六二极管阴极。

2.根据权利要求1所述的自变发电电压自充电的开关磁阻发电机变流系统的控制方法，其特征是，开关磁阻发电机运行中，根据转子位置信息，当第一相绕组需投入工作时，工作模式分为五种：

第一模式：闭合第一开关管和第三开关管，进入励磁阶段，根据转子位置信息当励磁阶段结束时关断第一开关管，进入发电阶段，当以上励磁阶段结束时第一相绕组电流没有达到所需值时，下一次轮到第一相绕组投入工作时，励磁阶段结束时断开第一开关管和第三开关管，并闭合第二开关管，增加一个续流阶段，根据转子位置信息到达续流阶段最大角度时关断第二开关管并闭合第三开关管，进入发电阶段，但如果在到达续流阶段最大角度之前第一相绕组电流达到所需值时，提前结束续流阶段即关断第二开关管并闭合第三开关管，进入发电阶段，根据转子位置信息发电阶段结束时关断第三开关管；此模式下输出电压即发电电压低于蓄电池两端电压；

第二模式：首先励磁阶段，此时闭合第一开关管，第二开关管和第三开关管交替开关，即第二开关管闭合时第三开关管断开，第二开关管断开时第三开关管闭合，对发电电压要求越大第二开关管闭合时间相对第三开关管闭合时间越长，根据转子位置信息励磁阶段结束时关断第一开关管、第二开关管，闭合第三开关管，进入发电阶段，根据转子位置信息发电阶段结束时关断第三开关管；

第三模式：闭合第一开关管和第二开关管，进入励磁阶段，根据转子位置信息当励磁阶段结束时关断第一开关管和第二开关管，闭合第三开关管，进入发电阶段，当以上励磁阶段结束时第一相绕组电流没有达到所需值时，下一次轮到第一相绕组投入工作时，励磁阶段结束时只关断第一开关管，增加一个续流阶段，根据转子位置信息到达续流阶段最大角度时关断第二开关管并闭合第三开关管，进入发电阶段，但如果在到达续流阶段最大角度之前第一相绕组电流达到所需值时，提前结束续流阶段即关断第二开关管并闭合第三开关管，进入发电阶段，根据转子位置信息发电阶段结束时关断第三开关管；

第四模式：发电阶段之前的模式与第三模式相同，发电阶段第二开关管断开，第三开关管闭合，第一开关管进行PWM开关模式，发电电压要求越大其PWM占空比越大，根据转子位置信息发电阶段即将结束之前先关断第一开关管，待根据转子位置信息发电阶段结束时关断第三开关管；

第五模式：发电阶段之前的模式与第三模式相同，发电阶段第一开关管、第三开关管闭合，第二开关管断开，根据转子位置信息发电阶段即将结束之前先关断第一开关管，待根据转子位置信息发电阶段结束时关断第三开关管；

第二相绕组和第三相绕组需投入工作时，工作模式与第一相绕组工作模式相同，对应关系为：第四开关管、第七开关管对应第一开关管，第二二极管、第三二极管对应第一二极管，第二相绕组、第三相绕组对应第一相绕组，第五开关管、第八开关管对应第二开关管，第六开关管、第九开关管对应第三开关管；

各相绕组根据转子位置信息每次实际工作中只能采用其中一种工作模式，具体采用哪种工作模式，根据所述变流系统对发电电压的要求而确定；

当检测到蓄电池电量低于下限值时，第十开关管按照PWM模式开关工作，其占空比大小根据蓄电池对充电电压的要求而定。