CN110474581A - 直升压变发电电压变励磁无隔离的开关磁阻发电机变流系统 - Google Patents

Abstract

直升压变发电电压变励磁无隔离的开关磁阻发电机变流系统，由九个二极管、九个开关管、三相绕组、四个电容器、三个电感组成，在各相绕组励磁和发电作业的同时自然升高发电电压值，通过第五开关管(第一相绕组，其他对应)进一步可获得连续变化的发电电压，通过第九开关管这个唯一的开关管并且无需隔离环节的前提下获得可连续变化的励磁电压，并直接参与发电输出，同时舍弃了蓄电池，兼顾强化励磁设计，基于以上，不但解决了发电电压依靠自身变流系统连续调节的问题，而且使励磁电压直接对输出发电电压产生影响，可控性进一步增强，以简易的结构和控制，极大提升了系统的灵活性和适应性；适用于各类小功率紧凑型高速开关磁阻发电机系统领域应用。

Description

直升压变发电电压变励磁无隔离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，具体涉及一种直接抬升发电电压、发电电压可调、励磁电压可调、无隔离环节无蓄电池共地的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法。

背景技术

在各主流电机中，开关磁阻电机结构最简单、最坚固，转子上无绕组和导条散热最方便，从而成本理应最低，理应具有广阔的应用前景，包括作为发电机使用，相对永磁同步发电机，成本降低很多，但是，当前对其的研究、应用发展确较为缓慢，关键原因在于其变流系统不成熟，尚未达到大规模定型应用的程度，尤其作为发电机应用时，可见变流系统在开关磁阻发电机系统中的核心地位。

开关磁阻发电机运行时，各相绕组独立根据定转子相对位置信息通电分时运行，容错性好，但目前业界的变流系统，可控性较差是阻碍其发展的因素之一，尤其是除了开关角和低速时绕组电流变量外，其余诸如发电电压和励磁电压，往往不能通过自身变流系统调节，而输入的励磁电压、输出的发电电压却是关键性能参量，因此，极大的阻碍了其最大功率跟踪输出、发电效率效益的提高等，尤其在风电等强调发电效率和效益的新能源领域，极大的阻碍了开关磁阻发电机系统的应用，目前变励磁电压的变流系统业界出现了一些，但要么调节区间过窄，要么与发电电压无法完全解耦，干扰大，或者有些没有以上问题，但需要隔离变压器、多个开关管等较为复杂的变励磁电路系统，而依靠开关磁阻发电机变流系统调节发电电压，目前业界出现的非常少，有个别概念被提出过，但要么无法深入验证，要么变化范围有限，变化方式单一，并且往往需要专门的变流结构及其控制才能实现。

目前应用的多数开关磁阻发电机系统中，用户即负载侧所需电压往往高于传统开关磁阻发电机直接输出的电压，从而需要专门的升压装置和控制系统，开关磁阻发电机的变流系统仅仅进行自身的励磁和发电输出作业，整个系统结构复杂，这也是阻碍开关磁阻发电机系统应用的问题之一，电力电子系统过于复杂，可靠性势必较低，成本高，尤其再考虑到隔离、变压器等装置的大量使用，体积、重量等占地面积大，极大的影响系统的应用领域扩展。所以说，复合化的、小体积、低成本的变流系统一定是开关磁阻发电机系统的发展方向。

为了增强开关磁阻发电机的发电能力，强化励磁能力为业界所肯定，因为励磁阶段能快速建立绕组电流，则势必为发电阶段争取更多时间和空间，对增强发电能力极有必要，同样地，复合并且简易结构和控制的强化励磁一定是发展趋势。

蓄电池是常见于开关磁阻发电机变流系统中的，一般作为励磁电源，但蓄电池作为励磁电源往往意味着励磁电压固定，励磁电压无法作为调节变量使用，要么再增加变流电路和控制实现变励磁电压，所以，降低了系统的灵活性和适应性，增加了体积重量和维护成本，但其优点是干扰小，励磁稳定，所以，在小功率尤其高密度紧凑型应用场合应用的话，取消蓄电池但还能获得稳定励磁并且最好是可变励磁的变流系统也一定是有实际意义的。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种通过开关磁阻发电机自身变流器直接抬升输出发电电压、直接可调节发电电压大小，以及变励磁电压输入并直接干预发电电压输出，并且无需隔离环节和蓄电池的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法，适用于各类小功率紧凑型高速开关磁阻发电机系统领域应用。

本发明的技术方案为：

直升压变发电电压变励磁无隔离的开关磁阻发电机变流系统，其特征是，包括：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、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第一电感、第二电感、第三电感，所述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，第二开关管阴极连接所述第三二极管阳极、所述第一相绕组第一支绕组一端，第三二极管阴极连接所述第五开关管阴极、所述第一相绕组第二支绕组一端，第一相绕组第一支绕组另一端连接第五开关管阳极、所述第四二极管阳极，第四二极管阴极连接第一相绕组第二支绕组另一端、所述第六二极管阴极、所述第二相绕组第二支绕组一端、所述第八二极管阴极、所述第三相绕组第二支绕组一端、所述第二二极管阳极、所述第八开关管阳极、所述第一电感一端，第三开关管阴极连接所述第五二极管阳极、所述第二相绕组第一支绕组一端，第五二极管阴极连接所述第六开关管阴极、第二相绕组第二支绕组另一端，第二相绕组第一支绕组另一端连接第六开关管阳极、第六二极管阳极，第四开关管阴极连接所述第七二极管阳极、所述第三相绕组第一支绕组一端，第七二极管阴极连接所述第七开关管阴极、第三相绕组第二支绕组另一端，第三相绕组第一支绕组另一端连接第七开关管阳极、第八二极管阳极，第一二极管阳极连接所述第四电容器一端、所述第三电感一端，第四电容器另一端连接所述第一电容器一端、第八开关管阴极、所述第九二极管阳极、所述第二电容器一端，第一电容器另一端连接第一开关管阳极、第二二极管阴极，第二电容器另一端连接第一电感另一端、所述第九开关管阳极、所述第二电感一端，第九开关管阴极连接所述第三电容器一端、第三电感另一端，第三电容器另一端连接第二电感另一端、第九二极管阴极；

第一相绕组第一支绕组、第一相绕组第二支绕组组成第一相绕组，第二相绕组第一支绕组、第二相绕组第二支绕组组成第二相绕组，第三相绕组第一支绕组、第三相绕组第二支绕组组成第三相绕组；第二电容器两端为发电输出两端；第四电容器两端为励磁输入两端；第一电容器的额定电压大于第四电容器两端的最大励磁电压。

直升压变发电电压变励磁无隔离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，当所述第一相绕组需投入工作时，闭合第一开关管、第二开关管、第八开关管，进入励磁阶段，根据转子位置信息当励磁阶段结束时，断开第一开关管、第八开关管，进入发电阶段，此阶段又分为三种模式，一是第五开关管闭合高压模式，二是第五开关管PWM中压模式，三是第五开关管断开低压模式，具体模式选择及第二模式时PWM占空比大小根据对输出端发电电压的要求决定，根据转子位置信息发电阶段结束时，断开第二开关管、第五开关管，第一相绕组工作结束；根据转子位置信息，所述第二相绕组、所述第三相绕组需投入工作时，工作模式与第一相绕组相同，其中：第三开关管、第四开关管对应第二开关管，第六开关管、第七开关管对应第五开关管；

开关磁阻发电机运行中，第九开关管始终按照PWM模式开关工作，其占空比大小由对第四电容器两端电压即励磁电压的要求决定。

本发明的技术效果主要有：

(1)本发明的励磁与发电变流结构，同时兼顾了输出发电电压相对励磁电压的极大跃升能力，从而简化了后续升压环节，提高了可靠性降低了成本，简化了控制复杂度。

(2)除如上所述直升压输出，更可通过对第五开关管(第一相绕组M工作为例，其余相绕组对应的为第六开关管和第七开关管)的不同控制模式，可获得连续变化的发电电压输出，解决了业界的一个重要瓶颈问题---发电电压不能通过开关磁阻发电机发电变流器连续调节的问题，提升了对负载的适应性。

(3)基于以上直升压和可连续变化发电电压的优势，本发明进一步的，仅仅通过一个开关管即第九开关管的占空比调节，可简易的连续的调节励磁电压大小，鉴于励磁电压(第四电容器)直接参与发电阶段的输出(作为发电输出回路的一部分)，从而，通过对第九开关管的调节，进一步的改变励磁电压的同时也参与对发电电压的调节，解决了变励磁电压同时可以直接变发电电压的问题，可见，本发明的结构及其控制极大的增强了开关磁阻发电机系统的适应性、灵活性，变励磁回路结构简易控制简易；另外，本发明虽然为自励模式，但舍弃了蓄电池，减小了系统体积重量，直接由发电输出端解耦反馈作为励磁电源，并且不存在业界非蓄电池的直接反馈自励磁的励磁电源不稳励磁效果欠佳的问题，因为励磁阶段实则由第一电容器负责供能，同时，励磁输入侧即第九开关管侧给予的发电电压变化时，只要调节第九开关管的占空比，就可以保持励磁电压稳定不变，励磁电压不受发电电压干扰，解耦。

(4)虽然本发明变励磁电压、变发电电压，并连续可调，实现的功能多样，也无蓄电池励磁，完全解耦、稳定自励磁，但是，全系统无需隔离环节，省却了业界常见的隔离变压器，进一步减小了系统体积重量和成本，适应紧凑型空间使用。

(5)同时，在励磁阶段，每相绕组被分成并联的两组励磁，相当于励磁电压提高一倍，起到了业界希望得到的强化励磁效果。

附图说明

图1所示为本发明的直升压变发电电压变励磁无隔离的开关磁阻发电机变流系统电路结构图。

具体实施方式

本实施例的直升压变发电电压变励磁无隔离的开关磁阻发电机变流系统，变流系统电路结构如附图1所示，其由第一二极管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、第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3组成，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，第二开关管V2阴极连接第三二极管D3阳极、第一相绕组第一支绕组M1一端，第三二极管D3阴极连接第五开关管V5阴极、第一相绕组第二支绕组M2一端，第一相绕组第一支绕组M1另一端连接第五开关管V5阳极、第四二极管D4阳极，第四二极管D4阴极连接第一相绕组第二支绕组M2另一端、第六二极管D6阴极、第二相绕组第二支绕组N2一端、第八二极管D8阴极、第三相绕组第二支绕组P2一端、第二二极管D2阳极、第八开关管V8阳极、第一电感L1一端，第三开关管V3阴极连接第五二极管D5阳极、第二相绕组第一支绕组N1一端，第五二极管D5阴极连接第六开关管V6阴极、第二相绕组第二支绕组N2另一端，第二相绕组第一支绕组N1另一端连接第六开关管V6阳极、第六二极管D6阳极，第四开关管V4阴极连接第七二极管D7阳极、第三相绕组第一支绕组P1一端，第七二极管D7阴极连接第七开关管V7阴极、第三相绕组第二支绕组P2另一端，第三相绕组第一支绕组P1另一端连接第七开关管V7阳极、第八二极管D8阳极，第一二极管D1阳极连接第四电容器C4一端、第三电感L3一端，第四电容器C4另一端连接第一电容器C1一端、第八开关管V8阴极、第九二极管D9阳极、第二电容器C2一端，第一电容器C1另一端连接第一开关管V1阳极、第二二极管D2阴极，第二电容器C2另一端连接第一电感L1另一端、第九开关管V9阳极、第二电感L2一端，第九开关管V9阴极连接第三电容器C3一端、第三电感L3另一端，第三电容器C3另一端连接第二电感L2另一端、第九二极管D9阴极；

第一相绕组第一支绕组M1、第一相绕组第二支绕组M2组成第一相绕组M，第二相绕组第一支绕组N1、第二相绕组第二支绕组N2组成第二相绕组N，第三相绕组第一支绕组P1、第三相绕组第二支绕组P2组成第三相绕组P；第二电容器C2两端为发电输出两端；第四电容器C4两端为励磁输入两端；第一电容器C1的额定电压大于第四电容器C4两端的最大励磁电压；第二电容器C2取值尽量大，以便于发电电压相对稳定；所有开关管为全控型电力电子器件电力MOSFET或IGBT。

本实施例的直升压变发电电压变励磁无隔离的开关磁阻发电机变流系统的控制方法，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，闭合第一开关管V1、第二开关管V2、第八开关管V8，进入励磁阶段，沿着C1-V1-V2-M1-D4-V8-C1和C1-V1-V2-D3-M2-V8-C1给第一相绕组M励磁充电，第一相绕组M的两个支绕组为并联关系，相对传统串联模式起到强化励磁效果；根据转子位置信息当励磁阶段结束时，断开第一开关管V1、第八开关管V8，进入发电阶段，此阶段又分为三种模式，模式一是第五开关管V5闭合的高压模式，此时第一相绕组第一支绕组M1和第一相绕组第二支绕组M2经由第五开关管V5串联发电输出，从而势必增加了输出端电压，模式二是第五开关管PWM方式的中压模式，此时第一相绕组第一支绕组M1和第一相绕组第二支绕组M2交替串联和并联发电输出，输出电压低于模式一，具体占空比大小根据本发明系统要求确定，模式三是第五开关管的完全断开的低压模式，此时第一相绕组第一支绕组M1和第一相绕组第二支绕组M2为并联输出，相对模式一和模式二输出电压最低，以上具体模式的选择及第二模式时PWM占空比大小选择均根据对输出端发电电压的要求决定，本发电阶段除经由第一电感L1(给其充电，待励磁阶段再放电输出)向第二电容器C2端即发电输出端输出电能外，同时经由第二二极管D2向第一电容器C1充电(从而励磁阶段实则由其充当励磁电源)，同时，第四电容器C4侧，即励磁输入侧也作为发电阶段输出电能的一部分，即发电阶段发电输出回路：C4-D1-V2-M1-V5-M2-L1-C2(代表输出负载侧)-C4(第五开关管V5闭合时的第一相绕组M串联模式M1-V5-M2，并联模式时为M1-D4和D3-M2)，从以上也可见，第四电容器C4侧即励磁电压改变时则第二电容器C2侧即发电电压改变；根据转子位置信息发电阶段结束时，断开第二开关管V2、第五开关管V5(如果此前闭合或PWM时)，第一相绕组M工作结束；

根据转子位置信息，第二相绕组N、第三相绕组P需投入工作时，工作模式与第一相绕组M相同，其中：第三开关管V3、第四开关管V4对应第二开关管V2，第六开关管V6、第七开关管V7对应第五开关管V5，第五二极管D5、第七二极管D7对应第三二极管D3，第六二极管D6、第八二极管D8对应第四二极管D4，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，其余涉及的器件公用；

第一电感L1电感值的选择，根据本发明实际开关磁阻发电机转速(即第一开关管V1和第八开关管V8开关频率)、发电输出侧发电电压和负载电流需求，以及它们的区间范围要求获取，以利于获取最佳输出电能质量。

开关磁阻发电机运行中，第九开关管V9始终按照高频PWM模式开关工作，其占空比大小由对第四电容器V4两端电压即励磁电压的要求决定，励磁电压值则根据本发明发电系统及其负载侧的要求而确定，所以，不同于传统变流系统时励磁电压和发电电压之间的关系，本发明实现了励磁电压解耦于发电电压，不受其干扰，但确可直接对发电电压大小产生影响。

根据如上所述可知，本发明对于其他相绕组数目的开关磁阻发电机，仅仅是增删相同的相绕组变流结构而已，不改变控制模式，因此，对于任意相数的开关磁阻发电机，均处于本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.直升压变发电电压变励磁无隔离的开关磁阻发电机变流系统，其特征是，包括：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、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第一电感、第二电感、第三电感，所述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，第二开关管阴极连接所述第三二极管阳极、所述第一相绕组第一支绕组一端，第三二极管阴极连接所述第五开关管阴极、所述第一相绕组第二支绕组一端，第一相绕组第一支绕组另一端连接第五开关管阳极、所述第四二极管阳极，第四二极管阴极连接第一相绕组第二支绕组另一端、所述第六二极管阴极、所述第二相绕组第二支绕组一端、所述第八二极管阴极、所述第三相绕组第二支绕组一端、所述第二二极管阳极、所述第八开关管阳极、所述第一电感一端，第三开关管阴极连接所述第五二极管阳极、所述第二相绕组第一支绕组一端，第五二极管阴极连接所述第六开关管阴极、第二相绕组第二支绕组另一端，第二相绕组第一支绕组另一端连接第六开关管阳极、第六二极管阳极，第四开关管阴极连接所述第七二极管阳极、所述第三相绕组第一支绕组一端，第七二极管阴极连接所述第七开关管阴极、第三相绕组第二支绕组另一端，第三相绕组第一支绕组另一端连接第七开关管阳极、第八二极管阳极，第一二极管阳极连接所述第四电容器一端、所述第三电感一端，第四电容器另一端连接所述第一电容器一端、第八开关管阴极、所述第九二极管阳极、所述第二电容器一端，第一电容器另一端连接第一开关管阳极、第二二极管阴极，第二电容器另一端连接第一电感另一端、所述第九开关管阳极、所述第二电感一端，第九开关管阴极连接所述第三电容器一端、第三电感另一端，第三电容器另一端连接第二电感另一端、第九二极管阴极；

第一相绕组第一支绕组、第一相绕组第二支绕组组成第一相绕组，第二相绕组第一支绕组、第二相绕组第二支绕组组成第二相绕组，第三相绕组第一支绕组、第三相绕组第二支绕组组成第三相绕组；第二电容器两端为发电输出两端；第四电容器两端为励磁输入两端；第一电容器的额定电压大于第四电容器两端的最大励磁电压。

2.根据权利要求1所述的直升压变发电电压变励磁无隔离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，当所述第一相绕组需投入工作时，闭合第一开关管、第二开关管、第八开关管，进入励磁阶段，根据转子位置信息当励磁阶段结束时，断开第一开关管、第八开关管，进入发电阶段，此阶段又分为三种模式，一是第五开关管闭合高压模式，二是第五开关管PWM中压模式，三是第五开关管断开低压模式，具体模式选择及第二模式时PWM占空比大小根据对输出端发电电压的要求决定，根据转子位置信息发电阶段结束时，断开第二开关管、第五开关管，第一相绕组工作结束；根据转子位置信息，所述第二相绕组、所述第三相绕组需投入工作时，工作模式与第一相绕组相同，其中：第三开关管、第四开关管对应第二开关管，第六开关管、第七开关管对应第五开关管；

开关磁阻发电机运行中，第九开关管始终按照PWM模式开关工作，其占空比大小由对第四电容器两端电压即励磁电压的要求决定。