CN110474583B - 一种直升压无隔离双馈高速开关磁阻发电机变流系统 - Google Patents

Abstract

一种直升压无隔离双馈高速开关磁阻发电机变流系统，包括蓄电池、九个开关管、三相绕组、八个二极管、十个电容器、电感、变压器，控制励磁与发电的主电路为各相绕组共用，简化了结构，并实现直接升压，同时解决了励磁阶段不能发电输出的问题，也解决了发电输出与励磁供电解耦的问题，即发电输出不依赖于发电机状态而独立控制，适应了极端情况下紧急发电输出的需要；蓄电池可正向自动充电，也可以在极端情况下需要时反向馈能，实现相绕组发电输出和蓄电池反向馈能双馈，增强了发电系统的适应性和发电效益；全系统无隔离环节，总体结构简单实用；适用于包括各类动力驱动下，以及不同输出侧状态的各类中小功率高速开关磁阻发电机系统领域。

Description

一种直升压无隔离双馈高速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，具体涉及一种直接升压、发电独立控制、无隔离、双馈变换的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法。

背景技术

开关磁阻电机结构及其简单，尤其是转子上无任何绕组，在与传统交直流电机比较中，具备一定的优势，具有广泛的应用前景。

开关磁阻发电机作为一种近年来在个别领域崭露头角的新型发电机，展现了非常好的优势，尤其在一些中小功率场合的高速发电机系统应用中，以及新型的风电系统中。

开关磁阻发电机运行中每相定子绕组的工作一般分为励磁和发电两大阶段，分时进行，各相绕组是否投入工作根据转子相对定子的位置信号决定；一般来说，励磁阶段由输入的励磁电源向相绕组供电励磁，此时往往输出端无法接收来自相绕组的电能，最多依靠输出端电容器等临时储能装置维持输出电压，而发电阶段往往是相绕组放电输出给输出端负载供电的阶段，也就是说，无法根据实时的输出端负载侧的负载情况调整供电，励磁阶段更没有发电输出，假如负载侧电压骤降，而此时正处于励磁阶段，则系统无法快速反应最快速度提供电能，总之，常规模式下何时发电输出是严格依赖于转子位置信息和各工作阶段下的，无法独立根据实际情况做出调整的，也就是发电输出与电机运行存在严重的耦合关系。

开关磁阻发电机变流器是否具备升压功能也是具有相当现实意义的，因为大多数场合下，发电机输出后电压需要抬升，往往需要单独的升压装置实现，而通过变流器自身实现升压则一定具有优势。

各类变流系统中，电磁隔离环节往往是常见的，一般采用变压器，工频变压器极大的增加了体积重量和成本，高频变压器好一些，但有变压器存在，至少总会造成反应时间的滞后性，所以同等情况下无隔离装置是发展趋势。

一般的开关磁阻发电机系统，其励磁和发电主电路往往可控性差，严格按照转子位置信息及运行原理调控，面对极端时如复杂多变的负载侧变化，往往主动出击的办法不多，所以当采用蓄电池作为励磁电源的场合，利用蓄电池电能反馈提供急需电能是一种比较现实的方式。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种直接升压、各相绕组共用主电路、发电输出不依赖于发电机状态而独立控制、励磁阶段可发电输出、励磁电源蓄电池可正向充电和反向馈能、全系统无隔离环节的结构简单实用的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法，适用于包括各类动力驱动下，以及不同输出侧状态的各类中小功率高速开关磁阻发电机系统领域。

本发明的技术方案为：

一种直升压无隔离双馈高速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、第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组、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、第七电容器、第八电容器、第九电容器、第十电容器、电感、变压器，所述蓄电池正极连接所述第一开关管阳极、所述第二开关管阳极、所述第三开关管阳极、所述第十电容器正极、所述变压器一次侧绕组一端，蓄电池负极连接所述第四开关管阴极、所述第一电容器一端、所述第五开关管阴极、所述第三电容器负极、所述第九电容器一端、所述第七电容器一端、所述第九开关管阴极、所述第八二极管阳极、所述第十电容器负极，第一开关管阴极连接所述第一相绕组一端，第二开关管阴极连接所述第二相绕组一端，第三开关管阴极连接所述第三相绕组一端，第一相绕组另一端与第二相绕组另一端、第三相绕组另一端、所述第一二极管阳极、第四开关管阳极连接，第一二极管阴极连接所述第二二极管阳极、所述第三二极管阳极，第二二极管阴极连接第一电容器另一端、所述电感一端，第三二极管阴极连接所述第二电容器一端、所述第四二极管阳极，电感另一端连接第二电容器另一端、第五开关管阳极，第四二极管阴极连接第三电容器正极、所述第六开关管阳极、所述第四电容器一端、所述第五二极管阴极，第六开关管阴极连接第四电容器另一端、第五二极管阳极、所述第五电容器一端、所述第七开关管阳极、所述第六二极管阴极、所述第八电容器一端，第五电容器另一端连接第七开关管阴极、第六二极管阳极、第九电容器另一端、所述第六电容器一端、所述第八开关管阳极、所述第七二极管阴极，第六电容器另一端连接第八开关管阴极、第七二极管阳极、第七电容器另一端、第九开关管阳极、第八二极管阴极、变压器二次侧绕组一端，第八电容器另一端连接变压器一次侧绕组另一端、变压器二次侧绕组另一端；

所述开关磁阻发电机结构中的定转子凸极重叠系数为0，变压器一次侧绕组匝数除以二次侧绕组匝数大于1。

一种直升压无隔离双馈高速开关磁阻发电机变流系统的控制方法，其特征是，根据开关磁阻发电机运行原理，蓄电池作为励磁电源，根据转子位置信息，当需要第一相绕组通电工作时，闭合第一开关管、第四开关管，进入励磁阶段，根据转子位置信息励磁阶段结束后断开第四开关管，进入发电阶段，该阶段分为第五开关管的闭合与断开两种模式，第五开关管断开状态至少遵守如下两个条件之一，一是第一相绕组电流降至零时第五开关管断开，二是第三电容器侧电压骤降低于下限值时，第五开关管断开，否则，第五开关管在此发电阶段为闭合状态，根据转子位置信息发电阶段结束时断开第一开关管，同时第五开关管也为断开状态，第一开关管关断意味着第一相绕组工作结束；第二相绕组、第三相绕组需要通电工作时，工作控制模式与第一相绕组通电工作相同，第二开关管、第三开关管对应第一开关管，第二相绕组、第三相绕组对应第一相绕组；

当检测到蓄电池电量低于下限值时，起动为蓄电池充电的工作，第六开关管作为主开关，所需开关管控制步骤如下，并循环进行：

步骤一：同时给第七开关管和第九开关管闭合驱动信号；

步骤二：同时给第七开关管和第九开关管断开驱动信号；

步骤三：给第六开关管和第八开关管闭合驱动信号，但二者相互错开不同时，第八开关管滞后；

步骤四：同时给第六开关管和第八开关管断开驱动信号；

在以上步骤满足的前提下，各个开关管的占空比可调，以满足输出充电需要；

当检测到蓄电池电量高于下限值，并且第三电容器侧的负载端负载过大、电压骤降低于下限值时，起动蓄电池经变流后的直接供电的工作，第九开关管作为主开关，所需开关管控制步骤如下，并循环进行：

步骤一：给第七开关管和第九开关管闭合驱动信号，但二者相互错开不同时，第七开关管滞后；

步骤二：同时给第七开关管和第九开关管断开驱动信号；

步骤三：同时给第六开关管和第八开关管闭合驱动信号；

步骤四：同时给第六开关管和第八开关管断开驱动信号；

在以上步骤满足的前提下，各个开关管的开关占空比可调，以满足输出侧的需要。

本发明的技术效果主要有：

(1)与传统不对称半桥传统变流器主电路相比，相对的本发明的励磁、发电所需器件结构简单，对于三相绕组来说，开关管减少一个，二极管减少两个，只是增加了两个电容器和一个电感，不但实现励磁和发电，而且兼顾直接实现输出电压相对输入侧蓄电池电压的多倍数升高，减轻了后续升压结构的负担，同时还应注意到，无论是几相绕组，它们都共用一套变流主电路，所以说通用性强，功能多样，更显得结构简单实用。

(2)本发明全系没有隔离装置，但确可以实现发电输出的相对独立控制、蓄电池采自发电输出端的自动充电、蓄电池反向馈能等三大独特的功能，解决了因输出端等系统需要而不依赖于发电机运行状态下的自主决定发电输出时刻的问题，使得发电阶段和励磁阶段解耦，即同时解决了在励磁阶段无法发电输出的问题，只有励磁阶段的相绕组励磁时刻是严格按照转子位置信息进行的；蓄电池的自动充电和反向馈能，也均无隔离装置，反应快，结构简单；当出现负载侧负载瞬间过大、电压骤降等极端情况时，常规下只能使得发电系统停机，进而加剧危险使得供电系统崩溃，而本发明可实现通过第五开关管的控制自主决定何时输出电能，同时急需时蓄电池电量足够的话也反向馈能，实现真正的双输出馈能模式，挽救负载侧渡过难关，此外，双馈还有另一层意思，就是蓄电池的正向馈能充电和反向馈能供电输出的双馈。

(3)在蓄电池的充电和反向馈能控制中，各个开关管采取高频PWM模式，虽然控制略显复杂，但可以实现开关管的软开关作业、电压应力小，从而可靠性高，当然，蓄电池的正反向工作仅仅限于需要充电或紧急馈电这两类极端情况下才会投入工作，一般正常情况下所属开关管不会工作，全部处于断开状态；另外，开关磁阻发电机只要运行就要投入工作的其他开关管如第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管均为单脉波工作模式，开关损耗低。

附图说明

图1所示为本发明的一种直升压无隔离双馈高速开关磁阻发电机变流系统电路结构图。

具体实施方式

本实施例的一种直升压无隔离双馈高速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、第一相绕组M、第二相绕组N、第三相绕组P、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、第七电容器C7、第八电容器C8、第九电容器C9、第十电容器C10、电感L、变压器T组成，蓄电池X正极连接第一开关管V1阳极、第二开关管V2阳极、第三开关管V3阳极、第十电容器C10正极、变压器T一次侧绕组a一端，蓄电池X负极连接第四开关管V4阴极、第一电容器C1一端、第五开关管V5阴极、第三电容器C3负极、第九电容器C9一端、第七电容器C7一端、第九开关管V9阴极、第八二极管D8阳极、第十电容器C10负极，第一开关管V1阴极连接第一相绕组M一端，第二开关管V2阴极连接第二相绕组N一端，第三开关管V3阴极连接第三相绕组P一端，第一相绕组M另一端与第二相绕组N另一端、第三相绕组P另一端、第一二极管D1阳极、第四开关管V4阳极连接，第一二极管D1阴极连接第二二极管D2阳极、第三二极管D3阳极，第二二极管D2阴极连接第一电容器C1另一端、电感L一端，第三二极管D3阴极连接第二电容器C2一端、第四二极管D4阳极，电感L另一端连接第二电容器C2另一端、第五开关管V5阳极，第四二极管D4阴极连接第三电容器C3正极、第六开关管V6阳极、第四电容器C4一端、第五二极管D5阴极，第六开关管V6阴极连接第四电容器C4另一端、第五二极管D5阳极、第五电容器C5一端、第七开关管V7阳极、第六二极管D6阴极、第八电容器C8一端，第五电容器C5另一端连接第七开关管V7阴极、第六二极管D6阳极、第九电容器C9另一端、第六电容器C6一端、第八开关管V8阳极、第七二极管D7阴极，第六电容器C6另一端连接第八开关管V8阴极、第七二极管D7阳极、第七电容器C7另一端、第九开关管V9阳极、第八二极管D8阴极、变压器T二次侧绕组b一端，第八电容器C8另一端连接变压器T一次侧绕组a另一端、变压器T二次侧绕组b另一端；第三电容器C3侧为整个开关磁阻发电机变流系统的输出端；第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第八电容器C8、第九电容器C9、第十电容器C10需足够大，以保持运行中它们两端电压稳定。

本实施例的开关磁阻发电机结构中的定转子凸极重叠系数为0，即基于标准运行模式，当一相绕组发电阶段结束的同时下一相绕组投入工作进入励磁阶段；变压器T一次侧绕组a匝数除以二次侧绕组b匝数应大于1，本实施例为2；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采用电力MOSFET或者IGBT，其余开关管采用电力MOSFET。

本实施例一种直升压无隔离双馈高速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，蓄电池X作为励磁电源，运行中根据转子位置信息，当需要第一相绕组M通电工作时，闭合第一开关管V1、第四开关管V4，进入励磁阶段，励磁回路为：X-V1-M-V4-X，同时存在另一回路：C1-L-C2-D4-C3-C1，即第一电容器C1、电感L、第二电容器C2串联共同向外输出电能，释放它们的储能，可见，此时电能的输出与励磁分属不同回路，事实上造成输入端与输出端解耦了，并且实现励磁阶段具备电能输出能力，当输出电容器即第三电容器C3端电压高于第一电容器C1、电感L、第二电容器C2三者电压之和后，由于第四二极管D4的作用自然停止输出；根据转子位置信息励磁阶段结束后断开第四开关管V4，保持第一开关管V1闭合状态，进入发电阶段，此时如果闭合第五开关管V5的话，则第一相绕组M与蓄电池X串联共同释放电能给第一电容器C1、电感L、第二电容器C2充电，形成三个回路分别为：X-V1-M-D1-D2-C1-X、X-V1-M-D1-D2-L-V5-X、X-V1-M-D1-D3-C2-V5-X，可见此时第一电容器C1、电感L、第二电容器C2各自两端电压相等，都等于蓄电池X电压加第一相绕组M电压之和，再结合励磁阶段第一电容器C1、电感L、第二电容器C2串联放电输出，所以输出侧即第三电容器C3侧电压在正常状态下将明显大于蓄电池X电压，当由于负载侧问题出现负载侧第三电容器C3侧输出的电压骤降并低于下限值，或者此发电阶段第一相绕组M电流降至零时，需断开第五开关管V5，在发电阶段结束前如果第三电容器C3侧电压恢复至下限值以上同时第一相绕组M电流也不为零时，则再次闭合第五开关管V5，根据转子位置信息发电阶段结束时再断开第一开关管V1以及第五开关管V5，发电阶段这种满足两个条件之一下的关断第五开关管V5工作模式，则提前实现电能的输出(相对励磁阶段的电能输出)，此时即第一电容器C1、电感L、第二电容器C2提前串联放电输出，否则第五开关管V5与第一开关管V1同时关断，可见本发明的发电输出与否是由第五开关管V5进行相对独立的控制，第一开关管V1关断意味着第一相绕组M工作才结束；第二相绕组N、第三相绕组P需要通电工作时，工作控制模式与第一相绕组M通电工作模式完全相同，第二开关管V2、第三开关管V3对应第一开关管V1，第二相绕组N、第三相绕组P对应第一相绕组M。

当检测到蓄电池X电量低于下限值时，起动为蓄电池X充电的工作，第六开关管V6作为主开关，所需开关管控制步骤如下，并循环进行：

步骤一：同时给第七开关管V7和第九开关管V9闭合驱动信号；

步骤二：同时给第七开关管V7和第九开关管V9断开驱动信号；

步骤三：给第六开关管V6和第八开关管V8闭合驱动信号，但二者相互错开不同时闭合，第八开关管V8滞后；

步骤四：同时给第六开关管V6和第八开关管V8断开驱动信号；

在以上步骤满足的前提下，各个开关管的占空比可调，以满足输出充电需要；

当检测到蓄电池X电量高于下限值，并且第三电容器C3侧的负载端负载过大、电压骤降低于下限值时，起动蓄电池X经变流后的直接输出给第三电容器C3侧供电的工作，第九开关管V9作为主开关，所需开关管控制步骤如下，并循环进行：

步骤一：给第七开关管V7和第九开关管V9闭合驱动信号，但二者相互错开不同时，第七开关管V7滞后；

步骤二：同时给第七开关管V7和第九开关管V9断开驱动信号；

步骤三：同时给第六开关管V6和第八开关管V8闭合驱动信号；

步骤四：同时给第六开关管V6和第八开关管V8断开驱动信号；

在以上步骤满足的前提下，各个开关管的开关占空比可调，以满足输出侧的需要；此时可见，通过第五开关管V5的调控，以及蓄电池X的反馈，真正实现了单方向双馈能模式，即相绕组发电输出和蓄电池X反向馈能输出，当然对于蓄电池X的被充电和馈能输出，也定义为正反双馈，从而本发明严格说集成了两种双馈能模式。

第六开关管V6、第七开关管V7、第八开关管V8、第九开关管V9采高频PWM模式。

虽然本发明所述为三相绕组开关磁阻发电机，但从中可见，扩展性强，也就意味着对于其他相数的开关磁阻发电机，本发明自然处于保护范围。

Claims (2)

1.一种直升压无隔离双馈高速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、第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组、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、第七电容器、第八电容器、第九电容器、第十电容器、电感、变压器，所述蓄电池正极连接所述第一开关管阳极、所述第二开关管阳极、所述第三开关管阳极、所述第十电容器正极、所述变压器一次侧绕组一端，蓄电池负极连接所述第四开关管阴极、所述第一电容器一端、所述第五开关管阴极、所述第三电容器负极、所述第九电容器一端、所述第七电容器一端、所述第九开关管阴极、所述第八二极管阳极、所述第十电容器负极，第一开关管阴极连接所述第一相绕组一端，第二开关管阴极连接所述第二相绕组一端，第三开关管阴极连接所述第三相绕组一端，第一相绕组另一端与第二相绕组另一端、第三相绕组另一端、所述第一二极管阳极、第四开关管阳极连接，第一二极管阴极连接所述第二二极管阳极、所述第三二极管阳极，第二二极管阴极连接第一电容器另一端、所述电感一端，第三二极管阴极连接所述第二电容器一端、所述第四二极管阳极，电感另一端连接第二电容器另一端、第五开关管阳极，第四二极管阴极连接第三电容器正极、所述第六开关管阳极、所述第四电容器一端、所述第五二极管阴极，第六开关管阴极连接第四电容器另一端、第五二极管阳极、所述第五电容器一端、所述第七开关管阳极、所述第六二极管阴极、所述第八电容器一端，第五电容器另一端连接第七开关管阴极、第六二极管阳极、第九电容器另一端、所述第六电容器一端、所述第八开关管阳极、所述第七二极管阴极，第六电容器另一端连接第八开关管阴极、第七二极管阳极、第七电容器另一端、第九开关管阳极、第八二极管阴极、变压器二次侧绕组一端，第八电容器另一端连接变压器一次侧绕组另一端、变压器二次侧绕组另一端；

所述开关磁阻发电机结构中的定转子凸极重叠系数为0，变压器一次侧绕组匝数除以二次侧绕组匝数大于1。

2.根据权利要求1所述的一种直升压无隔离双馈高速开关磁阻发电机变流系统的控制方法，其特征是，根据开关磁阻发电机运行原理，蓄电池作为励磁电源，根据转子位置信息，当需要第一相绕组通电工作时，闭合第一开关管、第四开关管，进入励磁阶段，根据转子位置信息励磁阶段结束后断开第四开关管，进入发电阶段，该阶段分为第五开关管的闭合与断开两种模式，第五开关管断开状态至少遵守如下两个条件之一，一是第一相绕组电流降至零时第五开关管断开，二是第三电容器侧电压骤降低于下限值时，第五开关管断开，否则，第五开关管在此发电阶段为闭合状态，根据转子位置信息发电阶段结束时断开第一开关管，同时第五开关管也为断开状态，第一开关管断开意味着第一相绕组工作结束；第二相绕组、第三相绕组需要通电工作时，工作控制模式与第一相绕组通电工作相同，第二开关管、第三开关管对应第一开关管，第二相绕组、第三相绕组对应第一相绕组；

当检测到蓄电池电量低于下限值时，起动为蓄电池充电的工作，第六开关管作为主开关，所需开关管控制步骤如下，并循环进行：

步骤一：同时给第七开关管和第九开关管闭合驱动信号；

步骤二：同时给第七开关管和第九开关管断开驱动信号；

步骤三：给第六开关管和第八开关管闭合驱动信号，但二者相互错开不同时，第八开关管滞后；

步骤四：同时给第六开关管和第八开关管断开驱动信号；

在以上步骤满足的前提下，各个开关管的占空比可调，以满足输出充电需要；

当检测到蓄电池电量高于下限值，并且第三电容器侧的负载端负载过大、电压骤降低于下限值时，起动蓄电池经变流后的直接输出给第三电容器侧供电的工作，第九开关管作为主开关，所需开关管控制步骤如下，并循环进行：

步骤一：给第七开关管和第九开关管闭合驱动信号，但二者相互错开不同时，第七开关管滞后；

步骤二：同时给第七开关管和第九开关管断开驱动信号；

步骤三：同时给第六开关管和第八开关管闭合驱动信号；

步骤四：同时给第六开关管和第八开关管断开驱动信号；

在以上步骤满足的前提下，各个开关管的开关占空比可调，以满足输出侧的需要。

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