CN110535383B - 一种电容直升压自充电励磁的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电容直升压自充电励磁的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法，变流系统由蓄电池、五个开关管、三相绕组、七个二极管、六个电容器、直流隔离变压器、两个电感组成，控制中依靠仅有的五个可控开关管的调控，实现了输出端发电电压的直接抬升，解决了蓄电池的自动可调充电，简化了结构，可靠性高，适应性强，仅有第五开关管为高频PWM模式，总体损耗低；适合于各类中小功率的开关磁阻发电机系统领域应用。

Description

一种电容直升压自充电励磁的开关磁阻发电机变流系统及其 控制方法

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机系统领域，具体涉及一种少开关管电容型直接升压、自动充电励磁的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法。

背景技术

开关磁阻电机结构简单坚固成本低，转子无绕组无导条无电流，散热方便，作为发电机应用也具有广阔的应用前景，但是，其离不开高性能的变流系统，变流系统是其运行发电的心脏。

开关磁阻发电机变流系统的结构、复杂度、可靠性、适应性是其性能的关键，对于开关管的用量，开关管数量越少则相对可靠性更高、更简便，变流电路结构越简单，则可靠性越高，尤其大多数场合需要变流后抬升电压的需求，如能一体化实现，则势必具有较好的适应性。

蓄电池充当开关磁阻发电机的励磁电源优点明显，励磁电压和电流相对稳定，对开关磁阻电机的转矩脉动也有一定抑制作用，但蓄电池电量有限，如能具备自动充电功能，则势必提升其适应性和可靠性。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种依靠电容直升压、开关管数量极少、蓄电池自动充电并且仅需一个开关管调控充电的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法，适用于各类中小功率的开关磁阻发电机系统中应用。

本发明的技术方案为：

一种电容直升压自充电励磁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、直流隔离变压器、第一电感、第二电感，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、所述第七二极管阴极，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、所述第二二极管阴极、所述第二电感一端，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，第一相绕组另一端连接第二相绕组另一端、第三相绕组另一端、所述第一二极管阳极、所述第二电容器一端、第四开关管阳极，第一二极管阴极连接第一电容器另一端、所述第三二极管阳极、所述第三电容器一端，第三二极管阴极连接所述第四二极管阳极、所述第四电容器一端、所述第五电容器一端，第三电容器另一端连接第四二极管阴极、所述第五二极管阳极，第五二极管阴极连接第四电容器另一端、所述直流隔离变压器输入正极端，第五电容器另一端连接第二二极管阳极、第二电容器另一端、直流隔离变压器输入负极端，直流隔离变压器输出正极端连接所述第六二极管阴极、所述第一电感一端，第六二极管阳极连接第二电感另一端、所述第六电容器一端，第一电感另一端连接第六电容器另一端、所述第五开关管阳极，直流隔离变压器输出负极端连接第七二极管阳极、第五开关管阴极；

第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器电容量相等，并等于第五电容器电容量的一半；直流隔离变压器固定变比，并且其输出端电压小于输入端电压。

一种电容直升压自充电励磁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，第一开关管和第四开关管同时闭合，进入励磁阶段，根据转子位置信息励磁阶段结束时，断开第四开关管，进入发电阶段，根据转子位置信息发电阶段结束时断开第一开关管，第一相绕组工作结束；第二相绕组、第三相绕组需投入工作时，工作模式与第一相绕组相同，第二开关管、第三开关管对应第一开关管；

当检测到蓄电池电量低于下限值时，第五开关管按照PWM模式工作，具体占空比大小根据蓄电池所需充电电压和电流决定，待蓄电池电量达到上限值时，完全断开第五开关管。

本发明的技术效果主要有：

(1)发电机发出电能后，在大多数应用场合，往往需要先抬升电压，即需要专门的升压系统升压，然后再提供给用电负载或并入电力网络，本发明的开关磁阻发电机变流系统结构，依靠第四开关管和第一电容器、第二电容器、第三电容器等的作用下，直接将开关磁阻发电机的输出直流电压抬高，省掉了中间环节，同时所需的开关管数量极少，低于传统结构下平均每相绕组至少两个开关管的结构；蓄电池充当励磁电源，充电励磁相对稳定。

(2)在蓄电池缺电自动充电时，仅仅需要一个第五开关管的高频PWM调控即可完成充电，调节其占空比以适应蓄电池需要，所以，基于以上结构下，相当于仅仅依靠五个开关管即可完成自动充电励磁、直接升压的高性能开关磁阻发电机变流系统，简化了结构和控制复杂度，提高了可靠性；由于充电系统的高频工作，直流隔离变压器体积重量成本均较低。

附图说明

图1所示为本发明的一种电容直升压自充电励磁的开关磁阻发电机变流系统电路结构图。

具体实施方式

本实施例的一种电容直升压自充电励磁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、直流隔离变压器、第一电感L1、第二电感L2，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、第七二极管D7阴极，蓄电池X负极连接第四开关管V4阴极、第一电容器C1一端、第二二极管D2阴极、第二电感L2一端，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另一端连接第二相绕组N另一端、第三相绕组P另一端、第一二极管D1阳极、第二电容器C2一端、第四开关管V4阳极，第一二极管D1阴极连接第一电容器C1另一端、第三二极管D3阳极、第三电容器C3一端，第三二极管D3阴极连接第四二极管D4阳极、第四电容器C4一端、第五电容器C5一端，第三电容器C3另一端连接第四二极管D4阴极、第五二极管D5阳极，第五二极管D5阴极连接第四电容器C4另一端、直流隔离变压器输入正极端，第五电容器C5另一端连接第二二极管D2阳极、第二电容器C2另一端、直流隔离变压器输入负极端，直流隔离变压器输出正极端连接第六二极管D6阴极、第一电感L1一端，第六二极管D6阳极连接第二电感L2另一端、第六电容器C6一端，第一电感L1另一端连接第六电容器C6另一端、第五开关管V5阳极，直流隔离变压器输出负极端连接第七二极管D7阳极、第五开关管V5阴极；串联的第四电容器C4和第五电容器C5两端为本发明开关磁阻发电机的发电输出两端，即为发电电压输出端。

第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4电容量相等，并等于第五电容器C5电容量的一半；直流隔离变压器具有电磁隔离和变压功能，变压时固定变比，并且其输出端电压为其输入端电压的五分之一；各个开关管均为全控型电力电子开关器件。

本实施例一种电容直升压自充电励磁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，第一开关管V1和第四开关管V4同时闭合导通，进入励磁阶段，蓄电池X经第一开关管V1和第四开关管V4向第一相绕组M供电励磁，同时，第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3的储能(发电阶段被储能)串联向第四电容器C4和第五电容器C5释放即外部发电输出(第一二极管D1、第二二极管D2、第四二极管D4截止)，具体回路有：C2-V4-C1-C3-D5-C4-C5-C2、C2-V4-C1-D3-C5-C2；根据转子位置信息励磁阶段结束时，断开第四开关管V4(第一开关管V1维持闭合)，进入发电阶段，此时第一相绕组M的储能，与蓄电池X串联后一起向第一电容器C1、第二电容器C2等充电储存，具体回路有：X-V1-M-D1-C1-X、X-V1-M-C2-D2-X、C5-D4-C3-前述回路(C1/C2/D1/D2)-C5；根据转子位置信息发电阶段结束时再断开第一开关管V1，第一相绕组M随即工作结束；根据转子位置信息，当第二相绕组N、第三相绕组P需投入工作时，工作模式与第一相绕组M完全相同，其中：第二开关管V2、第三开关管V3对应第一开关管V1，其余器件共用，功用相同。

当检测到蓄电池X电量低于下限值时，第五开关管V5开始按照高频PWM模式工作，具体占空比大小根据蓄电池X所需充电电压和电流决定，当第五开关管V5闭合时，第六电容器C6放电同时第一电感L1和第二电感L2被充电，第六二极管D6截止，第五开关管V5断开时第六电容器C6被充电而第一电感L1和第二电感L2放电，全过程中第七二极管D7导通提供反极性的连续输出电流给蓄电池X，待蓄电池X电量达到上限值时，再完全断开第五开关管V5。

从本发明结构可见，对于不同相绕组数的开关磁阻发电机，仅仅增减相绕组及与其串联的开关管支路即可，控制模式完全相同，所以本发明应当对任意相数的开关磁阻发电机都具备保护资格。

Claims (2)

1.一种电容直升压自充电励磁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、直流隔离变压器、第一电感、第二电感，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、所述第七二极管阴极，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、所述第二二极管阴极、所述第二电感一端，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，第一相绕组另一端连接第二相绕组另一端、第三相绕组另一端、所述第一二极管阳极、所述第二电容器一端、第四开关管阳极，第一二极管阴极连接第一电容器另一端、所述第三二极管阳极、所述第三电容器一端，第三二极管阴极连接所述第四二极管阳极、所述第四电容器一端、所述第五电容器一端，第三电容器另一端连接第四二极管阴极、所述第五二极管阳极，第五二极管阴极连接第四电容器另一端、所述直流隔离变压器输入正极端，第五电容器另一端连接第二二极管阳极、第二电容器另一端、直流隔离变压器输入负极端，直流隔离变压器输出正极端连接所述第六二极管阴极、所述第一电感一端，第六二极管阳极连接第二电感另一端、所述第六电容器一端，第一电感另一端连接第六电容器另一端、所述第五开关管阳极，直流隔离变压器输出负极端连接第七二极管阳极、第五开关管阴极；

第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器电容量相等，并等于第五电容器电容量的一半；直流隔离变压器固定变比，并且其输出端电压小于输入端电压。

2.根据权利要求1所述的一种电容直升压自充电励磁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，第一开关管和第四开关管同时闭合，进入励磁阶段，根据转子位置信息励磁阶段结束时，断开第四开关管，进入发电阶段，根据转子位置信息发电阶段结束时断开第一开关管，第一相绕组工作结束；第二相绕组、第三相绕组需投入工作时，工作模式与第一相绕组相同，第二开关管、第三开关管对应第一开关管；

当检测到蓄电池电量低于下限值时，第五开关管按照PWM模式工作，具体占空比大小根据蓄电池所需充电电压和电流决定，待蓄电池电量达到上限值时，完全断开第五开关管。

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