CN110677083B - 一种直升压变励磁开关磁阻发电机变流系统 - Google Patents

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Abstract

一种直升压变励磁开关磁阻发电机变流系统,包括六个开关管、三相绕组、八个电容器、六个二极管、四个电感、直流降压变换器,第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管控制开关磁阻发电机各相绕组的励磁和发电工作,以最少开关管直接抬升电压输出,第五开关管和第六开关管调控励磁电压大小,兼顾强化励磁,解决了以最少开关管及低开关应力低损耗下的直接升压、宽范围变励磁电压,以及隔离解耦降压并因应较大功率等级场合,全系器件利用率高、效率高、成本低,适用于各类动力驱动下的中高速开关磁阻发电机系统领域应用。

Description

一种直升压变励磁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高电压输出、励磁电压可调的少开关自励开关磁阻发电机变流系统及其控制方法。
背景技术
开关磁阻电机转子上无绕组、无导条,定子绕组为凸极集中绕制,从而其本体结构及其简单、成本低、制造及其方便,理应具有广阔的应用前景。
目前,开关磁阻电动机在一些领域出现少量应用,开关磁阻发电机相对应用更少,鉴于开关磁阻电机的特点,其运行中必须根据定转子之间相对位置关系分时段分别给各相绕组供电运行,包括作为发电机,首先需要电源供电励磁,然后发电输出,所以说,其运行中对其变流系统的要求极高,含有各相绕组的变流系统可说是开关磁阻发电机系统的心脏所在。
鉴于开关磁阻发电机的结构和运行特点与其他主流电机完全不同,所以其变流系统是全新的领域,目前该领域的发展较为缓慢,传统的励磁和发电模式已显现出明显的缺点。
和其他发电机一样,多数场合下,开关磁阻发电机发出的电能需要进一步靠增加的升压装置及其控制系统升压后再提供给负载或并入电网,所以如果开关磁阻发电机的变流器能在励磁和发电的同时直接升高电压,则势必具有很大意义,目前已出现的有些直升压装置很多需要较多的开关管。
在开关磁阻发电机系统领域,当前在MPPT(最大功率点跟踪)控制方面颇为重视,因为这直接关系到发电效率问题,进而影响开关磁阻发电机的应用扩展,传统的开关角控制难以满足高性能要求,而励磁阶段对绕组电流的斩波又仅限于低速场合,所以,更多的控制变量是发展所需要的,由于励磁电压大小极大的影响发电效率和效益,另外,业界有所谓强化励磁功能之说,如果励磁电压能作为一个变量,同时兼顾强化励磁,则势必能增强开关磁阻发电机系统实现更好需求的能力,但当前绝大多数的开关磁阻发电机系统不能实现变励磁电压控制,或者有些仅能实现励磁电压的断续调节或者窄范围连续调节。
变流系统离不开电力电子开关管,而开关管的开关损耗至关重要,除了业界风靡的软开关控制,其实,越少的开关管数量,势必直接减轻对开关管的控制负担,同样功能下,开关管用量越少,总损耗自然低,发电效率自然高,并且提高了整体的可靠性,降低了成本,再者,开关动作时的电压应力越小,则势必相对损耗低,可靠性还高,所以,诸如最少开关管数量、低开关应力等同样是变流系统发展的关键所在。
在当前开关磁阻发电机变流系统业界,经常会出现当中包含的大量电力电子系统结构,在系统运行中它们并不常常工作,而是在极端情况下时才投入工作,譬如蓄电池作为励磁电源时配备充电电路,除增加了体积重量和成本,降低了灵活性可靠性,当中必然需要较多开关管从而也降低了器件的平均利用率,所以,开关磁阻发电机变流系统的各类器件利用率问题也是重要问题,尤其考虑到开关磁阻发电机应用扩展中业主特别关注的成本问题时,显得格外重要。
发明内容
根据以上的背景技术,本发明就提出了一种靠励磁和发电过程直接抬升发电电压、隔离解耦后自励型宽范围变励磁电压、最少开关管数量,并且低开关应力、损耗低效率高、可兼顾强励的控制简单的低成本器件高利用率的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法,适用于各类动力驱动下的中高速开关磁阻发电机系统领域应用。
本发明的技术方案为:
一种直升压变励磁开关磁阻发电机变流系统,其特征是,包括: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、第五电容器、第六电容器、第七电容器、第八电容器、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、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、直流降压变换器,所述第一开关管阴极连接所述第一相绕组一端,所述第二开关管阴极连接所述第二相绕组一端,所述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、所述第四开关管阳极、所述第一电容器一端,第一电容器另一端连接所述第二电容器一端、所述第一二极管阳极、所述第一电感一端,第二电容器另一端连接所述第二电感一端、所述第三电容器一端、所述第二二极管阳极,第一二极管阴极连接第二电感另一端、所述第四电容器一端,第三电容器另一端连接所述第三二极管阳极、所述第三电感一端,第二二极管阴极连接第三电感另一端、所述第五电容器一端,第三二极管阴极连接所述第六电容器一端、所述直流降压变换器输入正极端,第一开关管阳极连接第二开关管阳极、第三开关管阳极、所述第八电容器一端、所述第四二极管阴极,第四开关管阴极连接第一电感另一端、第四电容器另一端、第五电容器另一端、第六电容器另一端、直流降压变换器输入负极端、第八电容器另一端、所述第六开关管阴极、所述第七电容器一端、所述第六二极管阴极,直流降压变换器输出正极端连接第四二极管阳极、所述第四电感一端,第四电感另一端连接第六开关管阳极、所述第五二极管阳极,第五二极管阴极连接第七电容器另一端、所述第五开关管阳极,第五开关管阴极连接第六二极管阳极、直流降压变换器输出负极端;
第五开关管、第六开关管均为带有反并联二极管的全控型电力电子开关器件;直流降压变换器带有电磁隔离环节;第六电容器两端为发电输出端;第八电容器两端为励磁电源输出端。
一种直升压变励磁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,闭合第一开关管、第四开关管,来自第八电容器的励磁电能向第一相绕组充电励磁,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,其中第二开关管、第三开关管对应第一开关管,其余器件公用:
开关磁阻发电机运行中,第五开关管和第六开关管按照PWM模式工作,其开关控制方法为:第五开关管和第六开关管的开关周期、频率、占空比均相同,第六开关管滞后于第五开关管半个周期,并且它们的占空比小于0.5,基于以上控制方法的约束条件下,根据系统需要调节第五开关管和第六开关管的占空比,以获得满足需求的励磁电源输出端电压。
本发明的技术效果主要有:
(1)本发明的励磁和发电运行中直接输出高压直流电,虽然仅在发电阶段输出电压明显高于励磁电压,但考虑到开关磁阻发电机运行原理,在每相绕组一个周期的工作中,励磁阶段所占时间应小于发电阶段所占时间,从而其平均的发电输出端电压仍能明显高于励磁电源输入的励磁电压,并且励磁电压越大发电输出端发电电压越大。
(2)本发明的励磁和发电运行回路除一个公用开关管外,每相绕组仅需一个开关管,为最少开关管型变流电路,再考虑到变励磁电压所需的第五开关管和第六开关管,对于N相绕组的开关磁阻发电机,本发明仅仅需要N+3个开关管,运行中开关应力也较小,从而本发明的变流系统总体开关损耗低,发电效率高、成本低。
(3)本发明的变流系统电路各类器件利用率极高,对于相绕组励磁和发电工作中,除与每相绕组串联的开关管在该相绕组工作时才进行闭合动作外,其余器件均为各相绕组工作时公用,而变励磁电压时所需器件,由于变励磁电压必须实时运行工作,不像带有蓄电池的自动充电系统只在极端情况时才投入工作,所以本发明的结构上器件利用率极高,同时也不存在使用蓄电池时他励磁不能变励磁电压、蓄电池占地面积大等弱点。
(4)通过第五开关管和第六开关管的配合高频PWM工作,并且调控模式简单,即可宽范围的变换输出的励磁电压大小,相当于为开关磁阻发电机系统除开关角和励磁电流斩波外新增一个变量及实现高性能的调控模式,尤其业界颇为关注的MPPT控制中,极大的增强了系统的适应性、灵活性、生存空间,同时,对于业界关注的强化励磁功能,自然兼顾实现,尤其本发明励磁电压可调范围宽,则强化能力更强。
(5)发电输出后的电能作为变励磁回路的输入电源,属于自励磁模式,但不同于传统自励模式,励磁电源输出又与发电输出解耦,中间增加了带有隔离功能的直流降压变换器,除因应励磁电压一般总是小于发电电压,本发明发电输出端发电电压更大之下变励磁电压需要更小的输入电压而需要降压外,也因隔离措施存在而使得本发明可适应较大功率等级的开关磁阻发电机系统场合。
附图说明
图1所示为本发明的一种直升压变励磁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变励磁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、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、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、直流降压变换器,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、第四开关管V4阳极、第一电容器C1一端,第一电容器C1另一端连接第二电容器C2一端、第一二极管D1阳极、第一电感L1一端,第二电容器C2另一端连接第二电感L2一端、第三电容器C3一端、第二二极管D2阳极,第一二极管D1阴极连接第二电感L2另一端、第四电容器C4一端,第三电容器C3另一端连接第三二极管D3阳极、第三电感L3一端,第二二极管D2阴极连接第三电感L3另一端、第五电容器C5一端,第三二极管D3阴极连接第六电容器C6一端、直流降压变换器输入正极端,第一开关管V1阳极连接第二开关管V2阳极、第三开关管V3阳极、第八电容器C8一端、第四二极管D4阴极,第四开关管V4阴极连接第一电感L1另一端、第四电容器C4另一端、第五电容器C5另一端、第六电容器C6另一端、直流降压变换器输入负极端、第八电容器C8另一端、第六开关管V6阴极、第七电容器C7一端、第六二极管D6阴极,直流降压变换器输出正极端连接第四二极管D4阳极、第四电感L4一端,第四电感L4另一端连接第六开关管V6阳极、第五二极管D5阳极,第五二极管D5阴极连接第七电容器C7另一端、第五开关管V5阳极,第五开关管V5阴极连接第六二极管D6阳极、直流降压变换器输出负极端;
第五开关管V5、第六开关管V6均为带有反并联二极管的全控型电力电子开关器件;直流降压变换器带有电磁隔离环节,并且降压幅度为七倍,即输出端电压为输入端电压的七分之一;第六电容器C6两端为发电输出端;第八电容器C8两端为励磁电源输出端。
本实施例的一种直升压变励磁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、第四开关管V4,来自第八电容器C8的励磁电能向第一相绕组M充电励磁,进入励磁阶段,同时,第一电容器C1向第一电感L1充电,第一电容器C1、第四电容器C4向第二电感L2、第二电容器C2充电,第一电容器C1、第五电容器C5向第三电感L3、第三电容器C3充电;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维持闭合状态,进入发电阶段,第一相绕组M的储能与励磁电源一起向发电输出端发电输出,具体情况有,第一相绕组M串联励磁电源一起经由第一二极管D1向第一电容器C1、第四电容器C4充电,第一电感L1经由第一二极管D1向第四电容器C4充电,第一相绕组M串联励磁电源、第二电容器C2、经由第二二极管D2、第一电容器C1向第五电容器C5充电,第一相绕组M串联励磁电源、第二电感L2经由第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容器C1向第五电容器C5充电,励磁电源、第一相绕组M、第三电容器C3串联经由第一电容器C1、第三二极管D3向第六电容器C6充电同时向发电输出端输出电能,励磁电源、第一相绕组M、第二电容器C2、第三电感L3串联经由第一电容器C1、第二二极管D2、第三二极管D3向第六电容器C6充电同时向发电输出端输出电能,可见,相对励磁电源,发电输出端即第六电容器C6两侧此时电压明显高的多;根据转子位置信息发电阶段结束时断开第一开关管V1,第一相绕组M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相同,除第二相绕组N、第三相绕组P分别相应的第二开关管V2、第三开关管V3对应第一开关管V1之外,其余器件全部公用;
开关磁阻发电机运行中,第五开关管V5和第六开关管V6按照PWM模式工作,其开关控制方法为:第五开关管V5和第六开关管V6的开关周期、频率、占空比均相同,但第六开关管V6的闭合相位点滞后于第五开关管V5半个周期即180度,并且它们的占空比小于0.5,基于这些控制方法的约束条件下,根据系统需要调节第五开关管V5和第六开关管V6的占空比,以获得满足需求的励磁电源输出端电压,从而因应系统的MPPT等发电性能提升及发电输出侧需求。
从本发明的结构和控制方法可见,对于非三相绕组的开关磁阻发电机,无非是增删相绕组及其串联的开关管而已,控制方法相同,所以,本发明针对任意相绕组数的开关磁阻发电机,均应处于保护范围以内。

Claims (2)

1.一种直升压变励磁开关磁阻发电机变流系统,包括: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、第五电容器、第六电容器、第七电容器、第八电容器、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、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、直流降压变换器,其特征是,所述第一开关管阴极连接所述第一相绕组一端,所述第二开关管阴极连接所述第二相绕组一端,所述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、所述第四开关管阳极、所述第一电容器一端,第一电容器另一端连接所述第二电容器一端、所述第一二极管阳极、所述第一电感一端,第二电容器另一端连接所述第二电感一端、所述第三电容器一端、所述第二二极管阳极,第一二极管阴极连接第二电感另一端、所述第四电容器一端,第三电容器另一端连接所述第三二极管阳极、所述第三电感一端,第二二极管阴极连接第三电感另一端、所述第五电容器一端,第三二极管阴极连接所述第六电容器一端、所述直流降压变换器输入正极端,第一开关管阳极连接第二开关管阳极、第三开关管阳极、所述第八电容器一端、所述第四二极管阴极,第四开关管阴极连接第一电感另一端、第四电容器另一端、第五电容器另一端、第六电容器另一端、直流降压变换器输入负极端、第八电容器另一端、所述第六开关管阴极、所述第七电容器一端、所述第六二极管阴极,直流降压变换器输出正极端连接第四二极管阳极、所述第四电感一端,第四电感另一端连接第六开关管阳极、所述第五二极管阳极,第五二极管阴极连接第七电容器另一端、所述第五开关管阳极,第五开关管阴极连接第六二极管阳极、直流降压变换器输出负极端;
第五开关管、第六开关管均为带有反并联二极管的全控型电力电子开关器件;直流降压变换器带有电磁隔离环节;第六电容器两端为发电输出端;第八电容器两端为励磁电源输出端。
2.根据权利要求1所述的一种直升压变励磁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,闭合第一开关管、第四开关管,来自第八电容器的励磁电能向第一相绕组充电励磁,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,其中第二开关管、第三开关管对应第一开关管,其余器件公用;
开关磁阻发电机运行中,第五开关管和第六开关管按照PWM模式工作,其开关控制方法为:第五开关管和第六开关管的开关频率、占空比均相同,第六开关管滞后于第五开关管半个周期,并且它们的占空比小于0.5,基于以上控制方法的约束条件下,根据系统需要调节第五开关管和第六开关管的占空比,以获得满足需求的励磁电源输出端电压。
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