CN110729931B - 直升压变励磁开关磁阻发电机变流系统 - Google Patents
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Abstract
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、六个电容器、六个二极管、三个耦合电抗器、直流降压变换器，第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管负责各相绕组的励磁和发电，以及兼顾直接获得相对高的发电电压输出，第五开关管和第六开关管负责对励磁电压进行变换，兼顾强化励磁效果，从而以最少五个开关管解决了诸如系统直升压、变励磁，以及有效利用各个电容器和电抗器下实现系统的高效率、高利用率，全系可靠性也高；比较适合于各类动力驱动下的高速中小功率开关磁阻发电机系统领域应用。
Description
技术领域
本发明涉及开关磁阻电机系统领域，具体涉及一种直升压、变励磁、高效、高利用率、最少开关管的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法。
背景技术
开关磁阻电机本体在电机业界的优势毋庸置疑，变流装置在开关磁阻电机系统中的地位是决定性的。
在开关磁阻电机变流系统中，核心部件是可控的开关管，开关管的存在带来了微机控制系统、控制算法，以及开关损耗和安全保护等一系列问题，高频化发展又使得软开关技术在高端应用中不可或缺，开关磁阻发电机变流系统仰仗的变流装置也不例外，越少的开关管数量、更多的功能是开关磁阻发电机变流系统发展中所需要的，看似矛盾的需求，自然带来较大的发展挑战。
开关磁阻发电机的应用相比开关磁阻电动机来的少来的晚，阻碍其应用的瓶颈问题之一便是其高效、高可靠性、多功能的变流系统的发展较为缓慢。
我们知道，用户端所需的供电电压往往不是由发电机直接输出的，需要对发电机直接发出的电能进行升压，从而带来了大量的升压装置及其控制系统，使得整个系统更加复杂。
在开关磁阻发电机系统领域，鉴于对最大功率输出、低转矩脉动、高发电效益等的追求，原有的开关管和低速励磁电流控制已显现出不能满足越来越高端的需求，励磁电压作为一个变量参与控制被提了出来，即变励磁电压控制，所以首当其冲面临的是需要摒弃传统的蓄电池他励磁或者直接自励磁等励磁电压不可控的变流结构，发展新型的变励磁变流装置。
目前已有的众多开关磁阻发电机变流装置中，另外还存在一个利用率不高的问题，即大量变流回路仅仅在极端情况下投入使用，性价比较低。
强化励磁能力当前已经近乎作为开关磁阻发电机系统控制中的不可忽视的一个需求环节，当然，可变的励磁电压的实现势必容易兼顾强化励磁能力，所以变励磁系统意义显得更为重大。
电感、电容作为变流系统中重要的部件，在开关磁阻发电机变流系统中自然受到重视，当前，因应开关管应用发展中降低使用量的需求，电感、电容势必需要充当更加重要的功能作用。
发明内容
根据以上的背景技术，本发明就提出了一种励磁和发电过程中直接兼顾抬升输出电压，励磁电压可调，高发电效益和效率，高利用率，有效利用电抗器和电容器的最少数量可控开关管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高速中小功率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、第一耦合电抗器、第二耦合电抗器、第三耦合电抗器、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、所述第一二极管阳极，第一电容器另一端连接所述第一耦合电抗器一次侧绕组一端，第一二极管阴极连接第一耦合电抗器一次侧绕组另一端和二次侧绕组一端、所述第二电容器一端、所述第二二极管阳极，第一耦合电抗器二次侧绕组另一端连接所述第三电容器一端，第三电容器另一端连接第二二极管阴极、所述第三二极管阳极，第三二极管阴极连接所述第四电容器一端、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、所述第六开关管阳极、所述第六电容器一端、所述第六二极管阴极，第四开关管阴极连接第二电容器另一端、第四电容器另一端、直流降压变换器输入负极端和输出负极端、第六电容器另一端、所述第五开关管阴极、所述第五电容器一端，直流降压变换器输出正极端连接所述第二耦合电抗器一次侧绕组一端，第二耦合电抗器一次侧绕组另一端连接其二次侧绕组一端、所述第五二极管阳极，第二耦合电抗器二次侧绕组另一端连接所述第四二极管阳极，第四二极管阴极连接第五电容器另一端、所述第三耦合电抗器一次侧绕组一端，第三耦合电抗器一次侧绕组另一端连接其二次侧绕组一端、第五开关管阳极、第六开关管阴极、第五二极管阴极，第三耦合电抗器二次侧绕组另一端连接第六二极管阳极；
第五开关管、第六开关管均为带反并联二极管的全控型高频电力电子开关器件；第六电容器两端为励磁电源输入端；第四电容器两端为发电输出端。
直升压变励磁开关磁阻发电机变流系统，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，闭合第一开关管和第四开关管，进入励磁阶段；根据转子位置信息待励磁阶段结束时，断开第四开关管，进入发电阶段；根据转子位置信息待发电阶段结束时，断开第一开关管，第一相绕组工作结束；
根据转子位置信息当第二相绕组、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，其余器件公用；
第五开关管和第六开关管按照PWM模式工作，调节它们的占空比可改变第六电容器侧的励磁电压，同时它们遵循如下规则：第五开关管和第六开关管的开关频率相同，交错开关工作，并且一个周期内存在两次同时断开的短区间。
本发明的技术效果主要有：
本发明的变流系统结构，对于N相绕组的开关磁阻发电机变流系统，仅需N+3个开关管，考虑到依靠本发明结构下输出端发电电压相对输入侧的励磁电压明显直接得到抬升的功能(简化掉了后续需要专门的升压需求，还可以通过对第一耦合电抗器两侧绕组匝数比的调节适应不同升压效果的需求)，以及变励磁电压功能的实现，此乃最少数量开关管的主变流结构了，简化了结构和控制，提高了可靠性，同时大量采用电抗器和电容器实现辅助升压变压，相对来说就没有开关管存在的开关损耗以及可靠性和控制的问题，使得总体控制复杂度得到简化，虽然第五开关管和第六开关管为高频工作，但软开关，以及其余开关管(第一开关管到第四开关管)源于开关磁阻发电机转速下的相对低频开关，所以总体变流系统的效率高、可靠性高。
纵观本发明的结构，除第一开关管、第二开关管、第三开关管结合相对应的相绕组分时段参与工作外，其余全部器件都近似全时域参与工作，不存在开关磁阻发电机变流系统届普遍存在的部分变流电路及器件仅仅在极端情况下才投入工作的情况，大大提高了变流系统总体利用率。
实时的根据系统需要可变的励磁电压，在开关磁阻发电机系统业界，是具有重大意义的，相当于除开关角和励磁电流外，新增加了一个可变变量；另外，强化励磁能力也常常是考察励磁变流的重要性能指标，既然可连续的实时变励磁电压，则势必兼顾实现必要时的强化励磁；还可以通过对第二耦合电抗器两侧绕组之间的匝数比的改变，适应不同的侧重需求。
附图说明
图1所示为本发明的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、第一耦合电抗器LC1、第二耦合电抗器LC2、第三耦合电抗器LC3、直流降压变换器组成，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、第一二极管D1阳极，第一电容器C1另一端连接第一耦合电抗器LC1一次侧绕组a一端，第一二极管D1阴极连接第一耦合电抗器LC1一次侧绕组a另一端和二次侧绕组b一端、第二电容器C2一端、第二二极管D2阳极，第一耦合电抗器LC1二次侧绕组b另一端连接第三电容器C3一端，第三电容器C3另一端连接第二二极管D2阴极、第三二极管D3阳极，第三二极管D3阴极连接第四电容器C4一端、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、第六开关管V6阳极、第六电容器C6一端、第六二极管D6阴极，第四开关管V4阴极连接第二电容器C2另一端、第四电容器C4另一端、直流降压变换器输入负极端和输出负极端、第六电容器C6另一端、第五开关管V5阴极、第五电容器C5一端，直流降压变换器输出正极端连接第二耦合电抗器LC2一次侧绕组c一端，第二耦合电抗器LC2一次侧绕组c另一端连接其二次侧绕组d一端、第五二极管D5阳极，第二耦合电抗器LC2二次侧绕组d另一端连接第四二极管D4阳极，第四二极管D4阴极连接第五电容器C5另一端、第三耦合电抗器LC3一次侧绕组e一端，第三耦合电抗器LC3一次侧绕组e另一端连接其二次侧绕组f一端、第五开关管V5阳极、第六开关管V6阴极、第五二极管D5阴极，第三耦合电抗器LC3二次侧绕组f另一端连接第六二极管D6阳极；
第一耦合电抗器LC1二次侧绕组b匝数除以一次侧绕组a匝数等于3；第二耦合电抗器LC2二次侧绕组d匝数除以一次侧绕组c匝数等于0.1；直流降压变换器降压幅度为20倍；第五开关管V5、第六开关管V6均为带反并联二极管的全控型高频电力电子开关器件如IGBT或者电力MOSFET等；第六电容器C6两端为励磁电源输入端；第四电容器C4两端为发电输出端。
本实施例直升压变励磁开关磁阻发电机变流系统的控制方法，在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和第四开关管V4，进入励磁阶段，来自第六电容器C6侧的励磁电源经由第一开关管V1和第四开关管V4向第一相绕组M供电励磁储能，同时第二电容器C2的储能经由第一耦合电抗器LC1、第四开关管V4、第二二极管等向第一电容器C1、第三电容器C3充电转移；根据转子位置信息待励磁阶段结束时，断开第四开关管V4，进入发电阶段，此时第一开关管V1继续维持闭合，此时形成多个回路，第一相绕组M的储能与励磁电源(第六电容器C6)串联一起向第二电容器C2充电，同时与第一电容器C1、第一耦合电抗器LC1、第三电容器C3串联一起经由第三二极管D3向第四电容器C4侧即向外输出电能，可见此时输出端的发电电压将远大于励磁电压，另外，第一电容器C1、第一耦合电抗器LC1也参与向第二电容器C2充电；根据转子位置信息待发电阶段结束时，再断开第一开关管V1，第一相绕组M工作结束；原则上在第一相绕组M工作期间第一开关管V1为常闭状态，但在必要时可按照PWM工作，譬如极端情况需要降低电能输出量时。
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，第二开关管V2、第三开关管V3对应第一开关管V1，其余器件公用共用；
励磁电源并非最传统的自励模式下直接取自发电输出端，而是经由直流降压变换器和以第五开关管V5、第六开关管V6为核心的励磁变换电路输出励磁电源，第五开关管V5和第六开关管V6均按照高频PWM模式工作，调节它们的占空比可改变第六电容器C6侧的励磁电压，同时它们遵循如下规则：第五开关管V5和第六开关管V6的开关频率相同，交错开关工作，并且一个周期内存在两次同时断开的短区间，并且一周期内同时断开的总时间(两个同时断开的短区间之和)除以周期小于0.1；当中第三耦合电抗器LC3、第六二极管D6、第六开关管V6的作用是如上工作时给予第五开关管V5和第六开关管V6软开关便利，并改善变流效率，从而励磁电源可以大胆的全时段高频开关工作，根据系统要求调节第五开关管V5和第六开关管V6的占空比来调节输出的励磁电压。
从本发明的结构可见，对于非三相绕组的开关磁阻发电机，变流系统无非是增删相绕组和开关管的串联支路的问题，所以，对于任意相绕组数的开关磁阻发电机，本发明均应当处于保护范围。
Claims (2)
1.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、第一耦合电抗器、第二耦合电抗器、第三耦合电抗器、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、所述第一二极管阳极，第一电容器另一端连接所述第一耦合电抗器一次侧绕组一端，第一二极管阴极连接第一耦合电抗器一次侧绕组另一端和二次侧绕组一端、所述第二电容器一端、所述第二二极管阳极，第一耦合电抗器二次侧绕组另一端连接所述第三电容器一端，第三电容器另一端连接第二二极管阴极、所述第三二极管阳极，第三二极管阴极连接所述第四电容器一端、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、所述第六开关管阳极、所述第六电容器一端、所述第六二极管阴极，第四开关管阴极连接第二电容器另一端、第四电容器另一端、直流降压变换器输入负极端和输出负极端、第六电容器另一端、所述第五开关管阴极、所述第五电容器一端，直流降压变换器输出正极端连接所述第二耦合电抗器一次侧绕组一端，第二耦合电抗器一次侧绕组另一端连接其二次侧绕组一端、所述第五二极管阳极，第二耦合电抗器二次侧绕组另一端连接所述第四二极管阳极，第四二极管阴极连接第五电容器另一端、所述第三耦合电抗器一次侧绕组一端，第三耦合电抗器一次侧绕组另一端连接其二次侧绕组一端、第五开关管阳极、第六开关管阴极、第五二极管阴极，第三耦合电抗器二次侧绕组另一端连接第六二极管阳极；
第五开关管、第六开关管均为带反并联二极管的全控型高频电力电子开关器件；第六电容器两端为励磁电源输入端；第四电容器两端为发电输出端。
2.根据权利要求1所述的直升压变励磁开关磁阻发电机变流系统，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，闭合第一开关管和第四开关管，进入励磁阶段；根据转子位置信息待励磁阶段结束时，断开第四开关管，进入发电阶段；根据转子位置信息待发电阶段结束时，断开第一开关管，第一相绕组工作结束；
根据转子位置信息当第二相绕组、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，其余器件公用；
第五开关管和第六开关管按照PWM模式工作，调节它们的占空比可改变第六电容器侧的励磁电压，同时它们遵循如下规则：第五开关管和第六开关管的开关频率相同，交错开关工作，并且一个周期内存在两个同时处于断开状态的短区间。
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