CN112104277B - 一种开关磁阻重复频率功率脉冲发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关磁阻重复频率功率脉冲发电机，属于功率脉冲技术领域。该发电机包括：开关磁阻电机本体、位置传感器、脉冲发电控制器和脉冲功率变换器。本发明采用开关磁阻电机，能够将机械能、电脉冲产生和脉冲成形三者融为一体，省去常规发电机系统的储能元件、大容量功率开关、脉冲变压器等，从而节省成本，提高能量利用率。

Description

一种开关磁阻重复频率功率脉冲发电机
技术领域
本发明涉及一种开关磁阻重复频率功率脉冲发电机，属于功率脉冲技术领域。
背景技术
脉冲功率技术是一门研究高功率、高电压、大电流的新兴学科，它是研究在相对长的时间里把能量存储起来，经过快速压缩、转换，最后有效释放给负载的新兴科技领域，是当代高科技的主要基础学科之一。脉冲功率技术在可控核聚变研究与等离子物理研究、新兴强激光、高能电子与离子加速器、电磁脉冲、新武器研究等方面已经兴起并快速发展，同时其应用也逐步发展到民用科技领域，如烟气脱硫脱硝、废水处理、海水淡化、医疗设备等。过去，高脉冲功率技术主要服务于国防科研，比如武器装备等，通过储能和脉冲成形系统调节脉冲宽度、功率数值、脉冲能量，大多是单次脉冲工作。但是在实际使用中，常常需要一定的高平均功率，这就需要能重复频率脉冲运行的功率装置。
开关磁阻电机是上个世纪八十年代提出的一种新型电机，具有结构简单坚固、可控参数多，控制灵活，效率高、起动性能好等优点，使其在电动车驱动系统、家用电器、通用工业、伺服驱动、矿山机械等领域得到了广泛应用。开关磁阻发电机能作为稳压直流电源给负载供电，其适用于风力发电系统，励磁电源都是用直流电压，电机发出的电能为直流电。电机可调参数多，可通过调节不同的参数得到稳定的输出电压和电流。可通过整流逆变过程向电网输入高质量电能，也可将直流电能储存进储能装置。开关磁阻电机驱动系统十分易于实现电动——发电双模式运行，这意味着开关磁阻发电系统具有开关磁阻电机驱动系统的所有优势，同时其绕组对外呈现高阻抗，续流期间可视为可控脉冲电流源，因此开关磁阻发电机系统具备输出功率脉冲的潜力。
发明内容
本发明提出了一种开关磁阻重复频率功率脉冲发电机，采用开关磁阻电机，能够将机械能、电脉冲产生和脉冲成形三者融为一体，省去常规发电机系统的储能元件、大容量功率开关、脉冲变压器等，从而节省成本，提高能量利用率。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种开关磁阻重复频率功率脉冲发电机，包括：电机本体，脉冲发电控制器，位置传感器和脉冲功率变换器；其中，所述电机本体、位置传感器、脉冲发电控制器和脉冲功率变换器顺序连接。
该发电机是单相、二相、三相或者多相。
所述电机本体采用开关磁阻电机。
所述位置传感器是光电式、磁敏式或旋转变压器。
所述脉冲功率变换器不需要母线储能元件。
本发明的有益效果如下：
本发明具有高转速、高功率密度等特点，它将机械能转化、电脉冲产生和脉冲成型三者融为一体，既无需过去常规脉冲成型系统的储能元件、大容量功率开关及脉冲变压器等，又能大大提高脉冲功率源的能量利用率，并且能实现重复连续脉冲发电，这是由开关磁阻电机在脉冲发电领域所独有的其他电机无法比拟的优势。
附图说明
图1是本发明的系统框图。
图2是本发明的脉冲功率变换器结构示意图。
图3是励磁状态下，脉冲功率变换器回路中的电流流向示意图。
图4是续流状态下，脉冲功率变换器回路中的电流流向示意图。
图5(a)是角度控制方式下的绕组电流图；图5(b)是角度控制方式下的脉冲电流波形图。
图6(a)是PWM控制方式下的绕组电流图；图6(b)是PWM控制方式下的脉冲电流波形图。
图7(a)是电流斩波方式下的绕组电流图；图7(b)是电流斩波方式下的脉冲电流波形图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
开关磁阻脉冲发电机系统的脉冲功率变换器，用于将所述开关磁阻脉冲发电机每相发出的连续频率的脉冲电能直接给每相脉冲负载，变换器不需要母线储能元件(电感、电容)，主电路可以是不对称半桥拓扑，也可以是其他类型的开关磁阻电机的功率主电路。
以三相不对称半桥脉冲功率变换器为实施例，而系统中的功率变换器为了得到脉冲电流，变换器不需要母线储能元件，并且开关磁阻脉冲发电机每相发出的连续频率的脉冲电能直接给每相脉冲负载供电，减少了常规开关磁阻发电机的大容量储能元件，消除了相电流叠加形成直流电流的影响。
图1为开关磁阻脉冲发电机系统框图，包括：磁阻电机本体，脉冲发电控制器单元，位置传感器单元以及脉冲功率变换器单元。
脉冲发电控制器单元，用于接收电流传感器单元采集的开关磁阻电机的电流反馈值以及所述位置传感器采集的所述开关磁阻电机的转速反馈值和位置反馈值，采用角度位置控制、电流斩波控制、PWM控制方式控制所述功率变换器的开关管，利用位置传感器信号，控制脉冲功率变换器的开关管通断，功率管导通，电源给绕组供电，绕组励磁，在电感下降区，功率管截止，二极管续流，通过控制功率管通断，二极管直接输出持续的脉冲电能供给负载，开关磁阻脉冲发电机系统直接把机械能转化为频率重复、功率可控的脉冲电能。
为了得到重复频率的脉冲电能，无需并联在功率变换器母线的储能元件，利用开关磁阻电机定子绕组进行分时励磁和发电，根据转子位置信号，控制功率变换器开关通断，功率管导通，外接电源给电机绕组励磁。在电感下降区，功率管导通，二极管续流发电。让脉冲电流形成电机绕组的电感下降区，直接把机械能转化为大小可控的脉冲电能，发电机的变换器直接给功率脉冲负载提供脉冲电能，减少了脉冲电源的储能元件和功率脉冲成型单元，开关磁阻脉冲发电机充分利用了其分时励磁和发电的特性以及发电机的电流源特性，通过控制输出幅值、宽度、频率可调的脉冲电能，省去复杂传统脉冲功率发电机的功率脉冲成型电路，实现了自身励磁及脉冲发电成型的集成化控制，可以应用于重复频率的多种脉冲功率领域。
图2为开关磁阻脉冲发电机系统对应功率变换器的结构示意图，以不对称半桥拓扑为例，主开关器件采用功率场效应晶体管或绝缘栅晶体管，续流器件采用二极管，励磁回路与脉冲发电回路分离，变换器不需要母线储能元件，并且开关磁阻脉冲发电机每相发出的连续频率的脉冲电能直接给每相脉冲负载供电。
图3为一相的励磁回路，开关管S1、S2开通，电源对A相绕组进行励磁，开通角为θon，关断角为θoff。外部电源(或自励电容)给定子绕组供电、励磁。
图4为脉冲发电回路，当原边开关管S1、S2关断时，相电流经续流二极管D1和D2续流，定子绕组通过二极管向负载输出脉冲电能，将电机的磁场储能转化为电能迅速传输到脉冲负载。
图5为实施角度位置控制方式(APC)下的电流波形，绕组电流的波形包含了励磁电流波形和脉冲电流波形，励磁过程可控。开通角和关断角的大小影响着励磁电流的大小，从而影响着脉冲电流的峰值和脉宽以及一次脉冲放电能量。图5(a)为一个脉冲周期，直流电源为28V，转速n＝18000rpm，负载为5Ω电阻，关断角为60°不变，θon＝θ1＝28°时，脉冲电流有效值为3.2586A，脉冲宽度为0.38ms，脉冲幅值为8.2773A，脉冲功率为53.1w。
θon＝θ2＝32°时，脉冲电流有效值为2.831A，脉冲宽度为0.37ms，脉冲幅值为7.1956A，脉冲功率为40.1w。
θon＝θ3＝36°时，脉冲电流有效值为2.3876A，脉冲宽度为0.36ms，脉冲幅值为6.077A，脉冲功率为28.5w。
图5(b)为一个脉冲周期，直流电源为28V，转速n＝18000rpm，负载为5Ω电阻，开通角为33°不变，
θoff＝θ1＝54°时，脉冲电流有效值为1.9168A，脉冲宽度为0.41ms，脉冲幅值为4.5397A，脉冲功率为18.4w。
θoff＝θ2＝60°时，脉冲电流有效值为2.8306A，脉冲宽度为0.38ms，脉冲幅值为7.1959A，脉冲功率为40.06w。
θoff＝θ3＝66°时，脉冲电流有效值为3.9933A，脉冲宽度为0.34ms，脉冲幅值为7.4988A，脉冲功率为79.73w。
在转速、直流电压源不变，保持关断角不变，改变开通角时，随着开通角的减小，励磁区变宽，脉冲电流幅值、脉冲宽度和输出的脉冲功率均相应增加。在开通角不变的情况下，改变关断角时，随着关断角的增加，脉冲电流幅值、脉冲宽度、输出的脉冲功率均相应增加相应增大。APC控制用于中、高速脉冲发电控制，其脉冲发电频率是相频率。
图6为实施PWM(电压斩波)控制方式下的一相电流波形。PWM可以用于全速脉冲发电控制。图6(a)为绕组电流。图6(b)为脉冲电流。在开关管导通期间励磁，关断期间续流从而发出脉冲电流给脉冲负载供电，在一相发电周期内产生多个脉冲。单次脉宽为PWM信号的周期乘以(1－占空比)。通过改变PWM的占空比可以调整脉冲幅值和脉冲宽度，此时脉冲电能频率即PWM开关频率。
图7为实施电流斩波控制方式(CCC)的一相电流波形。CCC通常是发电机低转速发电的控制模式，此时输出脉冲电能频率即斩波频率。图7(a)为绕组电流。图7(b)为脉冲电流。当绕组电流大于斩波限时，关断开关管，绕组电流从励磁电流转变为脉冲电流，当绕组电流小于斩波限时，导通开关管，绕组电流走励磁回路，停止给脉冲负载供电，从而在一相发电周期内产生多个脉冲。随着斩波限的增加，励磁电流也越大，使得脉冲电流的峰值也显著增大，并且脉冲宽度和释放出的单次脉冲能量也增加。

Claims (4)

1.一种开关磁阻重复频率功率脉冲发电机，其特征在于，包括：电机本体，脉冲发电控制器，位置传感器和脉冲功率变换器；其中，所述电机本体、位置传感器、脉冲发电控制器和脉冲功率变换器顺序连接；所述脉冲功率变换器不需要母线储能元件。
2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻重复频率功率脉冲发电机，其特征在于，该发电机是单相、二相、三相或者多相。
3.根据权利要求1所述的一种开关磁阻重复频率功率脉冲发电机，其特征在于，所述电机本体采用开关磁阻电机。
4.根据权利要求1所述的一种开关磁阻重复频率功率脉冲发电机，其特征在于，所述位置传感器是光电式、磁敏式或旋转变压器。
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