CN113890435A - 一种四相开关磁阻发电机变流器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种四相开关磁阻发电机变流器及其控制方法，其变流器由三个电容器、五个开关管、五个二极管、两个电感、以及连入开关磁阻发电机的四相绕组组成，经第五开关管的PWM开关可以控制各相绕组共用的励磁电压值，其余四个开关管针对各相绕组的励磁和发电控制，变流器没有隔离环节，励磁电压和发电电压解耦，总开关管用量仅比相绕组数量多一个，结构和控制简单，可靠性高；适用于各类动力驱动下的偶数相绕组数量开关磁阻发电机系统领域应用。

Description

一种四相开关磁阻发电机变流器及其控制方法

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机系统领域，具体涉及一种自励型可变励磁电压并与发电电压解耦的、无隔离环节的、以及最少开关管数量的开关磁阻发电机变流器及其控制方法。

背景技术

开关磁阻电机结构及其简单并坚固，主要是转子上无绕组也无永磁体，成本低，耐高温高速，理应具有广泛的应用前景。

目前开关磁阻电机作为发电机使用尤为少见，它运行中需根据定转子凸极之间的相对位置关系，选定需通电工作的相绕组，各相绕组根据定转子相对位置关系分时通电工作，每相绕组工作中的内部又细分为励磁和发电两大阶段，按顺序分时进行，所以，开关磁阻发电机的相绕组变流变换系统显得格外重要，由于其原理特殊，其变流器与传统电机的变频器存在本质区别，不可混为一谈，开关磁阻发电机的变流器自成一系。

目前已出现的开关磁阻发电机变流器中，基于变励磁电压下的变流器系统研究开始兴起，但是，很多种可变励磁的变流器中，要么需要隔离环节，要么需要大量的电力电子可控开关管，要么牺牲多样化功能或降低其适应性，增加了变流器结构和控制的复杂度，增加了变流器成本，降低了开关磁阻电机本身带来的优势，也降低了可靠性，所以，紧随开关磁阻电机本体优势，开发结构简单易行同时满足可变励磁的变流器必然也是在其应用道路上的趋势之一。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种可变励磁电压，没有隔离环节，励磁电压与发电电压共地并解耦，可以满足同时两相绕组工作，以及基于以上前提下使用最少电力电子开关管数量的结构简单高性价比四相绕组开关磁阻发电机的变流器及其控制方法，适用于各类动力驱动下开关磁阻发电机系统领域应用。

本发明的技术方案为：

一种四相开关磁阻发电机变流器，其由第一电容器、第二电容器、第三电容器、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、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第一电感、第二电感、第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组、以及第四相绕组组成，所述第一电容器一端连接所述第一开关管阳极、所述第三开关管阳极、以及所述第二电感一端，第一电容器另一端连接所述第一二极管阳极、所述第二开关管阴极、所述第三二极管阳极、所述第五二极管阳极、所述第四开关管阴极、以及所述第二电容器一端，并作为本变流器发电输出的发电电压负极端，第一开关管阴极连接第一二极管阴极、所述第一相绕组一端、以及所述第四相绕组一端，第一相绕组另一端连接第二开关管阳极、所述第二二极管阳极、以及所述第二相绕组一端，第二相绕组另一端连接第三开关管阴极、第三二极管阴极、以及所述第三相绕组一端，第三相绕组另一端连接第四开关管阳极、第四相绕组另一端、以及所述第四二极管阳极，第二电容器另一端连接第二二极管阴极、第四二极管阴极、所述第一电感一端、以及所述第五开关管阳极，并作为本变流器发电输出的发电电压正极端，第一电感另一端连接第五二极管阴极和所述第三电容器一端，第三电容器另一端连接第二电感另一端和第五开关管阴极；第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组、以及第四相绕组构成开关磁阻发电机的四相绕组，各相绕组的线规和匝数相同；第一电容器两端电压即为本变流器中开关磁阻发电机各相绕组的励磁电压；全部开关管为可控型的三端子电力电子开关器件。

本发明的一种四相开关磁阻发电机变流器的控制方法，开关磁阻发电机运行中，第五开关管按照PWM模式工作，其占空比大于0.5，具体占空比大小根据本变流器对励磁电压要求确定；每相绕组工作中都分为先励磁后发电两个阶段；

根据转子位置信息，当第一相绕组需投入工作时，第一开关管和第二开关管闭合导通，进入励磁阶段；根据转子位置信息待励磁结束时关断第一开关管和第二开关管，进入发电阶段；

根据转子位置信息，当第二相绕组需投入工作时，第三开关管和第二开关管闭合导通，进入励磁阶段；根据转子位置信息待励磁结束时关断第三开关管和第二开关管，进入发电阶段；

根据转子位置信息，当第三相绕组需投入工作时，第三开关管和第四开关管闭合导通，进入励磁阶段；根据转子位置信息待励磁结束时关断第三开关管和第四开关管，进入发电阶段；

根据转子位置信息，当第四相绕组需投入工作时，第一开关管和第四开关管闭合导通，进入励磁阶段；根据转子位置信息待励磁结束时关断第一开关管和第四开关管，进入发电阶段。

本发明的技术效果主要有：

本发明变流器的总开关管用量为n+1个(n为开关磁阻发电机相绕组数量)，总二极管用量也为n+1个，是可变励磁电压的开关磁阻发电机变流系统领域最少的开关器件用量，从而降低了开关损耗提升了效率，降低了复杂性，增强了运行期间的可靠性；

本发明变流器无需隔离环节，减小了体积和重量，同时，做到了变励磁电压并与发电电压不同而且解耦，但又共地；

除本发明变流器所示针对的四相开关磁阻发电机之外，根据本发明变流器结构可见，本发明的技术适合于任意偶数相绕组数量的开关磁阻发电机，并且可以满足同时有两相绕组工作(四相绕组或以上)的工况，提高了本发明的适应性。

附图说明

图1所示为本发明的一种四相开关磁阻发电机变流器及其控制方法的电路结构图。

具体实施方式

本实施例的一种四相开关磁阻发电机变流器及其控制方法，变流器电路结构如附图1所示，其由第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第一开关管K1、第二开关管K2、第三开关管K3、第四开关管K4、第五开关管K5、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、第一电感L1、第二电感L2、第一相绕组M、第二相绕组N、第三相绕组P、以及第四相绕组Q组成，第一电容器C1一端连接第一开关管K1阳极、第三开关管K3阳极、以及第二电感L2一端，第一电容器C1另一端连接第一二极管D1阳极、第二开关管K2阴极、第三二极管D3阳极、第五二极管D5阳极、第四开关管K4阴极、以及第二电容器C2一端，并作为本变流器发电输出的发电电压负极端，第一开关管K1阴极连接第一二极管D1阴极、第一相绕组M一端、以及第四相绕组Q一端，第一相绕组M另一端连接第二开关管K2阳极、第二二极管D2阳极、以及第二相绕组N一端，第二相绕组N另一端连接第三开关管K3阴极、第三二极管D3阴极、以及第三相绕组P一端，第三相绕组P另一端连接第四开关管K4阳极、第四相绕组Q另一端、以及第四二极管D4阳极，第二电容器C2另一端连接第二二极管D2阴极、第四二极管D4阴极、第一电感L1一端、以及第五开关管K5阳极，并作为本变流器发电输出的发电电压正极端，第一电感L1另一端连接第五二极管D5阴极和第三电容器C3一端，第三电容器C3另一端连接第二电感L2另一端和第五开关管K5阴极；第一相绕组M、第二相绕组N、第三相绕组P、以及第四相绕组Q构成开关磁阻发电机的四相绕组，各相绕组的线规和匝数相同；第一电容器C1两端电压即为本变流器中开关磁阻发电机各相绕组的励磁电压；全部开关管为可控型的三端子电力电子开关器件。

第五开关管K5按照高频PWM模式工作，为了获得正常的励磁电压，其占空比需大于0.5；第一电感L1和第二电感L2需足够大，以满足工作过程中第一电感L1和第二电感L2不出现它们各自两端电压为零的时刻，同时避免出现第五开关管K5断开时第五二极管D5截止的状态。

本实施例的一种四相开关磁阻发电机变流器的控制方法，开关磁阻发电机运行中，第五开关管K5按照PWM模式工作，其占空比大于0.5，具体占空比大小根据本变流器对第一电容器C1两端电压即励磁电压大小的要求确定；

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K1和第二开关管K2闭合导通，电流沿着K1-M-K2给第一相绕组M励磁，此为励磁阶段；根据转子位置信息待励磁结束时关断第一开关管K1和第二开关管K2，电流沿着D1-M-D2向第二电容器C2端输出电能，此为发电阶段；

根据转子位置信息，当第二相绕组N需投入工作时，第三开关管K3和第二开关管K2闭合导通，电流沿着K3-N-K2给第二相绕组N励磁，此为励磁阶段；根据转子位置信息待励磁结束时关断第三开关管K3和第二开关管K2，电流沿着D3-N-D2向第二电容器C2端输出电能，此为发电阶段；

根据转子位置信息，当第三相绕组P需投入工作时，第三开关管K3和第四开关管K4闭合导通，电流沿着K3-P-K4给第三相绕组P励磁，此为励磁阶段；根据转子位置信息待励磁结束时关断第三开关管K3和第四开关管K4，电流沿着D3-P-D4向第二电容器C2端输出电能，此为发电阶段；

根据转子位置信息，当第四相绕组Q需投入工作时，第一开关管K1和第四开关管K4闭合导通，电流沿着K1-Q-K4给第四相绕组Q励磁，此为励磁阶段；根据转子位置信息待励磁结束时关断第一开关管K1和第四开关管K4，电流沿着D1-Q-D4向第二电容器C2端输出电能，此为发电阶段；。

如前所述，第五开关管K5按高频PWM模式工作，占空比大于0.5，具体大小根据输出给第一电容器C1两侧的励磁电压大小需求决定，工作中当第五开关管K5闭合导通时，第五二极管D5截止，第一电感L1和第二电感L2被充电，第三电容器C3放电，此时第一电感L1和第三电容器C3的电压和电流都相等，当第五开关管K5断开时，第五二极管D5导通，第一电感L1和第二电感L2放电，第三电容器C3被充电。

另外，需要信息控制器，它收集实时的励磁电压、发电电压、输出功率、以及转子位置和速度等信息，结合发电输出端的给定需求，输出针对全部五个可控开关管的控制信号。

Claims (2)

1.一种四相开关磁阻发电机变流器，由第一电容器、第二电容器、第三电容器、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、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第一电感、第二电感、第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组、以及第四相绕组组成，其技术特征是，所述第一电容器一端连接所述第一开关管阳极、所述第三开关管阳极、以及所述第二电感一端，第一电容器另一端连接所述第一二极管阳极、所述第二开关管阴极、所述第三二极管阳极、所述第五二极管阳极、所述第四开关管阴极、以及所述第二电容器一端，并作为本变流器发电输出的发电电压负极端，第一开关管阴极连接第一二极管阴极、所述第一相绕组一端、以及所述第四相绕组一端，第一相绕组另一端连接第二开关管阳极、所述第二二极管阳极、以及所述第二相绕组一端，第二相绕组另一端连接第三开关管阴极、第三二极管阴极、以及所述第三相绕组一端，第三相绕组另一端连接第四开关管阳极、第四相绕组另一端、以及所述第四二极管阳极，第二电容器另一端连接第二二极管阴极、第四二极管阴极、所述第一电感一端、以及所述第五开关管阳极，并作为本变流器发电输出的发电电压正极端，第一电感另一端连接第五二极管阴极和所述第三电容器一端，第三电容器另一端连接第二电感另一端和第五开关管阴极；第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组、以及第四相绕组构成开关磁阻发电机的四相绕组，各相绕组的线规和匝数相同；第一电容器两端电压即为本变流器中开关磁阻发电机各相绕组的励磁电压；全部开关管为可控型的三端子电力电子开关器件。

2.根据权利要求1所述的一种四相开关磁阻发电机变流器的控制方法，其技术特征是，开关磁阻发电机运行中，第五开关管按照PWM模式工作，其占空比大于0.5，具体占空比大小根据本变流器对励磁电压要求确定；每相绕组工作中都分为先励磁后发电两个阶段；

根据转子位置信息，当第一相绕组需投入工作时，第一开关管和第二开关管闭合导通，进入励磁阶段；根据转子位置信息待励磁结束时关断第一开关管和第二开关管，进入发电阶段；

根据转子位置信息，当第二相绕组需投入工作时，第三开关管和第二开关管闭合导通，进入励磁阶段；根据转子位置信息待励磁结束时关断第三开关管和第二开关管，进入发电阶段；

根据转子位置信息，当第三相绕组需投入工作时，第三开关管和第四开关管闭合导通，进入励磁阶段；根据转子位置信息待励磁结束时关断第三开关管和第四开关管，进入发电阶段；

根据转子位置信息，当第四相绕组需投入工作时，第一开关管和第四开关管闭合导通，进入励磁阶段；根据转子位置信息待励磁结束时关断第一开关管和第四开关管，进入发电阶段。

Images