CN115642840A - 一种开关磁阻发电机直升压变励磁无隔离变流器及其调控方法 - Google Patents

Abstract

一种开关磁阻发电机直升压变励磁无隔离变流器及其调控方法，变流器由十个开关管、三相绕组、五个二极管、三个电感、四个电容器组成，在各相绕组工作的励磁阶段，同时有电感电流输出，而发电阶段，能直接抬升高电压输出，并且发电输出电流连续，而在变励磁环节，直接产生连续的可变的励磁电流电源供电励磁，回归了开关磁阻发电机励磁的本职特征，直接控制励磁电流，并且，整个变流器没有隔离环节，一个地端，发电效率高，励磁和发电电能质量高，适用于各类动力驱动下的开关磁阻发电机系统领域应用。

Description

一种开关磁阻发电机直升压变励磁无隔离变流器及其调控 方法

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机系统领域，具体涉及一种直升压、连续输出、可变励磁及连续励磁、无隔离并且共地的开关磁阻发电机变流器及其调控方法。

背景技术

开关磁阻电机作为一种有前途的特殊电机，越来越受到重视，其关键核心是与常规电机完全不同机理的变流器，又称功率变换器，作为开关磁阻发电机，变流器显得更为重要。

目前的多数开关磁阻发电机变流器，在各相绕组的励磁阶段和发电阶段时，往往励磁阶段不能输出电流，造成电流断续，增加了后续变换装置的压力，尤其传统不对称半桥功率变换器，不但励磁阶段不能输出电流，还要反向供电励磁。

直升压变流器作为开关磁阻发电机一种新概念，减少了后续升压的压力，由变流器本身直接在励磁和发电工作过程中实现一定幅度的升压，但很多这类变流器中夹杂了升压隔离变压器，从而增加了损耗和发热，降低了效率。

近年来变励磁电压调控开关磁阻电机系统的出现，为变励磁变流器的发展带来了机遇，但是，变励磁往往聚焦于变励磁电压，实际上，开关磁阻发电机运行中相绕组关键参量是相电流，通过电压间接影响电流而已，并且，专注于励磁电压基础上，很多变励磁电路供给的电流不能连续或者波动大，进而对开关磁阻发电机的控制产生不利影响，包括各相绕组励磁不均衡造成发电效率下降。

另外，目前多数变励磁电路中要用到隔离环节，包括为了与发电输出端解耦，或者升降尤其降低输出端的高电压的需要，同样的造成了损耗的增加，效率降低。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种直接抬升电压输出，连续输出电能，可变励磁电流并且励磁电流连续输出，没有隔离环节并且发电和变励磁共地的一种开关磁阻发电机变流器及其调控方法，适用于开关磁阻发电机系统领域应用。

本发明的技术方案为：

一种开关磁阻发电机直升压变励磁无隔离变流器，由第一开关管、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、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、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、第一电感、第二电感、第三电感、第一电容器、第二电容器、第三电容器、以及第四电容器组成，第一开关管阳极连接第二开关管阳极、第三开关管阳极、第二电感一端、以及第三电感一端，并作为励磁输入正极端，第一开关管阴极连接第一相绕组一端，第二开关管阴极连接第二相绕组一端，第三开关管阴极连接第三相绕组一端，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、第四开关管阳极、第一二极管阳极、以及第一电感一端，第一二极管阴极连接第二二极管阴极、第一电容器一端、以及第六开关管阳极，并作为变流器输出正极端，第二二极管阳极连接第五开关管阳极和第一电感另一端，第四开关管阴极连接第五开关管阴极、第一电容器另一端、第九开关管阳极、以及第十开关管阳极，并作为变流器输出负极端和励磁输入负极端，第六开关管阴极连接第七开关管阳极和第二电容器一端，第七开关管阴极连接第八开关管阳极、第三二极管阴极、以及第四电容器一端，第八开关管阴极连接第九开关管阴极、第二电容器另一端、以及第二电感另一端，第三二极管阳极连接第四二极管阴极和第三电容器一端，第四二极管阳极连接第五二极管阴极和第四电容器另一端，第五二极管阳极连接第十开关管阴极、第三电容器另一端、以及第三电感另一端。

一种开关磁阻发电机直升压变励磁无隔离变流器的调控方法，根据开关磁阻发电机转子位置信息，当第一相绕组需投入工作时，首先进入励磁阶段，需同时闭合开通第一开关管和第四开关管，给第一相绕组励磁，同时，第一电感的储能续流向变流器输出端输出电能，根据转子位置信息励磁阶段需结束时，关断第四开关管并闭合开通第五开关管，进入发电阶段，此时励磁输入端与第一相绕组串联一起经由第一二极管向变流器输出端输出电能，同时也经由第五开关管向第一电感充电，根据转子位置信息发电阶段需结束时，同时关断第一开关管和第五开关管；根据转子位置信息当第二相绕组需投入工作时，同时闭合开通第二开关管和第四开关管进入励磁阶段，给第二相绕组励磁，同时第一电感的储能续流向变流器输出端输出电能，根据转子位置信息励磁阶段需结束时，关断第四开关管并闭合开通第五开关管，进入发电阶段，励磁输入端与第二相绕组串联一起经由第一二极管向变流器输出端输出电能，同时也经由第五开关管向第一电感充电，根据转子位置信息发电阶段需结束时，同时关断第二开关管和第五开关管；根据转子位置信息当第三相绕组需投入工作时，同时闭合开通第三开关管和第四开关管进入励磁阶段，给第三相绕组励磁，同时第一电感的储能续流向变流器输出端输出电能，根据转子位置信息励磁阶段需结束时，关断第四开关管并闭合开通第五开关管，进入发电阶段，励磁输入端与第三相绕组串联一起经由第一二极管向变流器输出端输出电能，同时也经由第五开关管向第一电感充电，根据转子位置信息发电阶段需结束时，同时关断第三开关管和第五开关管。

在以上各相绕组工作中，必须不断将励磁电能输入给各相绕组励磁和发电工作，励磁电能来自变流器输出端，反馈并经第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管的开关变换后获得，其调控方法为，所有开关管均为PWM高频开关工作，工作频率相同，其中第六开关管和第八开关管同时开关，第七开关管和第十开关管互补开关，第八开关管和第九开关管互补开关，第七开关管又与第八开关管互差180度交错开通，第七开关管和第八开关管的占空比均小于0.5，并相等，基于如上的调控方法下，存在四种开关组合逻辑状态模式，由于第二电感和第三电感分属不同回路，每种状态模式下都存在向励磁输入端续流供电的状态，具体的四种状态模式分别为：

模式一，第六开关管、第八开关管、以及第十开关管为开通状态，此时第二电感虽然被充电但第三电感放电输出给励磁；

模式二，相对模式一的变化为第六开关管和第八开关管断开，第九开关管开通，此时第二电感和第三电感均放电输出；

模式三，相对模式二，第十开关管关断，第七开关管开通，此时第二电感放电输出，第三电感被充电；

模式四，相对模式三，第七开关管关断，第十开关管开通，此时则第二电感与第三电感均放电输出。

本发明的技术效果主要有：

本发明每相绕组的励磁和发电过程中，没有隔离环节，但输出电压高于输入的励磁电压，属于直升压特性，效率高；并且，除了在发电阶段当然有电流输出，在励磁阶段由于第一电感的设计，也能保证续流输出，从而整个过程中都有电流输出，极大的提升了输出电能质量。

励磁部分相当于一个连续输出电流的电流源，极大的提升了励磁电能质量，因为励磁本质上是供应电流，尤其连续的可控的电流，本发明完全能达到；另外，励磁过程中除了可变励磁，也没有隔离环节，并且与相绕组工作回路共地，从而提高了整体的发电效率，减少了损耗。

附图说明

图1所示为本发明一种开关磁阻发电机直升压变励磁无隔离变流器的电路结构图。

具体实施方式

本实施例的一种开关磁阻发电机直升压变励磁无隔离变流器电路结构如附图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、第七开关管V7、第八开关管V8、第九开关管V9、第十开关管V10、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、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、以及第四电容器C4组成，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、第二电感L2一端、以及第三电感L3一端，并作为励磁输入正极端，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、第四开关管V4阳极、第一二极管D1阳极、以及第一电感L1一端，第一二极管D1阴极连接第二二极管D2阴极、第一电容器C1一端、以及第六开关管V6阳极，并作为变流器输出正极端，第二二极管D2阳极连接第五开关管V5阳极和第一电感L1另一端，第四开关管V4阴极连接第五开关管V5阴极、第一电容器C1另一端、第九开关管V9阳极、以及第十开关管V10阳极，并作为变流器输出负极端和励磁输入负极端，第六开关管V6阴极连接第七开关管V7阳极和第二电容器C2一端，第七开关管V7阴极连接第八开关管V8阳极、第三二极管D3阴极、以及第四电容器C4一端，第八开关管V8阴极连接第九开关管V9阴极、第二电容器C2另一端、以及第二电感L2另一端，第三二极管D3阳极连接第四二极管D4阴极和第三电容器C3一端，第四二极管D4阳极连接第五二极管D5阴极和第四电容器C4另一端，第五二极管D5阳极连接第十开关管V10阴极、第三电容器C3另一端、以及第三电感L3另一端。

所有开关管为三端全控型电力电子开关器件，其中至少第四开关管V4为标配带有反并联二极管的电力电子开关器件如IGBT或电力MOSFET等；本实施例的开关磁阻发电机重叠系数为零。

本实施例的一种开关磁阻发电机直升压变励磁无隔离变流器的调控方法，根据开关磁阻发电机转子位置信息，当第一相绕组M需投入工作时，首先进入励磁阶段，需同时闭合开通第一开关管V1和第四开关管V4，给第一相绕组M励磁，回路为V1-M-V4，同时，第一电感L1的储能续流向变流器输出端输出电能，回路为V4-L1-D2，根据转子位置信息励磁阶段需结束时，关断第四开关管V4并闭合开通第五开关管V5，进入发电阶段，此时将出现励磁输入端与第一相绕组M串联一起经由第一二极管D1向变流器输出端输出电能，同时也经由第五开关管V5向第一电感L1充电，可见变流器输出端电压一定大于励磁输入端电压，根据转子位置信息发电阶段需结束时，同时关断第一开关管V1和第五开关管V5，从中还可见，无论励磁阶段还是发电阶段，均连续向变流器输出端输出电能；根据转子位置信息当第二相绕组N需投入工作时，同时闭合开通第二开关管V2和第四开关管V4进入励磁阶段，给第二相绕组N励磁，回路为V2-N-V4，同时第一电感L1的储能续流向变流器输出端输出电能，回路为V4-L1-D2，根据转子位置信息励磁阶段需结束时，关断第四开关管V4并闭合开通第五开关管V5，进入发电阶段，励磁输入端与第二相绕组N串联一起经由第一二极管D1向变流器输出端输出电能，同时也经由第五开关管V5向第一电感L1充电，根据转子位置信息发电阶段需结束时，同时关断第二开关管V2和第五开关管V5，和第一相绕组M工作一样，变流器输出端电压大于励磁输入端电压，励磁阶段和发电阶段均连续向变流器输出端输出电能；根据转子位置信息当第三相绕组P需投入工作时，同时闭合开通第三开关管V3和第四开关管V4进入励磁阶段，给第三相绕组P励磁，回路为V3-P-V4，同时第一电感L1的储能续流向变流器输出端输出电能，回路为V4-L1-D2，根据转子位置信息励磁阶段需结束时，关断第四开关管V4并闭合开通第五开关管V5，进入发电阶段，励磁输入端与第三相绕组P串联一起经由第一二极管D1向变流器输出端输出电能，同时也经由第五开关管V5向第一电感L1充电，根据转子位置信息发电阶段需结束时，同时关断第三开关管V3和第五开关管V5，和其他相绕组工作一样，变流器输出端电压大于励磁输入端电压，励磁阶段和发电阶段均连续向变流器输出端输出电能；从而该工作过程下，变流器输出端平均电压大于励磁输入端电压，并且变流器输出端电流连续。

在以上各相绕组工作中，必须不断将励磁电能输入给各相绕组励磁和发电工作，励磁电能来自变流器输出端，反馈并经第六开关管V6、第七开关管V7、第八开关管V8、第九开关管V9、第十开关管V10的开关变换后获得，其调控方法为，所有开关管均为PWM高频开关工作，工作频率相同，其中第六开关管V6和第八开关管V8同时开关，第七开关管V7和第十开关管V10互补开关，即一个开通时另一个关断，第八开关管V8和第九开关管V9互补开关，第七开关管V7又与第八开关管V8互差180度交错开通，第七开关管V7和第八开关管V8的占空比均小于0.5，并相等；基于如上的调控方法下，存在四种开关组合逻辑状态，并可通过调节所述各个开关管占空比调节输出端即励磁输入端的电压和电流大小；

在如上所述的四种开关组合逻辑状态中，由于第二电感L2和第三电感L3分属不同回路，每种状态下都存在向励磁输入端续流供电的状态，具体的四种状态模式分别为：

模式一，第六开关管V6、第八开关管V8、以及第十开关管V10为开通状态，此时第二电感L2虽然被充电但第三电感L3放电输出给励磁；

模式二，相对模式一的变化为第六开关管V6和第八开关管V8断开，第九开关管V9开通，此时第二电感L2和第三电感L3均放电输出；

模式三，相对模式二，第十开关管V10关断，第七开关管V7开通，此时第二电感L2放电输出，第三电感L3被充电；

模式四，相对模式三，第七开关管V7关断，第十开关管V10开通，此时则第二电感L2与第三电感L3均放电输出；

从而可见，励磁的调节输出，实际上相当于一个可变的电流源。

Claims (2)

1.一种开关磁阻发电机直升压变励磁无隔离变流器，由第一开关管、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、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、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、第一电感、第二电感、第三电感、第一电容器、第二电容器、第三电容器、以及第四电容器组成，其技术特征是，所述第一开关管阳极连接所述第二开关管阳极、所述第三开关管阳极、所述第二电感一端、以及所述第三电感一端，并作为励磁输入正极端，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、所述第四开关管阳极、所述第一二极管阳极、以及所述第一电感一端，第一二极管阴极连接所述第二二极管阴极、所述第一电容器一端、以及所述第六开关管阳极，并作为变流器输出正极端，第二二极管阳极连接所述第五开关管阳极和第一电感另一端，第四开关管阴极连接第五开关管阴极、第一电容器另一端、所述第九开关管阳极、以及所述第十开关管阳极，并作为变流器输出负极端和励磁输入负极端，第六开关管阴极连接所述第七开关管阳极和所述第二电容器一端，第七开关管阴极连接所述第八开关管阳极、所述第三二极管阴极、以及所述第四电容器一端，第八开关管阴极连接第九开关管阴极、第二电容器另一端、以及第二电感另一端，第三二极管阳极连接所述第四二极管阴极和所述第三电容器一端，第四二极管阳极连接所述第五二极管阴极和第四电容器另一端，第五二极管阳极连接第十开关管阴极、第三电容器另一端、以及第三电感另一端。

2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻发电机直升压变励磁无隔离变流器的调控方法，其技术特征是，根据开关磁阻发电机转子位置信息，当第一相绕组需投入工作时，首先进入励磁阶段，需同时闭合开通第一开关管和第四开关管，给第一相绕组励磁，同时，第一电感的储能续流向变流器输出端输出电能，根据转子位置信息励磁阶段需结束时，关断第四开关管并闭合开通第五开关管，进入发电阶段，此时励磁输入端与第一相绕组串联一起经由第一二极管向变流器输出端输出电能，同时也经由第五开关管向第一电感充电，根据转子位置信息发电阶段需结束时，同时关断第一开关管和第五开关管；根据转子位置信息当第二相绕组需投入工作时，同时闭合开通第二开关管和第四开关管进入励磁阶段，给第二相绕组励磁，同时第一电感的储能续流向变流器输出端输出电能，根据转子位置信息励磁阶段需结束时，关断第四开关管并闭合开通第五开关管，进入发电阶段，励磁输入端与第二相绕组串联一起经由第一二极管向变流器输出端输出电能，同时也经由第五开关管向第一电感充电，根据转子位置信息发电阶段需结束时，同时关断第二开关管和第五开关管；根据转子位置信息当第三相绕组需投入工作时，同时闭合开通第三开关管和第四开关管进入励磁阶段，给第三相绕组励磁，同时第一电感的储能续流向变流器输出端输出电能，根据转子位置信息励磁阶段需结束时，关断第四开关管并闭合开通第五开关管，进入发电阶段，励磁输入端与第三相绕组串联一起经由第一二极管向变流器输出端输出电能，同时也经由第五开关管向第一电感充电，根据转子位置信息发电阶段需结束时，同时关断第三开关管和第五开关管；

在以上各相绕组工作中，必须不断将励磁电能输入给各相绕组励磁和发电工作，励磁电能来自变流器输出端，反馈并经第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管的开关变换后获得，其调控方法为，所有开关管均为PWM高频开关工作，工作频率相同，其中第六开关管和第八开关管同时开关，第七开关管和第十开关管互补开关，第八开关管和第九开关管互补开关，第七开关管又与第八开关管互差180度交错开通，第七开关管和第八开关管的占空比均小于0.5，并相等，基于如上的调控方法下，存在四种开关组合逻辑状态模式，由于第二电感和第三电感分属不同回路，每种状态模式下都存在向励磁输入端续流供电的状态，具体的四种状态模式分别为：

模式一，第六开关管、第八开关管、以及第十开关管为开通状态，此时第二电感虽然被充电但第三电感放电输出给励磁；

模式二，相对模式一的变化为第六开关管和第八开关管断开，第九开关管开通，此时第二电感和第三电感均放电输出；

模式三，相对模式二，第十开关管关断，第七开关管开通，此时第二电感放电输出，第三电感被充电；

模式四，相对模式三，第七开关管关断，第十开关管开通，此时则第二电感与第三电感均放电输出。

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