CN118449404A - 一种变励连续开关磁阻发电机功率变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种变励连续开关磁阻发电机功率变换器及其控制方法，功率变换器由主电路和变励磁电路组成，主电路输出电能作为变励磁电路的输入，变励磁电路可变励磁电压输出作为主电路中开关磁阻发电机各相绕组的可变励磁电源，主电路由四个开关管、三相绕组、四个电容器、两个二极管、以及两个电感组成，变励磁电路由两个开关管、两个电容器、两个二极管、以及两个电感组成，每相绕组的励磁阶段和发电阶段均可实现电流的连续输出，变励磁电路输出励磁电压可大于、小于、或等于发电电压值，主电路与变励磁电路共地无隔离；适合于发电系统领域，尤其在诸如风力发电、增程式电动汽车发电机系统等各类新能源领域的高速开关磁阻发电机系统中应用。

Description

一种变励连续开关磁阻发电机功率变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及发电系统领域，具体涉及一种变励磁电压、连续发电输出、以及共地无隔离的新型开关磁阻发电机功率变换器及其控制方法。

背景技术

电能，90％以上是由各种发电机产生的，火力发电、水力发电、核能发电、海上风力发电等主要采用同步发电机，陆地风力发电、柴油发电机组等会采用异步发电机，总之几乎全部发电机都是交流发电机，这和主流交流电网输配电也吻合；历史上直流发电机曾经起到过重要作用，占有重要地位，但目前，带有换向器的传统直流发电机已经很少提及。

直流电网近年来获得较多关注和发展，另外，直流负载数量在持续增加，这就为直流发电机提供了发展应用的可能性，但传统机械换相的直流发电机由于固有的结构复杂、维护不方便等缺点，也很难重拾市场，而开关磁阻发电机正好克服了带换向器的传统直流发电机缺点，结构简单坚固，散热方便适合高速运行，其功率变换器直接输出直流电。

目前，开关磁阻发电机系统的应用还比较少，其功率变换器的技术发展尤为关键，一般来说，开关磁阻发电机可采用开关角控制和励磁阶段的相电流斩波控制两类方式，早期起到了重要作用，但面对与其他发电机系统的竞争中，必须有更灵活和高效率的功率变换器配备，可变励磁电压的新型功率变换器成为一个发展方向，一般采用增加一励磁电路作为励磁电源的结构方式，但也带来较多问题，包括励磁电路与主电路之间因为不共地或其他原因需要增加变压器隔离环节，增加了体积重量和损耗，降低了效率，与发电机高效率发电输出的发展方向不吻合，还有，较多开关管的使用也加大了开关损耗，如果励磁电压可调范围较小，也阻碍了系统控制性能的进一步提升。

开关磁阻发电机的各相绕组是根据实时的转子位置信息分时投入工作的，并且每相绕组工作中又分为励磁阶段和发电阶段，也分时进行，传统功率变换器结构和运行方式下，励磁阶段为相绕组由励磁电源供电励磁的阶段，不输出电能，而发电阶段才是相绕组发电输出的阶段，这样，输出端电流断续，直接输出的电能质量极低，加重了后续滤波和电能质量提升装置的压力。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种相绕组励磁和发电两阶段电流连续输出，变励磁电路宽范围变励磁电压输出控制，主电路与变励磁电路共地无隔离的新型开关磁阻发电机功率变换器及其控制方法，适合于发电系统领域，尤其在诸如风力发电、增程式电动汽车发电机系统等各类新能源领域的高速开关磁阻发电机系统中应用。

本发明的技术方案为：

一种变励连续开关磁阻发电机功率变换器，由主电路和变励磁电路组成，主电路输出两端输出电能，同时连接变励磁电路输入两端，变励磁电路输出两端连接主电路输入两端；

主电路包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、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、第一二极管、第二二极管、第一电感、以及第二电感，第一开关管阳极作为主电路输入正极端，第一开关管阴极连接第二开关管阳极、第三开关管阳极、第四开关管阳极、以及第一电容器一端，第二开关管阴极连接第一相绕组一端，第三开关管阴极连接第二相绕组一端，第四开关管阴极连接第三相绕组一端，第一电容器另一端连接第三电容器一端、第一二极管阴极、以及第一电感一端，第三电容器另一端连接第二二极管阴极和第二电感一端，第二二极管阳极连接第二电容器一端和第一电感另一端，第二电感另一端连接第四电容器一端，并作为主电路输出正极端，第四电容器另一端连接第一相绕组另一端、第二相绕组另一端、第三相绕组另一端、第一二极管阳极、以及第二电容器另一端，并作为主电路输出负极端和输入负极端；

变励磁电路包括：第五开关管、第六开关管、第五电容器、第六电容器、第三二极管、第四二极管、第三电感、以及第四电感，第五开关管阳极连接第五电容器一端，并作为变励磁电路输入正极端与主电路输出正极端连接，第五开关管阴极连接第三二极管阴极和第三电感一端，第三二极管阳极连接第五电容器另一端和第六开关管阴极，第六开关管阳极连接第四二极管阳极和第四电感一端，第四二极管阴极连接第六电容器一端，并作为变励磁电路输出正极端和主电路输入正极端连接，第六电容器另一端连接第三电感另一端和第四电感另一端，并作为变励磁电路输入负极端和输出负极端，也与主电路输入负极端和输出负极端连接。

本发明一种变励连续开关磁阻发电机功率变换器的控制方法，变励磁电路作为励磁电源提供励磁电能前提下，根据转子位置信息，当第一相绕组需投入工作时，首先闭合导通第一开关管和第二开关管，进入励磁阶段，励磁电源经第一开关管和第二开关管向第一相绕组供电励磁，同时，励磁电源与第一电容器串联经由第一开关管向第一电感和第二电容器充电，励磁电源与第一电容器和第三电容器三者串联一起向第二电感和第四电容器充电，并且向主电路输出侧输出电能；根据转子位置信息，当励磁阶段需结束时，断开第一开关管，进入发电阶段，第一相绕组经第二开关管和第一二极管向第一电容器充电，第一电感向第三电容器充电，第二电容器和第二电感串联一起向主电路输出侧输出电能；根据转子位置信息，发电阶段需结束时，断开第二开关管，第一相绕组工作结束；

根据转子位置信息，当第二相绕组需投入工作时，首先闭合导通第一开关管和第三开关管，进入励磁阶段，励磁电源经第一开关管和第三开关管向第二相绕组供电励磁，同时，励磁电源与第一电容器串联经由第一开关管向第一电感和第二电容器充电，励磁电源与第一电容器和第三电容器三者串联一起向第二电感和第四电容器充电，并且向主电路输出侧输出电能；根据转子位置信息，当励磁阶段需结束时，断开第一开关管，进入发电阶段，第二相绕组经第三开关管和第一二极管向第一电容器充电，第一电感向第三电容器充电，第二电容器和第二电感串联一起向主电路输出侧输出电能；根据转子位置信息，发电阶段需结束时，断开第三开关管，第二相绕组工作结束；

根据转子位置信息，当第三相绕组需投入工作时，首先闭合导通第一开关管和第四开关管，进入励磁阶段，励磁电源经第一开关管和第四开关管向第三相绕组供电励磁，同时，励磁电源与第一电容器串联经由第一开关管向第一电感和第二电容器充电，励磁电源与第一电容器和第三电容器三者串联一起向第二电感和第四电容器充电，并且向主电路输出侧输出电能；根据转子位置信息，当励磁阶段需结束时，断开第一开关管，进入发电阶段，第三相绕经第四开关管和第一二极管向第一电容器充电，第一电感向第三电容器充电，第二电容器和第二电感串联一起向主电路输出侧输出电能；根据转子位置信息，发电阶段需结束时，断开第四开关管，第三相绕组工作结束。

变励磁电路的控制方法，第五开关管和第六开关管按PWM模式工作，并且二者开关同步，从而变励磁电路分为两个工作阶段，第一阶段为第五开关管和第六开关管均闭合导通时，变励磁电路输入端电能向第三电感充电，第五电容器放电，第四电感被充电，输出端电能由第六电容器维持；第二阶段为第五开关管和第六开关管断开后，第五电容器被充电，第三电感放电，第四电感向第六电容器充电同时向变励磁电路输出侧输出；

根据如上变励磁电路工作过程，以及电感伏秒平衡和电容器充放电平衡理论，可以得到变励磁电路的输出端励磁电压U_L和输入侧发电电压U_F之间的关系式为：

式(1)中，d为第五开关管和第六开关管的PWM占空比。

本发明的技术效果主要有：

主电路和变励磁电路的各自输入和输出等四个端子短接，即整个功率变换器共地，没有隔离环节，节省了体积重量，减少了损耗提升了系统效率；总开关管用量为n+3个(n为相绕组数)，并且仅有变励磁电路的两个开关管为高频开关，开关管的总体损耗不高，况且第五开关管和第六开关管同频同步开关，也降低了控制复杂度。

每相绕组工作中，不但发电阶段，在励磁阶段也有电能输出，即全域保持连续电流输出，提高了电能输出质量。

变励磁电路输出的励磁电压，相对输入侧发电电压，调节不同占空比，可实现升压强化励磁或降压常规励磁，即可宽范围输出不同励磁电压值满足系统不同需求。

附图说明

图1所示为本发明一种变励连续开关磁阻发电机功率变换器电路结构图。

图2所示为本发明开关磁阻发电机第一相绕组励磁阶段主电路工作过程。

图3所示为本发明开关磁阻发电机第一相绕组发电阶段主电路工作过程。

图4所示为本发明变励磁电路第一工作阶段。

图5所示为本发明变励磁电路第二工作阶段。

图1中，1：主电路；2：变励磁电路。

具体实施方式

一种变励连续开关磁阻发电机功率变换器，由主电路1和变励磁电路2组成，如附图1所示，主电路1输出两端输出电能连接电网或者用电负载，同时连接变励磁电路2输入两端，变励磁电路2输出两端连接主电路1输入两端。

开关磁阻发电机的三相绕组连接于主电路1之内，变励磁电路2作为励磁电源给各相绕组励磁，变励磁电路2输出电压即励磁电压U_L，主电路1输出电压即发电电压U_F，主电路1输入负极端、主电路1输出负极端、变励磁电路2输入负极端、以及变励磁电路2输出负极端四者短接，即主电路1和变励磁电路2共地，并且无隔离环节。

主电路1包括：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、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电感L1、以及第二电感L2，如附图1所示，第一开关管K1阳极作为主电路1输入正极端，第一开关管K1阴极连接第二开关管K2阳极、第三开关管K3阳极、第四开关管K4阳极、以及第一电容器C1一端，第二开关管K2阴极连接第一相绕组M一端，第三开关管K3阴极连接第二相绕组N一端，第四开关管K4阴极连接第三相绕组P一端，第一电容器C1另一端连接第三电容器C3一端、第一二极管D1阴极、以及第一电感L1一端，第三电容器C3另一端连接第二二极管D2阴极和第二电感L2一端，第二二极管D2阳极连接第二电容器C2一端和第一电感L1另一端，第二电感L2另一端连接第四电容器C4一端，并作为主电路1输出正极端，第四电容器C4另一端连接第一相绕组M另一端、第二相绕组N另一端、第三相绕组P另一端、第一二极管D1阳极、以及第二电容器C2另一端，并作为主电路1输出负极端和输入负极端。

主电路1中所有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。

变励磁电路2包括：第五开关管K5、第六开关管K6、第五电容器C5、第六电容器C6、第三二极管D3、第四二极管D4、第三电感L3、以及第四电感L4，如附图1所示，第五开关管K5阳极连接第五电容器C5一端，并作为变励磁电路2输入正极端与主电路1输出正极端连接，第五开关管K5阴极连接第三二极管D3阴极和第三电感L3一端，第三二极管D3阳极连接第五电容器C5另一端和第六开关管K6阴极，第六开关管K6阳极连接第四二极管D4阳极和第四电感L4一端，第四二极管D4阴极连接第六电容器C6一端，并作为变励磁电路2输出正极端和主电路1输入正极端连接，第六电容器C6另一端连接第三电感L3另一端和第四电感L4另一端，并作为变励磁电路2输入负极端和输出负极端，也与主电路1输入负极端和输出负极端连接。

第五开关管K5和第六开关管K6采用高频电力MOSFET开关器件。

根据开关磁阻发电机理论和工作原理，开关磁阻发电机的每相绕组需根据实时的定转子相对位置关系，分时工作，并且每相绕组工作中又分为励磁和发电两大阶段，并分时工作，在励磁阶段，需要供电给相绕组励磁，即需要励磁电源，本实施例的励磁电源即为变励磁电路2，其输入电能来自主电路1的输出端，即为自励模式。

本实施例一种变励连续开关磁阻发电机功率变换器的控制方法，根据转子位置信息，当第一相绕组M需投入工作时，首先闭合导通第一开关管K1和第二开关管K2，进入励磁阶段，如附图2所示，第一二极管D1和第二二极管D2截止，励磁电源经第一开关管K1和第二开关管K2向第一相绕组M供电励磁，同时，励磁电源与第一电容器C1串联经由第一开关管K1向第一电感L1和第二电容器C2充电，励磁电源与第一电容器C1和第三电容器C3三者串联一起向第二电感L2和第四电容器C4充电，并且向主电路1输出侧输出电能，可见在此励磁阶段，依然有电能输出；根据转子位置信息，当励磁阶段需结束时，断开第一开关管K1，进入发电阶段，如附图3所示，第一二极管和第二二极管D2导通，第一相绕组M经第二开关管K2和第一二极管D1向第一电容器C1充电，第一电感L1向第三电容器C3充电，第二电容器C2和第二电感L2串联一起向主电路1输出侧输出电能；根据转子位置信息，发电阶段需结束时，断开第二开关管K2，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需投入工作时，首先闭合导通第一开关管K1和第三开关管K3，进入励磁阶段，第一二极管D1和第二二极管D2截止，励磁电源经第一开关管K1和第三开关管K3向第二相绕组N供电励磁，同时，励磁电源与第一电容器C1串联经由第一开关管K1向第一电感L1和第二电容器C2充电，励磁电源与第一电容器C1和第三电容器C3三者串联一起向第二电感L2和第四电容器C4充电，并且向主电路1输出侧输出电能，可见在此励磁阶段，依然有电能输出；根据转子位置信息，当励磁阶段需结束时，断开第一开关管K1，进入发电阶段，第一二极管和第二二极管D2导通，第二相绕组N经第三开关管K3和第一二极管D1向第一电容器C1充电，第一电感L1向第三电容器C3充电，第二电容器C2和第二电感L2串联一起向主电路1输出侧输出电能；根据转子位置信息，发电阶段需结束时，断开第三开关管K3，第二相绕组N工作结束；

根据转子位置信息，当第三相绕组P需投入工作时，首先闭合导通第一开关管K1和第四开关管K4，进入励磁阶段，第一二极管D1和第二二极管D2截止，励磁电源经第一开关管K1和第四开关管K4向第三相绕组P供电励磁，同时，励磁电源与第一电容器C1串联经由第一开关管K1向第一电感L1和第二电容器C2充电，励磁电源与第一电容器C1和第三电容器C3三者串联一起向第二电感L2和第四电容器C4充电，并且向主电路1输出侧输出电能，可见在此励磁阶段，依然有电能输出；根据转子位置信息，当励磁阶段需结束时，断开第一开关管K1，进入发电阶段，第一二极管和第二二极管D2导通，第三相绕P经第四开关管K4和第一二极管D1向第一电容器C1充电，第一电感L1向第三电容器C3充电，第二电容器C2和第二电感L2串联一起向主电路1输出侧输出电能；根据转子位置信息，发电阶段需结束时，断开第四开关管K4，第三相绕组P工作结束。

可见，每相绕组的励磁和发电两阶段工作中，主电路1输出电能不间断，保持连续，打破了传统结构和模式下励磁阶段无电流输出的问题，提高了输出电能性能。

变励磁电路2的控制方法，第五开关管K5和第六开关管K6按PWM模式工作，并且二者开关同步，因此，变励磁电路2分为两个工作阶段，第一阶段为第五开关管K5和第六开关管K6均闭合导通时，如附图4所示，第三二极管D3和第四二极管D4截止，变励磁电路2输入电能向第三电感L3充电，第五电容器C5放电，第四电感L4被充电，输出端电能由第六电容器C6维持；第二阶段为第五开关管K5和第六开关管K6断开后，如附图5所示，第三二极管D3和第四二极管D4导通，第五电容器C5被充电，第三电感L3放电，第四电感L4向第六电容器C6充电同时向变励磁电路2输出侧输出。

根据如上变励磁电路2工作过程，以及相关电感伏秒平衡和电容器充放电平衡理论，可以得到变励磁电路2的输出端励磁电压U_L和输入侧发电电压U_F之间的关系式为：

式(1)中，d为第五开关管K5和第六开关管K6的PWM占空比；可见，只要调节该占空比，即可改变励磁电压值，为开关磁阻发电机系统控制提供了一个变量，有利于控制系统获得更好的工作性能。

并且，从式(1)可见，不同占空比时，励磁电压可小于发电电压、等于发电电压、乃至大于发电电压，可根据主电路1输出情况以及所需强化励磁的需要，来选择不同的占空比，即励磁电压。

Claims (3)

1.一种变励连续开关磁阻发电机功率变换器，由主电路和变励磁电路组成，其技术特征是，所述主电路输出两端输出电能，同时连接所述变励磁电路输入两端，变励磁电路输出两端连接主电路输入两端；

主电路包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、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、第一二极管、第二二极管、第一电感、以及第二电感，所述第一开关管阳极作为主电路输入正极端，第一开关管阴极连接所述第二开关管阳极、所述第三开关管阳极、所述第四开关管阳极、以及所述第一电容器一端，第二开关管阴极连接所述第一相绕组一端，第三开关管阴极连接所述第二相绕组一端，第四开关管阴极连接所述第三相绕组一端，第一电容器另一端连接所述第三电容器一端、所述第一二极管阴极、以及所述第一电感一端，第三电容器另一端连接所述第二二极管阴极和所述第二电感一端，第二二极管阳极连接所述第二电容器一端和第一电感另一端，第二电感另一端连接所述第四电容器一端，并作为主电路输出正极端，第四电容器另一端连接第一相绕组另一端、第二相绕组另一端、第三相绕组另一端、第一二极管阳极、以及第二电容器另一端，并作为主电路输出负极端和输入负极端；

变励磁电路包括：第五开关管、第六开关管、第五电容器、第六电容器、第三二极管、第四二极管、第三电感、以及第四电感，所述第五开关管阳极连接所述第五电容器一端，并作为变励磁电路输入正极端与主电路输出正极端连接，第五开关管阴极连接所述第三二极管阴极和所述第三电感一端，第三二极管阳极连接第五电容器另一端和所述第六开关管阴极，第六开关管阳极连接所述第四二极管阳极和所述第四电感一端，第四二极管阴极连接所述第六电容器一端，并作为变励磁电路输出正极端和主电路输入正极端连接，第六电容器另一端连接第三电感另一端和第四电感另一端，并作为变励磁电路输入负极端和输出负极端，也与主电路输入负极端和输出负极端连接。

2.根据权利要求1所述的一种变励连续开关磁阻发电机功率变换器的控制方法，变励磁电路作为励磁电源提供励磁电能前提下，主电路的工作控制方法，其技术特征是，根据转子位置信息，当第一相绕组需投入工作时，首先闭合导通第一开关管和第二开关管，进入励磁阶段，励磁电源经第一开关管和第二开关管向第一相绕组供电励磁，同时，励磁电源与第一电容器串联经由第一开关管向第一电感和第二电容器充电，励磁电源与第一电容器和第三电容器三者串联一起向第二电感和第四电容器充电，并且向主电路输出侧输出电能；根据转子位置信息，当励磁阶段需结束时，断开第一开关管，进入发电阶段，第一相绕组经第二开关管和第一二极管向第一电容器充电，第一电感向第三电容器充电，第二电容器和第二电感串联一起向主电路输出侧输出电能；根据转子位置信息，发电阶段需结束时，断开第二开关管，第一相绕组工作结束；

根据转子位置信息，当第二相绕组需投入工作时，首先闭合导通第一开关管和第三开关管，进入励磁阶段，励磁电源经第一开关管和第三开关管向第二相绕组供电励磁，同时，励磁电源与第一电容器串联经由第一开关管向第一电感和第二电容器充电，励磁电源与第一电容器和第三电容器三者串联一起向第二电感和第四电容器充电，并且向主电路输出侧输出电能；根据转子位置信息，当励磁阶段需结束时，断开第一开关管，进入发电阶段，第二相绕组经第三开关管和第一二极管向第一电容器充电，第一电感向第三电容器充电，第二电容器和第二电感串联一起向主电路输出侧输出电能；根据转子位置信息，发电阶段需结束时，断开第三开关管，第二相绕组工作结束；

根据转子位置信息，当第三相绕组需投入工作时，首先闭合导通第一开关管和第四开关管，进入励磁阶段，励磁电源经第一开关管和第四开关管向第三相绕组供电励磁，同时，励磁电源与第一电容器串联经由第一开关管向第一电感和第二电容器充电，励磁电源与第一电容器和第三电容器三者串联一起向第二电感和第四电容器充电，并且向主电路输出侧输出电能；根据转子位置信息，当励磁阶段需结束时，断开第一开关管，进入发电阶段，第三相绕经第四开关管和第一二极管向第一电容器充电，第一电感向第三电容器充电，第二电容器和第二电感串联一起向主电路输出侧输出电能；根据转子位置信息，发电阶段需结束时，断开第四开关管，第三相绕组工作结束。

3.根据权利要求1所述的一种变励连续开关磁阻发电机功率变换器的控制方法，变励磁电路的控制方法，其技术特征是，第五开关管和第六开关管按PWM模式工作，并且二者开关同步，从而变励磁电路分为两个工作阶段，第一阶段为第五开关管和第六开关管均闭合导通时，变励磁电路输入端电能向第三电感充电，第五电容器放电，第四电感被充电，输出端电能由第六电容器维持；第二阶段为第五开关管和第六开关管断开后，第五电容器被充电，第三电感放电，第四电感向第六电容器充电同时向变励磁电路输出侧输出；

根据如上变励磁电路工作过程，以及电感伏秒平衡和电容器充放电平衡理论，可以得到变励磁电路的输出端励磁电压U_L和输入侧发电电压U_F之间的关系式为：

式(1)中，d为第五开关管和第六开关管的PWM占空比。