CN103475292A - 一种实现快速励磁/退磁的开关磁阻发电机*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现快速励磁/退磁的开关磁阻发电机***，包括开关磁阻电机本体、原动机、位置传感器、功率变换器、直流电源和控制器，所述功率变换器为四电平功率变换器。本发明由于采用四电平功率变换器，在励磁阶段，在角度位置控制方式下，相绕组的励磁电流得到增加，使磁场储能得到增加，从而增加整个发电***的输出功率，使其容易达到额定功率；在电流斩波控制方式下，励磁时间将减少，可以实现快速励磁，使发电阶段的时间得到增加，电机的发电量增加，***的输出功率得到增加；在发电阶段，当采用两个电压源时，可以实现快速退磁。

Description

一种实现快速励磁/退磁的开关磁阻发电机***

技术领域

本发明属于开关磁阻发电机的驱动控制以及功率变换器设计的技术领域，特别涉及一种实现快速励磁/退磁的开关磁阻发电机***。

背景技术

开关磁阻电机是由电力电子技术、数字控制技术与传统的磁阻式电机相结合发展起来的一种新型的调速电机，具有结构简单、坚固、成本低、工作可靠、控制灵活、运行效率高、启动转矩低、容错能力强的特点。开关磁阻电机作为发电机运行时，具有良好的调节性能，可以在较宽的速度范围内稳定运行，输出恒定的直流电，适应不同的负载要求；由于开关磁阻电机的结构简单，转子的转动惯量小，启动转矩低，使其可以做成高转速的发电装置，并且具有较高的效率和功率密度，很适合用于风力发电和航空发电***中。开关磁阻发电机具有较强的容错运行能力，在某相发生故障的情况下，仍然可以稳定运行，大大增强了整个发电***的可靠性，特别适合用在一些环境恶劣和具有特殊要求的场合。

开关磁阻发电机***主要由开关磁阻电机本体、原动机、位置传感器、功率变换器、直流电源和控制器组成，其***的结构框图如图1所示。在典型的开关磁阻发电机***中使用的功率变换器是不对称半桥功率变换器，其电路拓扑如图2所示，根据各相上下桥臂的两个主开关器件的开通和关断的情况，如图3所示，每相可以有图3-1、图3-2和图3-3所示的状态1、状态0和状态-1三种不同的运行状态（以A相为例）。其中，状态1为上下桥臂的两个主开关器件同时处于导通时的情况，电机处于励磁阶段，此时相绕组两端的电压为直流电源电压U_c;状态0为上桥臂的主开关器件处于关断状态，下桥臂的主开关器件处于导通状态时的情况，此时相绕组两端的电压为0，电机处于续流状态，相电流通过续流二极管和下桥臂的主开关器件进行续流；状态-1为上下桥臂的主开关器件同时处于关断时的情况，此时绕组两端的电压为-Uc,电机处于发电阶段，相电流通过两个续流二极管和直流电源形成回馈电路。

开关磁阻发电机***采用不对称半桥功率变换器时，励磁阶段相绕组两端的电压值与相电流的大小成正比关系，励磁电压越大，相绕组最后的励磁电流就越大，电机磁场储存的能量就越多，越有利于发电，并且在励磁电压较大的情况下，电机绕组可以实现快速励磁；而在发电阶段，如果转速较低，发电电压大于运动电动势，相电流在发电阶段就不能够继续增加，导致发电机***不能够进行有效发电，所以要使开关磁阻发电机***进行有效发电，必须保证发电电压小于运动电动势。由于在不对称半桥功率变换器中励磁阶段和发电阶段的电压值相同，不能够进行独立调节，不利于开关磁阻发电机的控制和有效发电，从而导致电机在转速较低的时候，***的输出功率较低，达不到电机的额定功率。

发明内容

本发明针对现有不对称半桥功率变换器驱动的开关磁阻发电机***的不足，提供了一种新型的实现快速励磁/退磁的开关磁阻发电机***，用于增加发电机***的输出功率，在相应的控制策略下使其输出功率达到电机的额定功率值，其中功率变换器采用新型的四电平功率变换器。在该***中，励磁电压和发电电压可以取不同的电压值，便于控制调节。在励磁阶段采用两个电压源对电机绕组进行供电，从而实现快速励磁，增加相电流上升斜率，而在发电阶段，根据储能电容的电压值大小而动态地选择是使用一个电压源还是使用两个电压源，在使用两个电压源的时候，可以减少电机退磁时间，实现快速退磁。

为了解决不对称半桥功率变换器驱动的开关磁阻发电机***存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种实现快速励磁/退磁的开关磁阻发电机***，包括开关磁阻电机本体、原动机、位置传感器、功率变换器、直流电源和控制器；

所述的功率变换器为四电平功率变换器，包括直流电源、开关磁阻发电机的各相绕组m，滤波电容C_dc，储能电容C_dc1，功率开关器件Q1以及与各相绕组相串联的功率开关器件Q_mH、Q_mL，功率二极管D1以及与各相绕组组成续流回路的功率二极管D_m2、功率二极管D_m3；滤波电容C_dc并联在直流母线端，并与储能电容C_dc1串联；

所述的四电平功率变换器中的功率开关器件Q_mH、Q_mL直接与开关磁阻发电机的各相绕组相连接；功率开关器件Q_mH为上桥臂的功率开关器件，功率开关器件Q_mL为下桥臂的功率开关器件，开关磁阻发电机各绕组的上端分别接相对应的上桥臂的功率开关器件Q_mH的发射极，开关磁阻发电机各绕组的下端分别接相对应的下桥臂的功率开关器件Q_mL的集电极，上桥臂的功率开关器件Q_mH的集电极与储能电容C_dc1的正极相连接，下桥臂的功率开关器件Q_mL的发射极接直流电源的地；功率二极管D1、D_m2和D_m3为开关磁阻发电机各绕组的续流二极管，每相绕组分别用两个功率二极管进行续流，功率二极管D_m2的阳极与电源地相连接，其阴极接到电机绕组的上端和该绕组连接的上桥臂的功率开关器件Q_mH的发射极；功率二极管D_m3的阳极与电机绕组的下端和与该绕组连接的下桥臂的功率开关器件Q_mL的集电极相连接，其阴极与功率开关器件Q1的集电极和共用的功率二极管D1的阳极相连接；共用功率二极管D1的阴极与储能电容C_dc1的正极相连接；功率开关器件Q1的发射极与电源的正极和储能电容C_dc1的负极相连接，其集电极与功率二极管D_m3的阴极和共用的功率二极管D1的阳极相连接。

功率开关器件Q1决定了开关磁阻发电机绕组两端是使用一个电压源供电还是使用两个电压源供电，其中，相绕组在励磁阶段由两个电压源供电，相电流上升速度加快，电流曲线斜率增加，当采用角度位置控制方式时，磁场在励磁阶段的储能将增加，进入发电阶段的初始电流将得到增加，并且发电电压可以动态地选择，所以容易得到理想的电流波形，***的输出功率得到增加；当采用电流斩波控制方式时，励磁时间将减少，可以实现快速励磁，延长发电阶段的时间，并且发电阶段的电压也可以动态选择，所以整个***的发电量和输出功率将得到增加；在发电阶段，当采用两个电压源的时候，退磁所用时间将减少，可以实现快速退磁。

在四电平功率变换器中可采用电流传感器对电机各相绕组和直流母线端的瞬时电流进行检测，可采用电压传感器对直流母线端和储能电容的电压进行检测，实现电压保护；控制器读取位置传感器的脉冲信号确定电机转子的位置信息，并以电机各相绕组的瞬时电流和储能电容的电压为依据对电机进行控制，实现电流斩波控制，角度控制，PWM控制以及电流电压保护等相关的控制策略。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种实现快速励磁/退磁的开关磁阻发电机***，与现有技术相比较，具有这样的有益效果：

在本发明中，由于开关磁阻发电机***采用四电平功率变换器，其工作状态有状态2、状态0、状态-1和状态-2四种工作模式（以A相为例），因而控制策略更加丰富，在励磁阶段一直采用状态2对电机绕组进行励磁，相电流上升速度加快，电流曲线斜率增加；当采用角度位置控制方式时，磁场储能增加，进入发电阶段的初始电流将得到增加；当采用电流斩波控制方式时，励磁时间将减少，实现快速励磁，延长发电阶段的时间；在发电阶段，根据储能电容的电压值是否在正常范围内而动态的选择是使用状态-1还是状态-2，当使用状态-1时，发电电压较小，可以使开关磁阻发电机***相对容易地实现有效发电，得到理想的电流波形；当使用状态-2时，可以使绕组电流快速地降到零，从而实现快速退磁。

本发明由于采用四电平功率变换器，在角度位置控制方式下，绕组的励磁电流得到了增加，磁场储能也得到了增加，从而可以增加整个发电***的输出功率，使其容易达到额定功率；在电流斩波控制方式下，励磁时间减少，发电阶段的时间得到了增加，电机的发电量增加，***的输出功率得到增加。

附图说明

图1是开关磁阻发电机***的结构框图；

图2是不对称半桥功率变换器的电路拓扑结构；

图3是不对称半桥功率变换器的三种工作状态，其中，图3-1为状态1，图3-2为状态0，图3-3为状态-1；

图4是本发明采用的四电平功率变换器；

图5是本发明采用的四电平功率变换器的四种工作状态，其中：图5-1为状态2，图5-2为状态0，图5-3为状态-1，图5-4为状态-2；

图6是在采用电流斩波控制方式时，本发明一种实现快速励磁/退磁的开关磁阻发电机***的控制框图；

图7是在采用角度位置控制方式时，本发明一种实现快速励磁/退磁的开关磁阻发电机***的控制框图；

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的适用范围。

本发明提出的一种实现快速励/退磁的开关磁阻发电机***，如图1所示，包括开关磁阻电机本体、原动机、位置传感器、功率变换器、直流电源和控制器；所述的开关磁阻发电机为整个发动机***的机电能量转换核心，将机械能转化为电能，其运行遵循磁阻最小原理；所述的功率变换器是***的能量输入输出通道，所述的功率变换器为四电平功率变换器；所述的位置编码器用于提供电机转子的位置信息，所述的控制器是整个***的控制中枢，综合处理电流传感器、电压传感器和位置编码器的反馈信息，控制功率变换器中的主开关器件工作状态，实现对开关磁阻发电机运行状态的控制，所述的控制器需要借助位置编码器提供的转子位置信息，适时地导通和关断相应的电机绕组。

本发明中，所述电机为开关磁阻电机；在所述的四电平功率变换器中采用电流传感器对电机各相绕组和直流母线端的瞬时电流进行检测，采用电压传感器对直流母线端和储能电容的电压进行检测，实现电压保护；控制器读取位置传感器的脉冲信号确定电机转子的位置信息，并以电机各相绕组的瞬时电流和储能电容的电压为依据对电机进行控制，实现电流斩波控制，角度控制，PWM控制以及电流电压保护等相关的控制策略。

所述的四电平功率变换器如图4所示，包括：直流电源、开关磁阻发电机的各相绕组m，滤波电容C_dc，储能电容C_dc1，功率开关器件Q1以及与各相绕组相串联的功率开关器件Q_mH、Q_mL，功率二极管D1以及与各相绕组组成续流回路的功率二极管D_m2、D_m3；滤波电容C_dc并联在直流母线端，并与储能电容C_dc1串联。

如图4所示，所述的四电平功率变换器中的功率开关器件Q_mH、Q_mL直接与开关磁阻发电机的各相绕组相连接；功率开关器件Q_mH为上桥臂的开关器件，功率开关器件Q_mL为下桥臂的开关器件，开关磁阻发电机各绕组的上端分别接相对应的上桥臂的功率开关器件Q_mH的发射极，开关磁阻发电机各绕组的下端分别接相对应的下桥臂的功率开关器件Q_mL的集电极，上桥臂的功率开关器件Q_mH的集电极与储能电容C_dc1的正极相连接，下桥臂的功率开关器件Q_mL的发射极接直流电源的地。

如图4所示，所述的四电平功率变换器中的功率二极管D1、D_m2和D_m3为开关磁阻发电机各绕组的续流二极管；每相绕组分别用两个功率二极管进行续流，功率二极管D_m2的阳极与电源地相连接，其阴极接到电机绕组的上端和该绕组连接的上桥臂的功率开关器件Q_mH的发射极；功率二极管D_m3的阳极与电机绕组的下端和与该绕组连接的下桥臂的功率开关器件Q_mL的集电极相连接，其阴极与功率开关器件Q1的集电极和共用的功率二极管D1的阳极相连接；共用的功率二极管D1的阴极与储能电容C_dc1的正极相连接。

如图4所示，功率开关器件Q1决定了开关磁阻发电机绕组两端是使用一个电压源供电还是使用两个电压源供电，其发射极与电源的正极和储能电容C_dc1的负极相连接，集电极与功率二极管D_m3的阴极和共用的功率二极管D1的阳极相连接。

在四电平功率变换器中，相绕组在励磁阶段由两个电压源供电，相电流上升速度加快，电流曲线斜率增加，当采用角度位置控制方式时，磁场在励磁阶段的储能将增加，进入发电阶段的初始电流将得到增加，并且发电电压可以动态地选择，所以容易得到理想的电流波形，***的输出功率得到增加；当采用电流斩波控制方式时，励磁时间将减少，可以实现快速励磁，延长发电阶段的时间，并且发电阶段的电压也可以动态选择，所以整个***的发电量和输出功率将得到增加；在发电阶段，当采用两个电压源的时候，退磁所用时间将减少，可以实现快速退磁。

由于现有技术中开关磁阻发电机***中常用的功率变换器为不对称半桥功率变换器，励磁阶段相绕组两端的电压值与相电流的大小成正比关系，励磁电压越大，相绕组最后的励磁电流就越大，电机磁场储存的能量就越多，越有利于发电，并且励磁电压较大的情况下，电机绕组可以实现快速励磁；而在发电阶段，如果转速较低，发电电压大于运动电动势，相电流在发电阶段就不能够继续增加，发电机***不能够进行有效发电，所以要使开关磁阻发电机***进行有效发电，必须保证发电电压小于运动电动势。由于在不对称半桥功率变换器中励磁阶段和发电阶段的电压值相同，不能进行独立调节，不利于开关磁阻发电机的控制和有效发电，从而导致电机在转速较低的时候，***的输出功率较低，达不到电机的额定功率。针对现有不对称半桥功率变换器驱动的开关磁阻发电机***的不足，本发明提出的一种实现快速励磁/退磁的开关磁阻发电机***，用于增加发电机***的输出功率，在相应的控制策略下使其输出功率达到电机的额定功率值，其中功率变换器采用新型的四电平功率变换器，其电路拓扑如图4所示。在***中，励磁电压和发电电压可以取不同的电压值，便于控制调节。在励磁阶段采用两个电压源对电机绕组进行供电，从而实现快速励磁，增加相电流上升斜率，而在发电阶段，根据储能电容的电压值的大小而动态的选择是使用一个电压源还是两个电压源，当使用两个电压源的时候，可以减少电机退磁时间，实现快速退磁

本发明中采用的四电平功率变换器与不对称半桥功率变换器相比，多了一个功率开关器件Q1，一个续流二极管D1和一个储存电能的储能电容C_dc1。该功率变换器有四种工作状态，如图5所示，其中：图5-1所示为状态2、图5-2所示为状态0、图5-3所示为状态-1、图5-4所示为状态-2。现以A相为例对其进行分析，并详细说明如下：

如图5-1所示，状态2为功率开关器件Q1关断，功率开关器件Q_AH、Q_AL同时导通时候的情况，此时绕组两端的电压为V_dc+V_dc1，即两个电压源同时供电，此状态为不对称半桥功率变换器所没有的工作状态。在励磁阶段采用状态2时。可以实现快速励磁，缩短建立所需电流的时间，比采用不对称半桥功率变换器的状态1，可产生更大的相电流。

如图5-2所示，状态0为功率开关器件Q_AH、Q_AL中的任意一个处于导通状态，另一个处于关断状态，并且功率开关器件Q1处于关断时候的情况，此时相电流通过续流二极管进行续流，相绕组处于续流状态，绕组两端的电压为零。

如图5-3所示，状态-1为功率开关器件Q1导通，功率开关器件Q_AH、Q_AL都处于关断时候的情况，此状态为传统的发电阶段，此时绕组两端的电压为负的电源电压-V_dc，相电流通过续流二极管和直流电源构成回馈电路。

如图5-4所示，状态-2为功率开关器件Q1、Q_AH、Q_AL都处于关断状态时候的情况，此时绕组两端的电压为-V_dc-V_dc1,此状态也为发电阶段。此时开关磁阻发电机对储能电容C_dc1进行充电，使电容电压不断增加，直到达到控制所需要的期望值为止。在发电阶段，采用状态-2，比采用不对称半桥功率变换器的状态-1，能更迅速地使相电流衰减到0，实现快速退磁。

通过分析可知，状态-2和状态-1不能够同时出现，状态2可以和其余的各种状态同时出现。

本发明中在开关磁阻发电机***中采用四电平功率变换器，实现快速励/退磁，增加***的输出功率，其工作过程为：首先根据控制目的对储能电容C_dc1的电压值设定一个期望值，由于储能电容C_dc1处于不断的充放电过程，其电压值应该是在期望值的上下波动，即存在一个上限值和下限值。在励磁阶段，***一直采用状态2对相绕组进行励磁，实现快速励磁；在发电阶段，则根据储能电容C_dc1电压的大小选择所需要的运行状态，当储能电容C_dc1的电压值小于期望值的下限时，使用状态-2，对储能电容C_dc1进行充电，使储能电容C_dc1电压恢复到正常范围，并实现快速退磁；当储能电容C_dc1的电压值大于期望值的上限时，使用状态-1，由于在励磁阶段储能电容C_dc1要对相绕组进行励磁，有放电过程，所以电容电压将不断下降，进而恢复到正常范围。当储能电容C_dc1的电压值处于上限值和下限值之间时，保持其原有的工作状态不变。

图6所示是在采用电流斩波控制方式时，本发明一种实现快速励磁/退磁的开关磁阻发电机***的控制框图。在本实施例中，设定储能电容C_dc1电压的期望值和初始值为100V，当其电压值在90V到110V之间变化时，视其为正常工作范围。在励磁阶段，利用状态2对相绕组进行励磁，可以实现快速励磁，使相电流在短时间内达到所限定的电流值，缩短绕组的励磁时间。当利用状态2对绕组进行励磁时，储能电容C_dc1将放电，电压将逐渐下降；在发电阶段，根据储能电容C_dc1的电压大小动态地选择状态-1或者状态-2进行控制，当储能电容C_dc1的电压值低于90V的时候，选用状态-2和状态0对电流进行斩波控制，储能电容C_dc1进行充电，其电压将逐渐升高，直至110V；当储能电容C_dc1的电压高于110V的时候，选用状态-1和状态0对电流进行斩波控制，此时储能电容C_dc1未被充电，并且在励磁阶段要对相绕组励磁，有放电过程，储能电容C_dc1的电压将在此运行过程中逐渐下降，直至90V。如此循环反复，储能电容C_dc1的电压将在90V到110V之间交替变化，即处于正常工作范围内。当储能电容C_dc1的电压在正常工作范围时，保持原有的工作状态不变。

在运行时，应当防止储能电容C_dc1出现过冲现象，避免储能电容C_dc1的电压过高对电机造成损坏，设定储能电容C_dc1的电压值超过120V时即为过冲。当电容电压过高，即大于120V的时候，在发电阶段应采用状态2和状态-1的硬斩波方式，增加储能电容C_dc1的放电途径，使储能电容C_dc1的电压值快速下降到110V，从而使整个***能够保持正常运行，考虑过冲情况实为一种电压保护策略。

图7所示是采用角度位置控制方式时，本发明一种实现快速励磁/退磁的开关磁阻发电机***的控制框图。在本实施例中，设定储能电容C_dc1电压的期望值和初始值为100V，当其电压值在90V到110V之间变化时，视其为正常工作范围。在励磁阶段，利用状态2对相绕组进行励磁，在导通角相同的情况下，相绕组进入发电阶段的初始电流将得到增加，储能电容C_dc1电压将逐渐下降；在发电阶段，根据储能电容C_dc1的电压大小动态地选择状态-1或者状态-2进行控制，当储能电容C_dc1的电压值低于90V的时候，选用状态-2对电流进行控制，储能电容C_dc1进行充电，其电压将逐渐升高，直至110V；当储能电容C_dc1的电压高于110V的时候，选用状态-1对电流进行斩波控制，此时储能电容C_dc1未被充电，并且在励磁阶段要对相绕组励磁，有放电过程，储能电容C_dc1的电压将在此运行过程中逐渐下降，直至90V。如此循环反复，储能电容C_dc1的电压将在90V到110V之间交替变化，即处于正常工作范围内。当储能电容C_dc1的电压在正常工作范围时，保持原有的工作状态不变。

分析可知相电流拖尾阶段即关断角到电流降为零的阶段，相绕组两端的电压是被动选择的，由根据相邻相的状态而决定的，当选用状态-2的时候，可以使相电流快速地降为零，从而实现快速退磁。

尽管上面结合图和具体的实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，应当指出的是，本技术领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种实现快速励磁/退磁的开关磁阻发电机***，包括开关磁阻电机本体、原动机、位置传感器、功率变换器、直流电源和控制器；其特征在于：

所述的功率变换器为四电平功率变换器，包括直流电源、开关磁阻发电机的各相绕组m，滤波电容C_dc，储能电容C_dc1，功率开关器件Q1以及与各相绕组相串联的功率开关器件Q_mH、功率开关器件Q_mL，功率二极管D1以及与各相绕组组成续流回路的功率二极管D_m2、功率二极管D_m3；滤波电容C_dc并联在直流母线端，并与储能电容C_dc1串联；

所述的四电平功率变换器中的功率开关器件Q_mH和功率开关器件Q_mL直接与开关磁阻发电机的各相绕组相连接；功率开关器件Q_mH为上桥臂的功率开关器件，功率开关器件Q_mL为下桥臂的功率开关器件，开关磁阻发电机各绕组的上端分别接相对应的上桥臂的功率开关器件Q_mH的发射极，开关磁阻发电机各绕组的下端分别接相对应的下桥臂的功率开关器件Q_mL的集电极，上桥臂的功率开关器件Q_mH的集电极与储能电容C_dc1的正极相连接，下桥臂的功率开关器件Q_mL的发射极接直流电源的地；功率二极管D1、D_m2和D_m3为开关磁阻发电机各绕组的续流二极管，每相绕组分别用两个功率二极管进行续流，功率二极管D_m2的阳极与电源地相连接，其阴极接到电机绕组的上端和该绕组连接的上桥臂的功率开关器件Q_mH的发射极；功率二极管D_m3的阳极与电机绕组的下端和与该绕组连接的下桥臂的功率开关器件Q_mL的集电极相连接，其阴极与功率开关器件Q1的集电极和共用的功率二极管D1的阳极相连接；共用功率二极管D1的阴极与储能电容C_dc1的正极相连接；功率开关器件Q1的发射极与电源的正极和储能电容C_dc1的负极相连接，其集电极与功率二极管D_m3的阴极和共用的功率二极管D1的阳极相连接。

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