CN104506098B - 小功率四相开关磁阻发电机功率变换器 - Google Patents
小功率四相开关磁阻发电机功率变换器 Download PDFInfo
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Abstract
小功率四相开关磁阻发电机功率变换器，其主电路由他励型不对称半桥式四相绕组功率变换器主电路和Zeta斩波电路组成；他励型不对称半桥式四相绕组功率变换器主电路与Zeta斩波电路首尾互相并联连接，其中他励型不对称半桥式四相绕组功率变换器主电路的发电输出侧并联Zeta斩波电路的输入侧，Zeta斩波电路的输出侧与他励型不对称半桥式四相绕组功率变换器主电路的励磁输入侧并联；该发明结构简单，可实现双绕组同时工作提高功率密度降低电压电流脉动，励磁电压可调范围宽利于最大功率输出控制，可用于小型风力发电和直流电源领域。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种小功率级别的四相绕组开关磁阻发电机的功率变换器及其控制。
背景技术
开关磁阻发电机(Switched Reluctance Generator，简称：SRG)结构简单，转子上无刷、无绕组、无永久磁体；在一定转速范围内，输出端电压不会随着转速的变化而变化，非常适合于风力发电和用作直流电源；而在运行过程中，开关磁阻发电机可控参数多，如开关角控制、电流斩波控制、PWM控制等，可方便的实现比较复杂的控制策略，灵活的控制输出直流电压和电流。
开关磁阻发电机工作过程中分为励磁和发电两个阶段，并且是分时进行，励磁方式又分为他励和自励方式，他励方式实现励磁和发电各自独立回路，可靠性高，但一般需要专用蓄电池或其他直流电源作为励磁电源，自励方式无需外界提供电源，但输出电压电流脉动较大，给滤波造成较大压力。
鉴于提高励磁电压有利于提高后续续流发电时的绕组电流进而提高输出功率，一改传统的励磁电压不能在线调节的问题，近年来出现了一些可以根据控制***需求在线调整励磁输入电压的新型的功率变换器励磁部分电路结构，如：1、彭寒梅，易灵芝等.基于Buck变换器的开关磁阻发电机新型励磁模式[J].太阳能学报，2012，，33(3).2、段丽华.基于变发电电压功率变换器的海上钻井平台风力发电***硬件结构的研究[J].船电技术，2012，32(2).前者存在励磁电压相对单方向变化，以及输出发电电压电流脉动大的缺点，后者则必须配备专用他励励磁电源，增加了滤波压力和维护成本。
此外，开关磁阻发电机目前仅考虑任何瞬时只有一相绕组通电的情况，而根据开关磁阻电机定转子结构关系，大于等于四相绕组的情况下，完全可以考虑两相绕组同时工作的可能性。
发明内容
根据以上的背景技术，本发明提出了一种满足同时有两相绕组通电的四相绕组开关磁阻发电机用功率变换器主电路及其控制方式，励磁电压可调，结构简单维护简便，增大了功率密度并减小了电压电流脉动。
本发明的技术方案为：
小功率四相开关磁阻发电机功率变换器，其主电路由他励型不对称半桥式四相绕组功率变换器主电路1和Zeta斩波电路2组成，其特征在于，所述他励型不对称半桥式四相绕组功率变换器主电路1与所述Zeta斩波电路2首尾互相并联连接，其中他励型不对称半桥式四相绕组功率变换器主电路1的发电输出侧并联Zeta斩波电路2的输入侧，Zeta斩波电路2的输出侧与他励型不对称半桥式四相绕组功率变换器主电路1的励磁输入侧并联。
所述的他励型不对称半桥式四相绕组功率变换器主电路1由四组不对称半桥式的电路组成，每组连接并控制一相开关磁阻发电机的绕组，分别为A、B、C、D相绕组并在开关磁阻发电机内部定子凸极上按规律均匀对称绕制分布，其中A相绕组与B相和D相绕组相邻，C相绕组与B相和D相绕组相邻，根据开关磁阻电机定转子对应关系和转子当前位置，以及开关磁阻发电机励磁和发电分时规律，按照AB-BC-CD-DA-AB的工作方式循环，同时工作的两相绕组，一相处于励磁阶段，另一相则处于续流发电阶段，待前述处于续流发电阶段的绕组电流在产生电动转矩之前降为零后，下一相处于定转子凸极中心线重合处的绕组进入励磁阶段，而前述励磁阶段的绕组进入续流发电阶段，如此顺序变换工作规律。
本发明的技术效果主要有：
1、因一相绕组励磁时另一相绕组发电的双绕组工作模式，任何时候都有绕组发电输出，从而增大了输出电压和电流的平均值，提高了发电机的输出功率密度和功率总量；而单绕组工作模式下，励磁阶段因为没有电能输出，所以其平均的输出电压电流低，输出功率密度小，功率总量少；
2、如上所述双绕组工作模式下，其输出电压电流的脉动情况也要小的多；
3、实际中，励磁电源来源于自行的发电输出，应属于自励模式，但如上所述，并没有传统自励模式下输出电压电流脉动大的缺点。
4、本发明的Zeta斩波电路2，通过内部唯一电力电子开关管的占空比调节，可以实现其输出电压高于或低于输入电压，调压范围宽，利于实现更好的功率变换器主电路的控制，尤其是最大功率输出控制。
附图说明
图1所示为本发明的小功率四相开关磁阻发电机功率变换器主电路图。
图2所示为本发明的四相8/6极结构开关磁阻发电机定子绕组电感与转子位置角关系图。
图中：1、他励型不对称半桥式四相绕组功率变换器主电路，2、Zeta斩波电路。
具体实施方式
附图1为本发明的小功率四相开关磁阻发电机功率变换器主电路，A、B、C、D四相绕组为中心按照不对称半桥式及传统他励式模式构成他励型不对称半桥式四相绕组功率变换器主电路1，励磁部分单独由Zeta斩波电路2完成。
本实施例选取开关磁阻发电机为四相8/6极结构，即定子8极转子6极的小功率开关磁阻发电机，其定子绕组电感与转子位置角关系如图2所示；在0°原点位置，电感最小为Lmin，此时定子凸极与转子凹槽中心线重合，在30°时定转子凸极中心线重合气隙最小则电感最大为Lmax，到60°时又出现电感最小完成一个周期变化，在0°-30°时电感上升时给绕组通电产生正向转矩做电动机运行，30°-60°区间则可产生反向转矩发电运行，但必需在30°左右时先行通入电流励磁，电流建立起来后再断掉励磁电源，转子在外力作用下才会产生更大的发电电流，断掉励磁电源的角度大约在45°左右的位置。
在初始工作时，首先利用剩磁，发电机起动初期根据转子位置某相绕组发电产生的电源，经Zeta斩波电路2输出作为接下来的励磁电源，进而进一步加大续流发电电流电压值，从而建立起发电和励磁***电源，省去了常规的初始励磁蓄电池和二极管支路。
下面根据图1详解其工作过程：
假设根据转子位置，首先B相绕组所在凸极与转子凸极中心线重合，符合励磁开始的条件，利用初始起动时另一相绕组因剩磁而建立的发电电压经Zeta斩波电路2输出作为励磁电源，此时第三电力电子开关管V3和第四电力电子开关管V4闭合导通励磁；旋转经过15°左右后，关断以上这两只电力电子开关管，则此时B相绕组中储存的磁能将沿着第三电力二极管D3和第四电力二极管D4续流并输出电能，注意此时，根据转子转向，其相邻的A相绕组或C相绕组出现相应其定子凸极与转子凸极中心线重合的位置，假设为C相绕组，此时需同时闭合第五电力电子开关管V5和第六电力电子开关管V6给C相绕组励磁，也就是说，在此后的大约旋转的15°范围内，是B相绕组续流发电和C相绕组励磁这两套绕组同时工作；如上BC绕组同时工作大约15°之后，B相绕组中发电电流必须控制其停止以防止进入耗能的电动状态，此时控制C相绕组励磁的两支电力电子开关管断开而由第五电力二极管D5和第六电力二极管D6续流发电，同时D相绕组所在定子凸极与转子凸极中心线重合具备了励磁条件，所以C相绕组励磁转发电的同时闭合第七电力电子开关管V7和第八电力电子开关管V8给D相绕组励磁，此阶段为CD相绕组同时工作阶段；接下来，类似地，是DA绕组同时工作，A相绕组的励磁由第一电力电子开关管V1和第二电力电子开关管V2承担，发电时流经第一电力二极管D1和第二电力二极管D2；DA相之后是AB相，再然后又回到BC，如此往复的工作。
Zeta斩波电路2完成励磁电压的供应和变换，其工作过程为：
在第九电力电子开关管V9闭合导通时，输入侧电流经第九电力电子开关管V9向第一电抗器L1充电储能，同时，输入侧电流也和第一电容器C1共同经第二电抗器输出供应励磁电流；待第九电力电子开关管V9关断后，第一电抗器L1经第九电力二极管D9向第一电容器C1充电，其储存的能量转移到第一电容器C1上，同时第二电抗器L2的电流经第九电力二极管D9续流；可利用公式得出Zeta斩波电路2的 其中α为第九电力电子开关管V9的PWM控制占空比，可见当α＜0.5时实现降压，α＞0.5时实现升压。
本实施例所述的全部电力电子开关管均为IGBT或者电力MOSFET。
Claims (1)
1.小功率四相开关磁阻发电机功率变换器，其主电路由他励型不对称半桥式四相绕组功率变换器主电路(1)和Zeta斩波电路(2)组成，其特征在于，所述他励型不对称半桥式四相绕组功率变换器主电路(1)与所述Zeta斩波电路(2)首尾互相并联连接，其中他励型不对称半桥式四相绕组功率变换器主电路(1)的发电输出侧并联Zeta斩波电路(2)的输入侧，Zeta斩波电路(2)的输出侧与他励型不对称半桥式四相绕组功率变换器主电路(1)的励磁输入侧并联；
他励型不对称半桥式四相绕组功率变换器主电路(1)由四组不对称半桥式的电路组成，每组连接并控制一相开关磁阻发电机的绕组，分别为A、B、C、D相绕组并在开关磁阻发电机内部定子凸极上按规律均匀对称绕制分布，其中A相绕组与B相和D相绕组相邻，C相绕组与B相和D相绕组相邻，根据开关磁阻电机定转子对应关系和转子当前位置，以及开关磁阻发电机励磁和发电分时规律，按照AB-BC-CD-DA-AB的工作方式循环，同时工作的两相绕组，一相处于励磁阶段，另一相则处于续流发电阶段，待前述处于续流发电阶段的绕组电流在产生电动转矩之前降为零后，下一相处于定转子凸极中心线重合处的绕组进入励磁阶段，而前述励磁阶段的绕组进入续流发电阶段，如此顺序变换工作规律。
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