CN108054965B - 自强化励磁退磁隔离解耦简易开关磁阻发电机功率变换器 - Google Patents
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Abstract
自强化励磁退磁隔离解耦简易开关磁阻发电机功率变换器，由主电路和励磁电路两大部分组成，励磁电路实现励磁电压与发电电压的解耦，励磁电压独立可调，主电路结构简单，可通过主电路自身而无需单独电路就可实现自强化励磁和快速退磁，励磁电路还具备隔离环节，以及高频化工作时减小体积重量的优势，本发明能适应较大功率等级的定速及变速的开关磁阻发电机***领域。
Description
技术领域
本发明涉及开关磁阻电机***领域，具体涉及开关磁阻发电机的功率变换器***及其调控方法。
背景技术
相对直流电机、异步电机、同步电机等主要传统电机，开关磁阻电机结构简单坚固，制造成本低廉，转子上无绕组、无永磁体，可靠性高，具有广阔的应用前景，作为发电机的话更是在宽速度范围内具有高性能表现的能力。
开关磁阻发电机一般由2-5相绕组置于定子上，根据定转子之间凸极的相对位置决定具体需要通电的相绕组，每相绕组工作时一般分为励磁和发电两大阶段，励磁阶段为电机相绕组吸收外来励磁电源的电能储存磁能，后续根据转子相对定子位置结束励磁阶段进入发电阶段，相绕组中储存的磁能转化为电能输出。
从以上可见，开关磁阻发电机要正常工作，要根据转子位置情况不断的调控变换通电相绕组及绕组内部的不同工作阶段的回路，所以离不开外部的变流装置，业界一般称为功率变换器，没有功率变换器就没有开关磁阻发电机的正常运行工作。
开关磁阻发电机成熟的功率变换器主电路为不对称半桥结构，广泛被采用，但其结构相对较为复杂。
开关磁阻发电机根据励磁电源的来源不同，分为他励型和自励型，他励型一般需要单独的蓄电池，加大了日常维护工作量；传统自励型由开关磁阻发电机发出的电能直接作为励磁电源，造成电参量的波动很大，进而造成转矩脉动加大，实用性欠佳；近年来，国内外出现了一些将励磁电源与发电输出解耦的间接自励型功率变换器结构，即励磁电压与发电电压解耦，中间通过斩波电路实现对励磁电压的调节，即使输入的发电电压不变；又由于励磁电压的调节极大的增强了开关磁阻发电机的控制灵活性，受到业界的追捧。
为了增强开关磁阻发电机的电能输出能力，通过增加强化励磁的专门电路是一种特别有效的办法，譬如业界已经证实非常有效的基于Z源网络强化励磁的功率变换器，但是，这些方法都需要增加专门的电路，有些甚至每一相绕组就需要一套，结构变得异常复杂。
根据开关磁阻发电机的运行机理，在每相绕组发电时，希望绕组电流能尽快的降低到零，即快速退磁，避免进入下一阶段正向转矩区而降低发电效率，业界已有的办法是增加单独的开关电路，譬如引入串联的新电容器增加反向电压的方式，这类方式都使得结构及控制变得复杂。
前述提到励磁电源，尤其解耦型励磁电源，大多采用可升压或降压的斩波电路实现，大部分不能适应较大功率等级场合；有一些励磁电源结构采用了磁隔离的环节，增强了适应性，但其工频的工作状态，使得变压器占地面积很大。
前述基于斩波电路的励磁电源，基于斩波电路特点，实际中很难达到输出电压(即：励磁电压)的大范围调节，从而使得开关磁阻发电机不能适应更宽的运行范围。
发明内容
根据以上的背景技术，本发明就提出了一种主电路结构简单、非外加电路强化励磁、非外加电路快速退磁、隔离及高频化励磁电源、励磁电源输出励磁电压可调范围大适应更宽运行范围的开关磁阻发电机功率变换器***及其调控方法。
本发明的技术方案为：自强化励磁退磁隔离解耦简易开关磁阻发电机功率变换器，由主电路、励磁电路组成，其技术特征是，所述主电路输出两端作为所述励磁电路输入两端，励磁电路输出两端作为主电路输入两端；
主电路由三个绕组变换支路即第一绕组变换支路、第二绕组变换支路、第三绕组变换支路，以及输出电容器组成，其技术特征是，所述第一绕组变换支路、所述第二绕组变换支路、所述第三绕组变换支路分别连接开关磁阻发电机的三相绕组，第一绕组变换支路、第二绕组变换支路、第三绕组变换支路的结构均相同，并相互并联连接，他们的输出两端即为主电路的输出两端，并在输出两端之间跨接所述输出电容器，他们的输入两端即为主电路的输入两端；
各个绕组变换支路均由第一二极管、第二二极管、第三二极管、相绕组第一支绕组、相绕组第二支绕组、第一开关管组成，其技术特征是，所述第一二极管和所述第二二极管的阳极连接并作为主电路输入正极端和输出负极端，所述相绕组第一支绕组和所述相绕组第二支绕组的各自一端连接，并与所述第一开关管阳极和所述第三二极管阳极连接，相绕组第一支绕组另一端与第一二极管阴极连接，相绕组第二支绕组另一端与第二二极管阴极连接，第一开关管阴极作为主电路输入负极端，第三二极管阴极作为主电路输出正极端；
励磁电路由第一电容器、第二电容器、第三电容器、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、变压器组成，其技术特征是，所述第一电容器和所述第二电容器串联连接后其上下正负极两端分别作为励磁电路输入正负极端，所述第二开关管阳极连接第一电容器正极即励磁电路输入正极端，第二开关管阴极连接所述变压器一次侧一端和所述第三开关管阳极，第三开关管阴极连接第二电容器负极即励磁电路输入负极端，变压器一次侧另一端连接到第一电容器和第二电容器中间，变压器二次侧一端连接所述第四开关管阳极和所述第六开关管阴极，变压器二次侧另一端连接所述第五开关管阳极和所述第七开关管阴极，第四开关管阴极和第五开关管阴极连接，并与所述第三电容器正极连接作为励磁电路输出正极端，第六开关管阳极和第七开关管阳极连接，并与第三电容器负极连接作为励磁电路输出负极端。
本发明自强化励磁退磁隔离解耦简易开关磁阻发电机功率变换器的调控方法为：
励磁电路工作期间，第二开关管和第三开关管的开关工作，各自占空比均为0.5，并且交替工作，即第二开关管闭合时第三开关管断开，第二开关管断开时第三开关管闭合，二者的交替频率即为变压器T一次侧交流电的频率；第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管组成桥式全控整流电路，通过调节各开关管的PWM占空比，可调节输出直流电压即励磁电压大小；
根据开关磁阻发电机转子位置信号当某相绕组所在的绕组变换支路需要开始工作时，第一开关管闭合首先进入励磁阶段，励磁电路输出的电流分别流经并联的第一二极管和第二二极管给该相绕组的两个支绕组供电励磁，待根据转子位置信号励磁阶段需结束时，断开第一开关管，此时进入发电阶段，并联的两个支绕组经由第三二极管续流发电输出。
本发明的技术效果主要有：
(1)相对最广泛采用的不对称半桥式功率变换器主电路结构，本发明的主电路结构减少了开关管用量，简化了结构和控制复杂度。
(2)本发明的主电路除了结构及控制简化之外，每个绕组变换支路中的相绕组被一分为二并联，从而在励磁阶段通过自身并联结构强化了励磁能力2倍。
(3)每相绕组被一分为二并联的结构，除了达到自强化励磁效果外，同时能达到自强化退磁的效果，在发电阶段结束时电流下降将更快，因为此时每相绕组的每个支绕组承受的反向电压等于发电电压，相对传统结构反向电压提高了2倍，从而更大的反向电压之下会有更快的电流降。
(4)本发明的励磁电路中的变压器，除功能所需外，同时实现磁隔离，所以可适应较大功率等级的***中。
(5)励磁电路中第二开关管与第三开关管的交替工作频率越高，励磁电路及其当中的诸如最重设备变压器等可减轻重量减小体积，节省占地，并且高频下逆变输出电能质量更好。
(6)励磁电路中由第四到第七开关管组成的单相桥式全控整流电路，在励磁电路输入电压不变时，通过对此部分整流电路开关管的调控，可实现较宽范围的励磁电压输出，与发电电压解耦，增强了整个开关磁阻发电机控制的灵活性，根据开关磁阻发电机理论，励磁电压的宽范围灵活可控性带给了开关磁阻发电机更大的发电效率可能。
附图说明
图1所示为本发明的自强化励磁退磁隔离解耦简易开关磁阻发电机功率变换器结构图。
具体实施方式
本实施例的自强化励磁退磁隔离解耦简易开关磁阻发电机功率变换器，如附图1所示，由主电路1、励磁电路2组成，主电路1输出两端作为所述励磁电路2输入两端，励磁电路2输出两端作为主电路1输入两端。
主电路1由三个绕组变换支路即第一绕组变换支路101、第二绕组变换支路102、第三绕组变换支路103，以及输出电容器C1组成，其中第一绕组变换支路101、第二绕组变换支路102、第三绕组变换支路103分别连接开关磁阻发电机的M/N/P三相绕组，第一绕组变换支路101、第二绕组变换支路102、第三绕组变换支路103的结构均相同，并相互并联连接，他们的输出两端即为主电路1的输出两端，并在输出两端之间跨接输出电容器C1，他们的输入两端即为主电路1的输入两端。
各个绕组变换支路均由第一二极管D1/D4/D7、第二二极管D2/D5/D8、第三二极管D3/D6/D9、相绕组第一支绕组M1/N1/P1、相绕组第二支绕组M2/N2/P2、第一开关管V1/V2/V3组成，第一二极管D1/D4/D7和第二二极管D2/D5/D8的阳极连接并作为主电路1输入正极端和输出负极端，相绕组第一支绕组M1/N1/P1和相绕组第二支绕组M2/N2/P2的各自一端连接，并与第一开关管V1/V2/V3阳极和第三二极管D3/D6/D9阳极连接，相绕组第一支绕组M1/N1/P1另一端与第一二极管D1/D4/D7阴极连接，相绕组第二支绕组M2/N2/P2另一端与第二二极管D2/D5/D8阴极连接，第一开关管D1/D4/D7阴极作为主电路1输入负极端，第三二极管D3/D6/D9阴极作为主电路1输出正极端。
励磁电路2由第一电容器C2、第二电容器C3、第三电容器C4、第二开关管V4、第三开关管V5、第四开关管V6、第五开关管V7、第六开关管V8、第七开关管V9、变压器T组成，第一电容器C2和第二电容器C3串联连接后其上下正负极分别作为励磁电路2输入正负极端，第二开关管V4阳极连接第一电容器C2正极即励磁电路2输入正极端，第二开关管V4阴极连接变压器T一次侧一端和第三开关管V5阳极，第三开关管V5阴极连接第二电容器C3负极即励磁电路2输入负极端，变压器T一次侧另一端连接到第一电容器C2和第二电容器C3中间，变压器T二次侧一端连接第四开关管V6阳极和第六开关管V8阴极，变压器T二次侧另一端连接第五开关管V7阳极和第七开关管V9阴极，第四开关管V6阴极和第五开关管V7阴极连接，并与第三电容器C4正极连接作为励磁电路2输出正极端，第六开关管V8阳极和第七开关管V9阳极连接，并与第三电容器C4负极连接作为励磁电路2输出负极端。
关于本实施例的调控方法，开关磁阻发电机在被外力拖动运行后，首先依靠剩磁或者他励起动蓄电池的作用，使得发电电压即功率变换器主电路1输出电压初步建立起来后，励磁电路2开始投入工作，根据对输出参量的要求，调控第四到第七开关管V6/V7/V8/V9组成的整流电路使得输出的励磁电压满足要求。
励磁电路2工作期间，第二开关管V4和第三开关管V5的开关工作，各自占空比均为0.5，并且交替工作，即第二开关管V4闭合时第三开关管V5断开，第二开关管V4断开时第三开关管V5闭合，二者的交替频率即为变压器T一次侧交流电的频率，为了保证逆变效果，第二开关管V4或第五开关管V5如上所述的闭合区间，实际采用SPWM方式；第四开关管V6、第五开关管V7、第六开关管V8、第七开关管V9组成桥式全控整流电路，通过调节各开关管的PWM占空比，可调节输出电压即励磁电压大小。
根据开关磁阻发电机转子位置信号当某相绕组所在的绕组变换支路需要开始工作时，譬如为M相绕组，则第一开关管V1闭合首先进入励磁阶段，励磁电路2输出的电流分别流经并联的第一二极管D1和第二二极管D2给该M相绕组的M1和M2两个支绕组供电励磁，待根据转子位置信号励磁阶段需结束时，断开第一开关管V1，此时进入发电阶段，并联的两个支绕组M1和M2经由第三二极管D3续流发电输出；待到达转子凸极与定子凹槽中心线重合位置时，由于电感极小，加之反向电压(发电电压)等作用下电流快速降低到零结束本相绕组的工作。
所有开关管采用IGBT或电力MOSFET或GTO或GTR等全控型器件；所有电容器采用电解电容器。
Claims (2)
1.自强化励磁退磁隔离解耦开关磁阻发电机功率变换器，由主电路、励磁电路组成，其技术特征是，所述主电路输出两端作为所述励磁电路输入两端，励磁电路输出两端作为主电路输入两端；
主电路由三个绕组变换支路即第一绕组变换支路、第二绕组变换支路、第三绕组变换支路，以及输出电容器组成，所述第一绕组变换支路、所述第二绕组变换支路、所述第三绕组变换支路分别连接开关磁阻发电机的三相绕组，第一绕组变换支路、第二绕组变换支路、第三绕组变换支路的结构均相同，并相互并联连接，他们的输出两端即为主电路的输出两端，并在输出两端之间跨接所述输出电容器，他们的输入两端即为主电路的输入两端；
各个绕组变换支路均由第一二极管、第二二极管、第三二极管、相绕组第一支绕组、相绕组第二支绕组、第一开关管组成，所述第一二极管和所述第二二极管的阳极连接并作为主电路输入正极端和输出负极端，所述相绕组第一支绕组和所述相绕组第二支绕组的各自一端连接，并与所述第一开关管阳极和所述第三二极管阳极连接，相绕组第一支绕组另一端与第一二极管阴极连接，相绕组第二支绕组另一端与第二二极管阴极连接，第一开关管阴极作为主电路输入负极端，第三二极管阴极作为主电路输出正极端；
励磁电路由第一电容器、第二电容器、第三电容器、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、变压器组成，所述第一电容器和所述第二电容器串联连接后其上下正负极两端分别作为励磁电路输入正负极端，所述第二开关管阳极连接第一电容器正极即励磁电路输入正极端，第二开关管阴极连接所述变压器一次侧一端和所述第三开关管阳极，第三开关管阴极连接第二电容器负极即励磁电路输入负极端，变压器一次侧另一端连接到第一电容器和第二电容器中间，变压器二次侧一端连接所述第四开关管阳极和所述第六开关管阴极，变压器二次侧另一端连接所述第五开关管阳极和所述第七开关管阴极，第四开关管阴极和第五开关管阴极连接，并与所述第三电容器正极连接作为励磁电路输出正极端，第六开关管阳极和第七开关管阳极连接，并与第三电容器负极连接作为励磁电路输出负极端。
2.根据权利要求1所述的自强化励磁退磁隔离解耦开关磁阻发电机功率变换器的调控方法，该方法为：励磁电路工作期间，第二开关管和第三开关管的开关工作，各自占空比均为0.5，并且交替工作，即第二开关管闭合时第三开关管断开，第二开关管断开时第三开关管闭合，二者的交替频率即为变压器一次侧交流电的频率；第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管组成桥式全控整流电路，通过调节各开关管的PWM占空比，可调节输出直流电压即励磁电压大小；
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