CN113991938B - 单相开关磁阻发电机级联发电***及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了离网发电技术领域一种单相开关磁阻发电机级联发电***，包括：多台单相开关磁阻发电机，多台单相开关磁阻发电机级联在一起、且错开一定的角度；功率变换器，连接多台单相开关磁阻发电机，内置与单相开关磁阻发电机数量匹配的控制电路，每相控制电路包括一个功率开关管和一个续流二极管，用以控制单相开关磁阻发电机的励磁与发电工作；DSP控制器，连接功率变换器、单相开关磁阻发电机，用以采集相应的电压、电流信号，并输出驱动信号给驱动电路用来控制功率变换器工作，本发明发电控制方式为基于电流斩波的无位置传感器控制，可靠性高，可应用于带蓄电池的离网型发电***。

Description

单相开关磁阻发电机级联发电***及其控制方法

技术领域

本发明涉及离网发电技术领域，特别涉及一种发电机发电***。

背景技术

在风力发电、燃油发电、新能源汽车用增程器等带蓄电池储能结构的离网型发电***中，大多是以单台发电机发电，大功率情况下其发电***的单机容量较大，且通用性不高。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种单相开关磁阻发电机级联发电***，改善带蓄电池的离网型发电***的通用性，减小大功率发电***的单机容量。

本发明的目的是这样实现的：一种单相开关磁阻发电机级联发电***，包括：

多台单相开关磁阻发电机，所述多台单相开关磁阻发电机级联在一起、且错开一定的角度；

功率变换器，连接所述多台单相开关磁阻发电机，内置与单相开关磁阻发电机数量匹配的控制电路，每相控制电路包括一个功率开关管和一个续流二极管，用以控制单相开关磁阻发电机的励磁与发电工作；

DSP控制器，连接所述功率变换器、单相开关磁阻发电机，用以采集相应的电压、电流信号，并输出驱动信号给驱动电路用来控制功率变换器工作。

作为本发明的进一步限定，所述多台单相开关磁阻发电机级联错开角度与电机级联台数关系为=T/m，其中T为电机转子的周期角度，m为级联电机的台数。

作为本发明的进一步限定，每相所述控制电路包含一个功率开关管和一个续流二极管，开关管漏极接续流二极管的阳极以及电机绕组一端，开关管源极接主电路的负极，续流二极管的阴极与其他电机续流二极管阴极并联后作为输出端。

作为本发明的进一步限定，所述DSP控制器控制功率变换器工作的方法具体为：

对电机绕组的输出电流进行判定，若输出电流低于设定的阈值，此时闭合主电路中开关管，在励磁电源作用下，电机绕组电流上升，当电流超过设定阈值时，断开开关管

一种单相开关磁阻发电机级联发电***控制方法，包括以下步骤：

步骤1）检测每台发电机的绕组电流；

步骤2）通过DSP控制器控制功率变换器工作，具体包括：

步骤2-1）依据所需发电电压给定值和实际输出电压值，输出电机绕组电流斩波的上下双阈值，当开关管闭合，电机绕组电流在电源电压励磁下逐渐上升，当电流超过设定上阈值时，此时DSP通过输出驱动信号来控制功率变换器的关断，开关管断开；

步骤2-2）开关管断开后，在非发电区域，电机绕组电流下降，若开关磁阻发电机绕组的电流低于设定的斩波下阈值时，此时DSP通过输出驱动信号来控制功率变换器的开通；而在发电区域，当功率开关管处于关断状态时，发电机会通过反电动势实现电流持续上升，即发电工作状态，当电机离开发电区域，电机电流则会快速下降，当电流低于设定的下阈值时，开关管再闭合，上述控制呈周期性状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1. 选择多台单相开关磁阻发电机同轴级联而成，减小了单机容量；发电机组的总容量可以通过增减级联开关磁阻发电机电机台数来调整，并且级联的电机相数不限于单相，减小了备用电机容量；

2. 每台电机独立工作，其中一台电机发生故障，其他电机正常运行，可靠性高；

3. 每台电机同轴级联时错开角度θ，可以减小发电电压和电流脉动；

4. 功率变换器选用新型结构，每相仅需一个功率开关管和一个续流二极管，发电***成本低；主电路设置模块化结构，增减发电机操作简单；

5. 改善带蓄电池的离网型发电***的通用性，减小大功率发电***的单机容量；发电总容量可以根据实际功率需求，通过增减发电机的数目来调整，灵活多变，且发电电压可以通过调节励磁实现电压闭环控制，无需额外的硬件稳压装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所用单相开关磁阻发电机级联发电***同轴串联结构图。

图2为本发明所用单相开关磁阻发电机级联发电***优化结构图。

图3为本发明所用单相开关磁阻发电机级联发电***功率变换器拓扑。

图4为本发明所用单相开关磁阻发电机级联发电***样机试验平台。

图5为本发明所用单相开关磁阻发电机级联发电***发电电流波形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示的一种单相开关磁阻发电机级联发电***，包括：

多台单相开关磁阻发电机，通过联轴器级联两台发电机的转子错开一定的角度，其中T为电机转子的周期角度，m电机的台数；本实施例采用单相6/6开关磁阻发电机两台级联，则电机转子错开/>，两台单相开关磁阻发电机的转轴与原动机相连，通过原动机进行动力输出模拟发动机给出的动力拖动两台单相开关磁阻发电机工作；

功率变换器，连接在开关磁阻发电机上，用以控制开关磁阻发电机工作，同时还能输出电能给负载或蓄电池，选用新型拓扑结构，如图3所示，每台电机仅需一个功率开关管和一个续流二极管，以一台电机为例，其包含一个功率开关管S1和一个续流二极管D1，开关管S1漏极接续流二极管D1的阳极以及电机绕组一端，电机绕组的另一端接主电路的正极作为输出端子，开关管S1源极接主电路的负极，续流二极管D1的阴极与其他电机续流二极管阴极并联后作为输出端子；主电路选用模块化结构，为了后续可以增加电机级联的台数，拓扑上预留电机接入节点，其中K0、K1、K2为公共节点，并且后续增加级联电机的相数不限定于单相；增加第n个级联电机，将电机绕组一端连接公共连接点K0，另一端与开关管Sn漏极连接，开关管Sn源极接主电路负极公共连接点K1，续流二极管Dn的阴极连接公共连接点K2；

DSP控制器，连接所述功率变换器，通过电压和电流传感器采集相应电压、电流信号，DSP输出驱动信号给驱动电路控制功率变换器工作，所述DSP控制器控制功率变换器工作的方法具体为：

以电机A为例，对电机A绕组的输出电流进行判定，若输出电流低于设定的阈值，此时闭合主电路中开关管S1，在励磁电源作用下，电机绕组电流上升，当电流超过设定阈值时，断开开关管S1；实时检测电机绕组电流，并判断与阈值大小关系，控制开关管的开断；利用开关磁阻发电机相绕组电感下降区产生的反电动势实现电机的有效发电；其他电机的控制方式与电机A相同。

实施例2

如图2所示，其与实施例1的区别仅为将两台发电机集成在一起，两台发电机可去除联轴器，将两种发电机用一根轴加工在一个机壳内。

为了直观体现出多台开关磁阻发电机级联发电及优化开关磁阻发电机级联发电的相关参数，实验采用了多台开关磁阻发电机联轴传动方案，这使得整套***的空间增大。后续为了减小空间的浪费，扩大***的优势，将多台开关磁阻发电机置于同一机壳内。图2给出了单相开关磁阻发电机级联发电机优化结构示意图。

实施例3

一种单相开关磁阻发电机级联发电***控制方法，包括以下步骤：

步骤1）检测每台发电机的绕组电流；

步骤2）通过DSP控制器控制功率变换器工作，具体包括：

步骤2-1）依据所需发电电压给定值和实际输出电压值，输出电机绕组电流斩波的上下双阈值，当开关管闭合，电机绕组电流在电源电压励磁下逐渐上升，当电流超过设定上阈值时，此时DSP通过输出驱动信号来控制功率变换器的关断，开关管断开；

步骤2-2）开关管断开后，在非发电区域，电机绕组电流下降，若开关磁阻发电机绕组的电流低于设定的斩波下阈值时，此时DSP通过输出驱动信号来控制功率变换器的开通；而在发电区域，当功率开关管处于关断状态时，发电机会通过反电动势实现电流持续上升，即发电工作状态，当电机离开发电区域，电机电流则会快速下降，当电流低于设定的下阈值时，开关管再闭合，上述控制呈周期性状态。

如图4所示，为了验证本发明所提控制方法的有效性，搭建了样机试验平台以及控制平台，两台单相开关磁阻发电机同轴串联而成；数字信号处理器选用DSP TMS320F28335，驱动电路以驱动光耦HCPL-3120为驱动芯片。

通过LEM电流传感器检测每台开关磁阻发电机的发电电流，波形如图5所示。图5给出了单相开关磁阻发电机级联发电机不同速度段和不同励磁电压下发电的电流波形，由图5可知，通过错开角度，单相开关磁阻发电机级联发电机在不同速度段和不同的励磁电压下，均能降低发电电流的脉动，有利于蓄电池充电。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种单相开关磁阻发电机级联发电***，其特征在于，包括：

多台单相开关磁阻发电机，所述多台单相开关磁阻发电机级联在一起、且错开一定的角度θ；

功率变换器，连接所述多台单相开关磁阻发电机，内置与单相开关磁阻发电机数量匹配的控制电路，每相控制电路包括一个功率开关管和一个续流二极管，用以控制单相开关磁阻发电机的励磁与发电工作；

DSP控制器，连接所述功率变换器、单相开关磁阻发电机，用以采集相应的电压、电流信号，并输出驱动信号给驱动电路用来控制功率变换器工作，所述DSP控制器控制功率变换器工作的方法具体为：

对电机绕组的输出电流进行判定，若输出电流低于设定的阈值，此时闭合主电路中开关管，在励磁电源作用下，电机绕组电流上升，当电流超过设定阈值时，断开开关管，具体为：

步骤1）检测每台发电机的绕组电流；

步骤2）通过DSP控制器控制功率变换器工作，具体包括：

步骤2-1）依据所需发电电压给定值和实际输出电压值，输出电机绕组电流斩波的上下双阈值，当开关管闭合，电机绕组电流在电源电压励磁下逐渐上升，当电流超过设定上阈值时，此时DSP通过输出驱动信号来控制功率变换器的关断，开关管断开；

步骤2-2）开关管断开后，在非发电区域，电机绕组电流下降，若开关磁阻发电机绕组的电流低于设定的斩波下阈值时，此时DSP通过输出驱动信号来控制功率变换器的开通；而在发电区域，当功率开关管处于关断状态时，发电机会通过反电动势实现电流持续上升，即发电工作状态，当电机离开发电区域，电机电流则会快速下降，当电流低于设定的下阈值时，开关管再闭合，上述控制呈周期性状态。

2.根据权利要求1所述的单相开关磁阻发电机级联发电***，其特征在于，所述多台单相开关磁阻发电机级联错开角度θ与电机级联台数关系为θ=T/m，其中T为电机转子的周期角度，m为级联电机的台数。

3.根据权利要求1所述的单相开关磁阻发电机级联发电***，其特征在于，每相所述控制电路包含一个功率开关管和一个续流二极管，开关管漏极接续流二极管的阳极以及电机绕组一端，开关管源极接主电路的负极，续流二极管的阴极与其他电机续流二极管阴极并联后作为输出端。

4.一种单相开关磁阻发电机级联发电***控制方法，其使用如权利要求1所述的单相开关磁阻发电机级联发电***，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）检测每台发电机的绕组电流；

步骤2）通过DSP控制器控制功率变换器工作，具体包括：

步骤2-1）依据所需发电电压给定值和实际输出电压值，输出电机绕组电流斩波的上下双阈值，当开关管闭合，电机绕组电流在电源电压励磁下逐渐上升，当电流超过设定上阈值时，此时DSP通过输出驱动信号来控制功率变换器的关断，开关管断开；

步骤2-2）开关管断开后，在非发电区域，电机绕组电流下降，若开关磁阻发电机绕组的电流低于设定的斩波下阈值时，此时DSP通过输出驱动信号来控制功率变换器的开通；而在发电区域，当功率开关管处于关断状态时，发电机会通过反电动势实现电流持续上升，即发电工作状态，当电机离开发电区域，电机电流则会快速下降，当电流低于设定的下阈值时，开关管再闭合，上述控制呈周期性状态。