本发明涉及开关磁阻电机领域，具体涉及一种适用于小功率高速运行的自励结构开关磁阻电机功率变换器及其控制方法。
背景技术：
开关磁阻电机结构简单坚固，转子上无绕组、无永磁体，散热压力小，可靠性高，制造成本低廉，当中一相绕组不工作不影响其他相绕组的正常工作，容错性强，具有广阔的应用前景。
开关磁阻电机一般由多个相绕组对称分布于定子凸极上，根据定转子之间凸极和凹槽的相对位置决定具体通电的相绕组，各相绕组根据相对的转子位置信息分时分别工作；作为发电机工作时，每相绕组工作时一般分为励磁和发电两大阶段，在绕组电感最大区域前后通电首先励磁，励磁阶段电机相绕组吸收外来励磁电源的电能储存磁能，后续根据实时转子位置信息结束励磁阶段并换流进入发电阶段，相绕组中储存的磁能转化为电能输出，待进入绕组电感最小区域时电流降至零完成工作，必要时中间再引入续流阶段以提高发电阶段起始电流；作为电动机工作时，每相绕组工作的主体为励磁阶段，在绕组电感最小区域或电感上升开始时通电励磁，待进入绕组电感最大区域前后关断励磁完成工作，必要时在励磁结束后提供续流回路将绕组中的剩余磁能释放。
开关磁阻电机的励磁、续流、发电都要围绕连接其绕组的变换电路的运行控制实现，没有绕组变换电路，开关磁阻电机的运行就无从谈起，所以变换器意义重大。
开关磁阻发电机运行时，现有变换器系统，在励磁阶段，励磁电源很多都实现了自励模式，这样无需他励模式下频繁更换蓄电池或充电的人工工作，不过现有很多自励模式选用增加励磁电路的模式，虽然可变励磁，但增加了结构和控制的复杂度，尤其在部分领域对最大功率输出并非首要要求的场合。
当前开关磁阻电机的功率变换器电路，最典型的为不对称半桥结构的，优点非常明显，在业界获得广泛应用，但该结构的变流主电路所用开关器件过多。
目前出现的相当多的新型功率变换器电路不能适应同时有多于一相绕组同时工作的场合，而考虑到电机的综合效率，实际上绝大多数的现有开关磁阻电机的磁极重叠系数都是大于零的，也就是说，根据转子位置信息标准工作时，经常存在多于一相绕组的同时工作工况，尤其是大于或等于四相绕组的开关磁阻电机，多相绕组同时工作，如一相励磁时另一相发电等，则功率变换器设计中考虑到此点，就非常有现实意义。
在开关磁阻电机系统的某些应用领域，譬如高速航空电机、汽车发电机、野外无电源地区的发电和电力驱动等等场合，需要根据不同需求，在不同时段分别进行发电和电动运行，那么，一套功率变换器同时适应发电和电动不同的工况，则势必降低系统成本、减小体积重量，尤其再加之控制模式接近的话，由于控制器无需复杂化，势必具有广泛的前景。
技术实现要素：
根据以上的背景技术，本发明就提出了一种每相绕组只有一个开关管，模块化可扩展性独立工作的变换支路，可兼顾发电和电动工况运行的高速开关磁阻电机功率变换器及其调控方法。
本发明的技术方案为：
自励高速开关磁阻电机功率变换器系统，由第一功率变换支路、第二功率变换支路、第三功率变换支路、电容器组成，其技术特征是，所述第一功率变换支路、所述第二功率变换支路、所述第三功率变换支路、所述电容器之间均并联连接；
第一功率变换支路由第一相绕组、第一开关管、第一二极管、第二二极管、第一变压器组成，其技术特征是，所述第一相绕组一端和所述第一开关管阳极、所述第一变压器一次侧绕组一端连接，第一相绕组另一端与所述第一二极管阴极、所述第二二极管阴极、第二功率变换支路正极、第三功率变换支路正极、电容器正极连接，并作为第一功率变换支路正极，第一二极管阳极与第一变压器一次侧绕组另一端连接，第二二极管阳极与第一变压器二次侧绕组一端连接，第一变压器二次侧绕组另一端与第一开关管阴极、第二功率变换支路负极、第三功率变换支路负极、电容器负极连接，并作为第一功率变换支路负极端；
第二功率变换支路与第三功率变换支路的内部结构和第一功率变换支路内部结构完全相同，并且它们的第二开关管、第三开关管对应第一开关管，第二相绕组、第三相绕组对应第一相绕组，第二变压器、第三变压器对应第一变压器，第三二极管、第五二极管对应第一二极管，第四二极管、第六二极管对应第二二极管，相对应的器件完全相同；
第一变压器、第二变压器、第三变压器各自的一次侧绕组和二次侧绕组极性相反、匝数之比为1。
本发明的自励高速开关磁阻电机功率变换器系统的控制方法为：本发明功率变换器中所有开关管均为快速全控型电力电子三端器件，初始状态均为断开状态；所有开关管的控制均由专门的控制器根据检测信号输出实现；
当开关磁阻电机作为发电机运行时，根据开关磁阻发电机运行原理，结合转子位置信息，当检测到第一相绕组需通电工作时，首先闭合导通第一开关管，电容器两端电源向第一相绕组供电励磁，此为励磁阶段，根据转子位置信息励磁阶段结束时，断开第一开关管，第一相绕组中储存的磁能经第一二极管流经第一变压器一次侧绕组，并与第一变压器二次侧绕组耦合后经第二二极管输出给电容器充电并输出；其余相绕组所在功率变换支路的工作原理与此相同，不再赘述；
当开关磁阻电机作为电动机运行时，根据开关磁阻电动机运行原理，结合电动机工况下转子位置信息，进行各功率变换支路唯一开关管的开关动作，与发电机工况时的控制模式相同，仅具体开关动作的转子位置点不同，从而作为电动机运行时，由于励磁供电结束后相应相绕组磁能的释放并回馈电源，所以具备能量再生功能。
本发明的技术效果主要有：
(1)本发明的功率变换器电路，每相绕组只需要一个开关管，简化了结构，降低了控制复杂度，减轻了控制器的负担。
(2)模块化的结构，各相绕组所在功率变换支路可独立工作，互不干扰，从而适应了同时有两相绕组所在功率变换支路同时工作的场合，可扩展性强。
(3)本发明尤其针对高速运行的开关磁阻电机，各个变压器高频下工作，势必可减小变压器体积重量，节约成本，尤其长期高速运行的开关磁阻电机系统中。
(4)同时适应了发电机和电动机工况，控制模式相同，对控制器的要求比较低，可靠性高。
附图说明
图1所示为本发明的自励高速开关磁阻电机功率变换器系统结构图。
具体实施方式
如附图1所示本实施例的三相绕组开关磁阻电机功率变换器，由第一功率变换支路1、第二功率变换支路2、第三功率变换支路3、电容器c组成，第一功率变换支路1、第二功率变换支路2、第三功率变换支路3、电容器c之间均并联连接；电容器两端即为与外界负载(发电机运行时)或电源(电动机运行时)连接的两端；
第一功率变换支路1由第一相绕组m、第一开关管v1、第一二极管d1、第二二极管d2、第一变压器t1组成，第一相绕组m一端和第一开关管v1阳极、第一变压器t1一次侧绕组a一端连接，第一相绕组m另一端与第一二极管d1阴极、第二二极管d2阴极、第二功率变换支路2正极、第三功率变换支路3正极、电容器c正极连接，并作为第一功率变换支路1正极，第一二极管d1阳极与第一变压器t1一次侧绕组a另一端连接，第二二极管d2阳极与第一变压器t1二次侧绕组b一端连接，第一变压器t1二次侧绕组b另一端与第一开关管v1阴极、第二功率变换支路2负极、第三功率变换支路3负极、电容器c负极连接，并作为第一功率变换支路1负极端；
第二功率变换支路2与第三功率变换支路3的内部结构和第一功率变换支路1内部结构完全相同，并且它们的第二开关管v2、第三开关管v3对应第一开关管v1，第二相绕组n、第三相绕组p对应第一相绕组m，第二变压器t2、第三变压器t3对应第一变压器t1，第三二极管d3、第五二极管d5对应第一二极管d1，第四二极管d4、第六二极管d6对应第二二极管d2，相对应的器件完全相同；所有开关管均为igbt或gtr或电力mosfet或碳化硅或氮化镓器件；
第一变压器t1、第二变压器t2、第三变压器t3各自的一次侧绕组和二次侧绕组极性相反、匝数之比为1。
本发明的自励高速开关磁阻电机功率变换器系统的控制方法为：功率变换器中所有开关管初始状态均为断开状态；所有开关管的控制均由专门的控制器根据检测信号输出实现；
当开关磁阻电机作为发电机运行时，根据开关磁阻发电机运行原理，结合转子位置信息，当检测到第一相绕组m需通电工作时，首先闭合导通第一开关管v1，电容器c两端电源向第一相绕组m供电励磁，回路为c-m-v1一c，此为励磁阶段，根据转子位置信息励磁阶段结束时，断开第一开关管v1，第一相绕组m中储存的磁能经第一二极管d1流经第一变压器t1一次侧绕组a，并与第一变压器t1二次侧绕组b耦合后经第二二极管d2输出给电容器c充电并输出，回路分别为：m-a-d1-m，b-d2-c-b；其余相绕组所在功率变换支路的工作原理与此相同，不再赘述；由于每一相绕组所在功率变换支路与其他功率变换支路之间互不干扰，所以可以同时工作，具体根据转子位置信息，一般定转子凸极重叠系数大于零，即存在同时两相绕组工作，譬如一相绕组励磁阶段，相邻相绕组发电阶段。
当开关磁阻电机作为电动机运行时，根据开关磁阻电动机运行原理，结合电动机工况下转子位置信息，进行各功率变换支路唯一开关管的开关动作，与发电机工况时的控制模式相同，仅具体开关动作的转子位置点不同，从而作为电动机运行时，由于励磁供电结束后相应相绕组磁能的释放并回馈电源，所以具备能量再生功能。
作为电动机及发电机运行时，额定转速均为30000转/分钟，开关磁阻电机为三相12/8结构，高速运行，更高频率的换相换流工作，从而各个变压器高频工作，可减小体积重量，降低成本。