双端口自励双直流输出的开关磁阻发电机变流系统的制作方法

本发明涉及开关磁阻发电机系统领域，具体涉及一种双端口高低压可调励磁、高低压双输出直流电的开关磁阻发电机变流器及其调控方法。

背景技术：

开关磁阻电机结构简单、成本低，转子上无绕组，散热压力小，作为发电机，具有相当的应用价值。

开关磁阻发电机在很多应用领域，其传统意义上直接发出的直流电，往往电压不能满足要求，尤其是涉及并网的话，需要几级升压才能符合要求；并且，在某些领域，不同负载所需电源不同，尤其需要不同电压的直流电源，也需要经过专门的分流器产生。

作为开关磁阻发电机，励磁方式选用自励模式是发展趋势，这样减少大量人工维护工作量，但当其外来机械动力不稳时，自励电源也会受到影响，进而会影响到其励磁能力，甚至不得不停机。

对于直流负载，它们希望得到的除了满足要求的电压，而且希望是平稳的高质量电源电压，所以一般需要专门的滤波装置，甚至是几级滤波装置。

开关磁阻发电机的励磁，为了提升发电能力以及适应不同输入机械动力下的发电适应能力，励磁电源方面，能强化进行的励磁电源，以及可以宽范围调节的励磁电压，是实现这样功能的重要保障。

技术实现要素：

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种高低压两种直流电压直接发电输出、低输入动力下强自励磁保障、交错高频开关直接提升输出电能质量、高低压两种励磁电压区间可调励磁的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法。

本发明的技术方案为：

双端口自励双直流输出的开关磁阻发电机变流系统，由第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第五电容器、第六电容器、第七电容器、第八电容器、第一开关管、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、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管、第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第一电感、第二电感、第三电感、隔离变流器组成，其技术特征是，所述第一电容器正极连接所述第一相绕组一端、所述第二二极管阴极、所述第二相绕组一端、所述第四二极管阴极、所述第三相绕组一端、所述第六二极管阴极、所述第八电容器正极、所述第十开关管阴极、所述第十一开关管阴极，第一电容器负极连接所述第一开关管阴极、所述第二开关管阴极、所述第三开关管阴极、所述第五电容器负极、所述第八开关管阴极、所述第七开关管阴极、所述第七电容器负极、所述第九开关管阴极、第八电容器负极、所述第三电感一端，第一相绕组另一端连接第一开关管阳极、所述第一二极管阳极、所述第四开关管阳极，第二相绕组另一端连接第二开关管阳极、所述第三二极管阳极、所述第五开关管阳极，第三相绕组另一端连接第三开关管阳极、所述第五二极管阳极、所述第六开关管阳极，第二二极管阳极连接所述第二电容器负极、所述隔离变流器输入负极端，第二电容器正极连接第一二极管阴极、所述第三电容器负极、第四二极管阳极，第三电容器正极连接第三二极管阴极、所述第四电容器负极、第六二极管阳极，第四电容器正极连接第五二极管阴极、隔离变流器输入正极端，第四开关管阴极连接第五开关管阴极、第六开关管阴极、第五电容器正极、所述第一电感一端、所述第二电感一端，第一电感另一端连接第七开关管阳极、所述第七二极管阳极，第二电感另一端连接第八开关管阳极、所述第六电容器一端，第六电容器另一端连接第七二极管阴极、所述第八二极管阳极，第八二极管阴极连接第七电容器正极，隔离变流器输出正极端连接第九开关管阳极、第十开关管阳极，隔离变流器输出负极端连接第三电感另一端、第十一开关管阳极；

第一相绕组由第一相绕组第一支绕组、第一相绕组第二支绕组组成，其技术特征是，所述第一相绕组第一支绕组和第一相绕组第二支绕组并联连接；

第二相绕组由第二相绕组第一支绕组、第二相绕组第二支绕组组成，其技术特征是，所述第二相绕组第一支绕组和所述第二相绕组第二支绕组并联连接；

第三相绕组由第三相绕组第一支绕组、第三相绕组第二支绕组组成，其技术特征是，所述第三相绕组第一支绕组和所述第三相绕组第二支绕组并联连接。

双端口自励双直流输出的开关磁阻发电机变流系统的控制方法为：

当本发明的双端口自励双直流输出的开关磁阻发电机变流系统工作期间，需结合开关磁阻发电机的运行原理，根据实时的转子位置信息，各相绕组先后投入工作，每相绕组工作期间分为励磁阶段和发电阶段，并分时进行；

当第一相绕组需投入工作时，首先闭合第一开关管，第一相绕组进入励磁阶段，根据转子位置信息及第一相绕组电流信息，励磁阶段结束的条件为到达需最迟关断的转子位置，如果没有到达最迟关断的转子位置但第一相绕组电流已达所需的电流值，则励磁阶段结束即关断第一开关管，进入发电阶段，发电阶段期间第四开关管的开关状态条件为：当第一电容器侧励磁电压在正常值范围以内时，第四开关管为闭合导通状态，当第一电容器侧励磁电压低于励磁电压正常值下限即第一下限值时，第四开关管工作于pwm模式，励磁电压越低占空比越小，当励磁电压继续下降至第二下限值及以下时，第四开关管完全断开；

当第二相绕组需投入工作时，首先闭合第二开关管，第二相绕组进入励磁阶段，根据转子位置信息及第二相绕组电流信息，励磁阶段结束的条件为到达需最迟关断的转子位置，如果没有到达最迟关断的转子位置但第二相绕组电流已达所需的电流值，则励磁阶段结束即关断第二开关管，进入发电阶段，发电阶段期间第五开关管的开关状态条件为：当第一电容器侧励磁电压在正常值范围以内时，第五开关管为闭合导通状态，当第一电容器侧励磁电压低于励磁电压正常值下限即第一下限值时，第五开关管工作于pwm模式，励磁电压越低占空比越小，当励磁电压继续下降至第二下限值及以下时，第五开关管完全断开；

当第三相绕组需投入工作时，首先闭合第三开关管，第三相绕组进入励磁阶段，根据转子位置信息及第三相绕组电流信息，励磁阶段结束的条件为到达需最迟关断的转子位置，如果没有到达最迟关断的转子位置但第三相绕组电流已达所需的电流值，则励磁阶段结束即关断第三开关管，进入发电阶段，发电阶段期间第六开关管的开关状态条件为：当第一电容器侧励磁电压在正常值范围以内时，第六开关管为闭合导通状态，当第一电容器侧励磁电压低于励磁电压正常值下限即第一下限值时，第六开关管工作于pwm模式，励磁电压越低占空比越小，当励磁电压继续下降至第二下限值及以下时，第六开关管完全断开；

当第五电容器侧电压在正常值范围内时，第七开关管和第八开关管在高于5khz的频率以上同频率开关工作，并且交错开关；

第九开关管按照pwm模式工作；当第一电容器侧所需励磁电压需达到强励的电压值时，即处于对励磁电压正常值范围内的上半段需求时，第十开关管闭合导通，第十一开关管断开状态，第九开关管的pwm占空比根据对励磁电压的具体需求而调节；当对第一电容器侧励磁电压的需求为其正常值范围内下半段及以下时，第十开关管断开状态，第十一开关管闭合导通，第九开关管的pwm占空比根据对励磁电压的具体需求调节。

本发明的技术效果主要有：

(1)本发明的发电系统输出端，分为了两路，一路是有第二电容器、第三电容器、第四电容器串联后的较低电压输出端，另一路是第七电容器侧的高压输出端，均为直流输出，从而可直接因应不同的直流负载或微型直流电网的多样化需求，进而减少了用户后续的变流环节。

(2)第四开关管、第五开关管、第六开关管在各相绕组发电阶段的作用方面，正常运行期间它们均为常闭状态，从而保证两路输出正常，但是，当本发明的开关磁阻发电机的外部输入机械动力减弱，不足以维持正常的双路输出提供电力时(譬如风力驱动工况下)，将第四开关管、第五开关管、第六开关管按pwm模式工作，直至中断第七电容器侧的电能输出，减少总电能输出以保障开关磁阻发电机的正常励磁和低压端的供电，从而拓宽了开关磁阻发电机最小输入动力工作区间，提高了发电宽度和整体发电效益。

(3)第七开关管和第八开关管的交错开关并且高频工作，从而使得输出第七电容器侧的电压和电流更平稳，电能质量高，减轻了后续滤波负担，这两个开关管可调的开关占空比也能使得输出电压大小可调，提高其适应性。

(4)第十开关管和第十一开关管的分别开关，使得供给第一电容器侧的励磁电压实际分为两路双端口，第十开关管闭合导通(第十一开关管断开)时励磁电压较高，利于强化励磁，第十一开关管闭合导通(第十开关管断开)时励磁电压相对较低，但是，在以上高低压励磁两路区间内，具体励磁电压值又由第九开关管的占空比决定，从而，相对传统的变励磁电压范围较窄的一路式变励磁电压电路系统，本发明的励磁电压不但连续，而且提供范围更宽，提升了开关磁阻发电机的适应性，拓宽了发电区域，提高了发电效益；同时该结构又非常简便，降低了成本。

附图说明

图1所示为本发明的双端口自励双直流输出的开关磁阻发电机变流系统结构图。

具体实施方式

本实施例的双端口自励双直流输出的开关磁阻发电机变流系统，结构图如附图1所示，其由第一电容器c1、第二电容器c2、第三电容器c3、第四电容器c4、第五电容器c5、第六电容器c6、第七电容器c7、第八电容器c8、第一开关管v1、第二开关管v2、第三开关管v3、第四开关管v4、第五开关管v5、第六开关管v6、第七开关管v7、第八开关管v8、第九开关管v9、第十开关管v10、第十一开关管v11、第一相绕组m、第二相绕组n、第三相绕组p、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4、第五二极管d5、第六二极管d6、第七二极管d7、第八二极管d8、第一电感l1、第二电感l2、、第三电感l3、隔离变流器组成，第一电容器c1作为各相绕组励磁电源供给侧，其正极连接第一相绕组m一端、第二二极管d2阴极、第二相绕组n一端、第四二极管d4阴极、第三相绕组p一端、第六二极管d6阴极、第八电容器c8正极、第十开关管v10阴极、第十一开关管v11阴极，第一电容器c1负极连接第一开关管v1阴极、第二开关管v2阴极、第三开关管v3阴极、第五电容器c5负极、第八开关管v8阴极、第七开关管v7阴极、第七电容器c7负极、第九开关管v9阴极、第八电容器c8负极、第三电感l3一端，第一相绕组m另一端连接第一开关管v1阳极、第一二极管d1阳极、第四开关管v4阳极，第二相绕组n另一端连接第二开关管v2阳极、第三二极管d3阳极、第五开关管v5阳极，第三相绕组p另一端连接第三开关管v3阳极、第五二极管d5阳极、第六开关管v6阳极，第二二极管d2阳极连接第二电容器c2负极、隔离变流器输入负极端，第二电容器c2正极连接第一二极管d1阴极、第三电容器c3负极、第四二极管d4阳极，第三电容器c3正极连接第三二极管d3阴极、第四电容器c4负极、第六二极管d6阳极，第四电容器c4正极连接第五二极管d5阴极、隔离变流器输入正极端，第四开关管v4阴极连接第五开关管v5阴极、第六开关管v6阴极、第五电容器c5正极、第一电感l1一端、第二电感l2一端，第一电感l1另一端连接第七开关管v7阳极、第七二极管d7阳极，第二电感l2另一端连接第八开关管v8阳极、第六电容器c6一端，第六电容器c6另一端连接第七二极管d7阴极、第八二极管d8阳极，第八二极管d8阴极连接第七电容器c7正极，第七电容器c7侧作为本实施例高压u2输出侧，隔离变流器输出正极端连接第九开关管v9阳极、第十开关管v10阳极，隔离变流器输出负极端连接第三电感l3另一端、第十一开关管v11阳极，隔离变流器的输出两端除连接以上器件外，其可直接输出作为本实施例的低压u1输出侧，而第八电容器侧的输出的励磁电源就来源于此；

第一相绕组m由第一相绕组第一支绕组m1、第一相绕组第二支绕组m2组成，第一相绕组第一支绕组m1和第一相绕组第二支绕组m2并联连接；

第二相绕组n由第二相绕组第一支绕组n1、第二相绕组第二支绕组n2组成，第二相绕组第一支绕组n1和第二相绕组第二支绕组n2并联连接；

第三相绕组p由第三相绕组第一支绕组p1、第三相绕组第二支绕组p2组成，第三相绕组第一支绕组p1和第三相绕组第二支绕组p2并联连接；这三相绕组分别各自分为两个支路后，励磁效果即励磁电压增强一倍，而往往常规的开关磁阻发电机的每相绕组并非一套，事实上也常分为偶数个绕组套数，即偶数个绕组支路，所以实现起来容易，又能强化励磁性能。

本实施例的双端口自励双直流输出的开关磁阻发电机变流系统的控制方法：

当本实施例的双端口自励双直流输出的开关磁阻发电机变流系统工作期间，需结合开关磁阻发电机的运行原理，根据实时的转子位置信息，各相绕组先后投入工作，分时进行，每相绕组工作期间都各自分为励磁阶段和发电阶段，并分时进行；

当第一相绕组m需投入工作时，首先闭合第一开关管v1，第一相绕组m进入励磁阶段，回路为：c1-m-v1-c1，根据转子位置信息及第一相绕组m电流信息，励磁阶段结束的条件为到达需最迟关断的转子位置，如果没有到达最迟关断的转子位置但第一相绕组m电流已达所需的电流值，则励磁阶段结束即关断第一开关管v1，进入发电阶段，发电阶段存在两个回路，第一个回路是：m-d1-c2-d2-m，第二个回路是：m-v4-c5-c1-m，但第二个回路并非一定形成，因为第四开关管v4要根据具体情况决定是否导通，第四开关管v4的开关状态条件为：当第一电容器c1侧励磁电压在正常值范围以内时，第四开关管v4为闭合导通状态，当第一电容器c1侧励磁电压低于励磁电压正常值下限即第一下限值时，第四开关管v4工作于pwm模式，励磁电压越低占空比越小，当励磁电压继续下降至第二下限值及以下时，第四开关管v4完全断开；也就是说，当外部机械动力不足时，需逐步牺牲高压侧即u2输出端的输出能力，保障低压侧输出，因为低压侧输出电能需作为励磁电源的间接来源，否则发电机只能提前停机；

当第二相绕组n需投入工作时，首先闭合第二开关管v2，第二相绕组n进入励磁阶段，回路为：c1-n-v2-c1，根据转子位置信息及第二相绕组n电流信息，励磁阶段结束的条件为到达需最迟关断的转子位置，如果没有到达最迟关断的转子位置但第二相绕组n电流已达所需的电流值，则励磁阶段结束即关断第二开关管v2，进入发电阶段，发电阶段存在两个回路，第一个回路是：n-d3-c3-d4-n，第二个回路是：n-v5-c5-c1-n，但第二个回路一样并非一定形成，因为第五开关管v5要根据具体情况决定是否导通，第五开关管v5的开关状态条件为：当第一电容器c1侧励磁电压在正常值范围以内时，第五开关管v5为闭合导通状态，当第一电容器c1侧励磁电压低于励磁电压正常值下限即第一下限值时，第五开关管v5工作于pwm模式，励磁电压越低占空比越小，当励磁电压继续下降至第二下限值及以下时，第五开关管v5完全断开；同样的，牺牲高压侧的输出来保障系统的运行以免提前停机；

当第三相绕组p需投入工作时，首先闭合第三开关管v3，第三相绕组p进入励磁阶段，回路为：c1-p-v3-c1，根据转子位置信息及第三相绕组p电流信息，励磁阶段结束的条件为到达需最迟关断的转子位置，如果没有到达最迟关断的转子位置但第三相绕组p电流已达所需的电流值，则励磁阶段结束即关断第三开关管v3，进入发电阶段，发电阶段存在两个回路，第一个回路是：p-d5-c4-d6-p，第二个回路是：p-v6-c5-c1-p，但第二个回路一样并非一定形成，因为第六开关管v6要根据具体情况决定是否导通，第六开关管v6的开关状态条件为：当第一电容器c1侧励磁电压在正常值范围以内时，第六开关管v6为闭合导通状态，当第一电容器c1侧励磁电压低于励磁电压正常值下限即第一下限值时，第六开关管v6工作于pwm模式，励磁电压越低占空比越小，当励磁电压继续下降至第二下限值及以下时，第六开关管v6完全断开；同样的，牺牲高压侧的输出来保障系统的运行以免提前停机；

由于第二电容器c2、第三电容器c3、第四电容器c4串联处于各相绕组第一发电回路的输出端串联连接，所以具有升高电压的作用，但由于实际中各相绕组工作期间，励磁阶段相比发电阶段普遍要短，再结合各相绕组分时工作，也就是说，第一开关管v1、第二开关管v2、第三开关管v3的开关占空比很小，一般来说介于1/12-1/6之间，所以即使串联，其相对第七开关管v7和第八开关管v8的交错开关及其电路下，第一回路输出串联后的电压仍然低得多，所以经隔离变流器隔离后的输出u1侧为低压输出端；

当第五电容器c5侧电压在正常值范围内时，即各相绕组第二回路向其正常供电时，第七开关管v7和第八开关管v8在高于5khz的频率以上同频率开关工作，一般为10-50khz为佳，并且交错开关，即第七开关管v7闭合导通时第八开关管v8为断开状态，第七开关管v7断开状态时第八开关管v8闭合导通，从各自状态看，当第七开关管v7闭合时，回路为：c5-l1-v7-c5，关断后回路：c5-l1-d7-d8-c7-c5，则c7两端即输出电压自然高于c5两端电压，因为l1两端电压加持，类似的第八开关管v8开关动作时，除l2的加持，同等条件下更增加第六电容器c6的加持，所以第七电容器c7两侧电压很高，不过，本实施例中第七电容器c7，包括第六电容器c6，它们的电容值必须足够大，从而基于两个开关管交错开关前提下获得更稳定的输出高电压u2，并且，输出电压u2也是可调的，通过对第七开关管v7和第八开关管v8的占空比调节，由于两个开关管的回路差别，各自占空比并非一定相同，以同等电压条件下获得更稳定更好的输出电能质量为优先。

第九开关管v9按照pwm模式工作；当第一电容器c1侧所需励磁电压需达到强励的电压值时，即处于对励磁电压正常值范围内的上半段需求时，第十开关管v10闭合导通，第十一开关管v11断开状态，第九开关管v9的pwm占空比根据对励磁电压的具体需求而调节；当对第一电容器c1侧励磁电压的需求为其正常值范围内下半段及以下时，第十开关管v10断开状态，第十一开关管v11闭合导通，第九开关管v9的pwm占空比根据发电系统对励磁电压的具体需求调节；从而可见，通过第十开关管v10和第十一开关管v11的开关，及结合另外的第三电感l3、第九开关管v9组成的简易结构，即可实现双路励磁电源输出，同时第九开关管v9的开关占空比的调节使得两路励磁均可连续型变化。

虽然本实施例所述的开关磁阻发电机为m/n/p三相绕组，但从附图1的结构及以上所述控制模式可见，同样的结构并联，以及调控方法下，可随意删减相绕组数目，也就是说，针对两相或四相及其以上绕组数目的开关磁阻发电机本发明仍然具备保护范围。