一种直升压双馈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电机系统领域，具体涉及一种直接抬升发电输出电压、励磁电源与发电输出端双向馈能并且正向充电质量高、可强化励磁、全系统共地、能适应相绕组全域电流连续的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法。

背景技术：

开关磁阻发电机的应用较晚，近年来对它的研究与发展也比较缓慢，关键在于其变流系统的掣肘，具体涉及到提高发电效率和效益、变流系统结构性价比、变流控制的易于实现性，以及多数场合下对更高电压的需求而增加过多的升压环节等等问题。

开关磁阻发电机本体结构异常简单坚固，成本也低，本应具备广泛的应用前景，但其变流变换较为复杂，根据转子实时位置信息每相绕组工作时都需要分为至少励磁和发电两个阶段，并分时进行，当前，在提高稳定性的前提下，变流结构上提高利用率、简化变换过程、电能再生性、智能化等是发展趋势。

最近两年来，黑山共和国波德戈里察大学的两位教授多次报告了开关磁阻发电机每相绕组全域电流连续运行的变流系统结构和控制方法，这给未来开关磁阻发电机运行控制，尤其转矩脉动和mppt控制等等方面全面提出了众多提升性能的新研究课题，所以相关变流系统如既能适应传统断续，也能适应连续电流的工况则势必具有更大的适应性。

技术实现要素：

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种直接升压、励磁发电双馈、充电质量高、可强化励磁、全系共地、适应相绕组全域电流连续的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法，适用于各种动力输入和输出侧为负载或电网的各类中小功率高速开关磁阻发电机系统应用领域。

本发明的技术方案为：

一种直升压双馈开关磁阻发电机变流系统，其特征是，包括：蓄电池、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、第十二开关管、第一相绕组第一支绕组、第一相绕组第二支绕组、第二相绕组第一支绕组、第二相绕组第二支绕组、第三相绕组第一支绕组、第三相绕组第二支绕组、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、第九电容器、第十电容器、第十一电容器、第十二电容器、第十三电容器、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、第九二极管、第十二极管、第十一二极管、第十二二极管、变压器、第一电感、第二电感，所述蓄电池正极连接所述第一开关管阳极、所述第三开关管阳极、所述第五开关管阳极、所述第一电感一端、所述第二电感一端，蓄电池负极连接所述第二开关管阴极、所述第二电容器一端、所述第四开关管阴极、所述第五电容器一端、所述第六开关管阴极、所述第八电容器一端、所述第十电容器负极、所述第十一电容器一端、所述第七开关管阴极、所述第九开关管阴极，第一开关管阴极连接所述第一相绕组第一支绕组一端、第一相绕组第一支绕组另一端连接所述第一电容器一端、所述第一二极管阳极、第二开关管阳极，第一电容器另一端连接所述第二二极管阴极、所述第三二极管阳极，第二二极管阳极连接所述第三电容器一端、所述第一相绕组第二支绕组一端，第一相绕组第二支绕组另一端连接第一二极管阴极、第二电容器另一端，第三二极管阴极连接第三电容器另一端、所述第四二极管阳极，第三开关管阴极连接所述第二相绕组第一支绕组一端、第二相绕组第一支绕组另一端连接所述第四电容器一端、所述第五二极管阳极、第四开关管阳极，第四电容器另一端连接所述第六二极管阴极、所述第七二极管阳极，第六二极管阳极连接所述第六电容器一端、所述第二相绕组第二支绕组一端，第二相绕组第二支绕组另一端连接第五二极管阴极、第五电容器另一端，第七二极管阴极连接第六电容器另一端、所述第八二极管阳极，第五开关管阴极连接所述第三相绕组第一支绕组一端、第三相绕组第一支绕组另一端连接所述第七电容器一端、所述第九二极管阳极、第六开关管阳极，第七电容器另一端连接所述第十二极管阴极、所述第十一二极管阳极，第十二极管阳极连接所述第九电容器一端、所述第三相绕组第二支绕组一端，第三相绕组第二支绕组另一端连接第九二极管阴极、第八电容器另一端，第十一二极管阴极连接第九电容器另一端、所述第十二二极管阳极，第十二二极管阴极连接第四二极管阴极、第八二极管阴极、第十电容器正极、所述第十三电容器一端、所述第十二开关管阳极，第十一电容器另一端连接所述第十二电容器一端、所述第八开关管阳极、所述第十开关管阳极、所述第十一开关管阴极，第八开关管阴极连接所述变压器一次侧绕组一端、第七开关管阳极、第一电感另一端，第十开关管阴极连接变压器一次侧绕组另一端、第九开关管阳极、第二电感另一端，第十一开关管阳极连接第十二开关管阴极、变压器二次侧绕组一端，第十二电容器另一端连接第十三电容器另一端、变压器二次侧绕组另一端；

第一相绕组第一支绕组、第一相绕组第二支绕组构成第一相绕组，第二相绕组第一支绕组、第二相绕组第二支绕组构成第二相绕组，第三相绕组第一支绕组、第三相绕组第二支绕组构成第三相绕组；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、第九电容器完全相同；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、第十二开关管均为带有反并联二极管的电力mosfet器件。

一种直升压双馈开关磁阻发电机变流系统的控制方法，其特征是，开关磁阻发电机运行中，根据转子位置信息，当第一相绕组需投入工作时，第一开关管和第二开关管闭合，进入励磁阶段，励磁阶段结束时，断开第二开关管，进入发电阶段；

第二相绕组、第三相绕组需投入工作时，他们的控制模式与第一相绕组控制模式完全相同，具体第三开关管、第五开关管对应第一开关管，第二相绕组第一支绕组、第三相绕组第一支绕组对应第一相绕组第一支绕组，第二相绕组第二支绕组、第三相绕组第二支绕组对应第一相绕组第二支绕组，第四开关管、第六开关管对应第二开关管；

运行中当检测到蓄电池电量低于下限值需要正向充电，或者蓄电池电量高于下限值并且第十电容器侧即输出侧需要更多电能而需控制蓄电池反向输出馈能时，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、第十二开关管进入pwm工作状态，具体控制模式如下：

当为蓄电池正向充电时，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、第十二开关管具有相同的pwm占空比，并且频率相同；第七开关管和第八开关管互补开关，第九开关管和第十开关管互补开关，第十一开关管和第十二开关管互补开关，并且互补的开关管不存在同时闭合状态出现；第七开关管和第十开关管同时开关，第八开关管和第九开关管同时开关；第七开关管闭合角度滞后于第十一开关管闭合角度，滞后的角度区间小于各开关管闭合开通角度区间；

当蓄电池反向输出馈能时，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、第十二开关管具有相同的pwm占空比，并且频率相同；第七开关管和第八开关管互补开关，第九开关管和第十开关管互补开关，第十一开关管和第十二开关管互补开关，并且互补的开关管不存在同时闭合状态出现；第七开关管和第十开关管同时开关，第八开关管和第九开关管同时开关；第七开关管闭合角度超前于第十一开关管闭合角度，超前的角度区间小于各开关管闭合开通角度区间；

通过改变变压器变比，或者调节各开关管占空比、开关频率，以及第七开关管和第十一开关管的闭合角度差，可调节蓄电池正向充电电压电流或蓄电池反向馈能输出电压电流。

本发明的技术效果主要有：

(1)本发明的结构下每相绕组均分为两个支绕组，励磁时分别励磁，而不是串联低压励磁，起到强化励磁效果，同时，发电时两个支绕组又是串联模式，并且也与蓄电池串联，从而极大的并且是靠自身变流电路直接提升了输出侧发电电压，每相绕组变流开关管数量与传统不对称半桥相同均仅需两个开关管，所以性价比高。

(2)本发明的变流系统结构，可适应各相绕组断续这种传统模式，也能适应新出现的每相绕组全域电流连续的新模式，只要控制将第一开关管、第三开关管、第五开关管常闭即可运行中帮助实现各相绕组电流连续，切换非常方便、简单，提高了本发明的适应面。

(3)虽然蓄电池正向充电需采自系统输出侧的电能，同时也要满足蓄电池反向馈能，正反二者功能不同、方向相反，但确可采用同一套电路结构，正反向各器件全员参与，降低了成本；同时，本发明的整个变流系统共地，虽然也有变压器的应用，但其为高频变压器，体积重量成本低。

(4)蓄电池正向充电时，在本发明的结构及控制模式下，充电电流连续、平稳，确保了充电质量，提高了蓄电池寿命；同时，正反向控制灵活，控制参量多，包括不同变压器变比、第七开关管到第十二开关管等六个开关管的占空比大小和开关频率大小调节，还有第七开关管和第十一开关管之间开关角度差的调节等，均可调节输出，范围宽，适应性强。

附图说明

图1所示为本发明的一种直升压双馈开关磁阻发电机变流系统电路结构图。

具体实施方式

本实施例的一种直升压双馈开关磁阻发电机变流系统，变流系统电路结构如附图1所示，其由蓄电池x、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、第十二开关管v12、第一相绕组第一支绕组m1、第一相绕组第二支绕组m2、第二相绕组第一支绕组n1、第二相绕组第二支绕组n2、第三相绕组第一支绕组p1、第三相绕组第二支绕组p2、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、第九电容器c9、第十电容器c10、第十一电容器c11、第十二电容器c12、第十三电容器c13、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、第九二极管d9、第十二极管d10、第十一二极管d11、第十二二极管d12、变压器t、第一电感l1、第二电感l2，蓄电池x正极连接第一开关管v1阳极、第三开关管v3阳极、第五开关管v5阳极、第一电感l1一端、第二电感l2一端，蓄电池x负极连接第二开关管v2阴极、第二电容器c2一端、第四开关管v4阴极、第五电容器c5一端、第六开关管v6阴极、第八电容器c8一端、第十电容器c10负极、第十一电容器c11一端、第七开关管v7阴极、第九开关管v9阴极，第一开关管v1阴极连接第一相绕组第一支绕组m1一端，第一相绕组第一支绕组m1另一端连接第一电容器c1一端、第一二极管d1阳极、第二开关管v2阳极，第一电容器c1另一端连接第二二极管d2阴极、第三二极管d3阳极，第二二极管d2阳极连接第三电容器c3一端、第一相绕组第二支绕组m2一端，第一相绕组第二支绕组m2另一端连接第一二极管d1阴极、第二电容器c2另一端，第三二极管d3阴极连接第三电容器c3另一端、第四二极管d4阳极，第三开关管v3阴极连接第二相绕组第一支绕组n1一端，第二相绕组第一支绕组n1另一端连接第四电容器c4一端、第五二极管d5阳极、第四开关管v4阳极，第四电容器c4另一端连接第六二极管d6阴极、第七二极管d7阳极，第六二极管d6阳极连接第六电容器c6一端、第二相绕组第二支绕组n2一端，第二相绕组第二支绕组n2另一端连接第五二极管d5阴极、第五电容器c5另一端，第七二极管d7阴极连接第六电容器c6另一端、第八二极管d8阳极，第五开关管v5阴极连接第三相绕组第一支绕组p1一端，第三相绕组第一支绕组p1另一端连接第七电容器c7一端、第九二极管d9阳极、第六开关管v6阳极，第七电容器c7另一端连接第十二极管d10阴极、第十一二极管d11阳极，第十二极管d10阳极连接第九电容器c9一端、第三相绕组第二支绕组p2一端，第三相绕组第二支绕组p2另一端连接第九二极管d9阴极、第八电容器c8另一端，第十一二极管d11阴极连接第九电容器c9另一端、第十二二极管d12阳极，第十二二极管d12阴极连接第四二极管d4阴极、第八二极管d8阴极、第十电容器c10正极、第十三电容器c13一端、第十二开关管v12阳极，第十一电容器c11另一端连接第十二电容器c12一端、第八开关管v8阳极、第十开关管v10阳极、第十一开关管v11阴极，第八开关管v8阴极连接变压器t一次侧绕组n1一端、第七开关管v7阳极、第一电感l1另一端，第十开关管v10阴极连接变压器t一次侧绕组n1另一端、第九开关管v9阳极、第二电感l2另一端，第十一开关管v11阳极连接第十二开关管v12阴极、变压器t二次侧绕组n2一端，第十二电容器c12另一端连接第十三电容器c13另一端、变压器t二次侧绕组n2另一端；

第一相绕组第一支绕组m1、第一相绕组第二支绕组m2构成第一相绕组m，第二相绕组第一支绕组n1、第二相绕组第二支绕组n2构成第二相绕组n，第三相绕组第一支绕组p1、第三相绕组第二支绕组p2构成第三相绕组p；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、第九电容器c9完全相同；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、第十二开关管v12均为带有反并联二极管的电力mosfet器件；

第十电容器c10两侧即为开关磁阻发电机发电输出两端；蓄电池x作为励磁电源；变压器t的变比为n2/n1＝1.5。

本实施例的一种直升压双馈开关磁阻发电机变流系统的控制方法为，开关磁阻发电机运行中，根据转子位置信息，当第一相绕组m需投入工作时，第一开关管v1和第二开关管v2闭合，进入励磁阶段，此时存在两个励磁回路，一是x-v1-m1-v2-x，二是c2-m2-d2-c1-v2-c2，前者为蓄电池x给第一相绕组第一支绕组m1励磁，后者为第二电容器c2(发电阶段获得的储能)给第一相绕组第二支绕组m2励磁，同时给第一电容器c1充电；根据开关磁阻发电机转子位置信息励磁阶段结束时，断开第二开关管v2，第一开关管v1保持闭合，进入发电阶段，此时存在三个回路，一是x-v1-m1-d1-m2-c3-d4-c10-x，此时为第一相绕组m的两个支绕组串联并与蓄电池x一起向外发电输出电能，二是x-v1-m1-c1-d3-d4-c10-x，此时为第一相绕组第一支绕组m1和蓄电池x、第一电容器c1一起向外发电输出电能，三是x-v1-m1-d1-c2-x，此时为蓄电池x与第一相绕组第一支绕组m1一起给第二电容器c2充电，根据转子位置信息当发电阶段结束时，断开第一开关管v1，该第一相绕组m工作结束，但如果需要开关磁阻发电机相绕组运行于电流连续模式下时，则第一开关管v1在开关磁阻发电机运行中始终闭合

当根据转子位置信息第二相绕组n、第三相绕组p需投入工作时，他们的控制模式与第一相绕组m控制模式完全相同，具体对应关系为：第三开关管v3、第五开关管v5对应第一开关管v1，第二相绕组第一支绕组n1、第三相绕组第一支绕组p1对应第一相绕组第一支绕组m1，第二相绕组第二支绕组n2、第三相绕组第二支绕组p2对应第一相绕组第二支绕组m2，第四开关管v4、第六开关管v6对应第二开关管v2，第四电容器c4、第七电容器c7对应第一电容器c1，第五二极管d5、第九二极管d9对应第一二极管d1，第六二极管d6、第十二极管d10对应第二二极管d2，第五电容器c5、第八电容器c8对应第二电容器c2，第六电容器c6、第九电容器c9对应第三电容器c3，第七二极管d7、第十一二极管d11对应第三二极管d3，第八二极管d8、第十二二极管d12对应第四二极管d4；

运行中当检测到蓄电池x电量低于下限值需要正向充电，或者蓄电池x电量高于下限值并且第十电容器c10侧即输出负载侧需要更多电能而需控制蓄电池x反向输出馈能时，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、第十二开关管v12进入pwm工作状态，具体控制模式如下：

当为蓄电池x正向充电时，采自发电输出侧的电能，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、第十二开关管v12具有相同的pwm占空比，并且频率相同；第七开关管v7和第八开关管v8互补开关，第九开关管v9和第十开关管v10互补开关，第十一开关管v11和第十二开关管v12互补开关，并且以上互补的开关管之间不存在同时闭合状态出现；第七开关管v7和第十开关管v10同时开关，第八开关管v8和第九开关管v9同时开关；第七开关管v7闭合角度滞后于第十一v11开关管闭合角度，滞后的角度差区间小于各开关管闭合开通角度区间；

当蓄电池x需要反向输出馈能时，与蓄电池x正向充电的区别仅在于第七开关管v7和第十一开关管v11二者的闭合角度差不同，反向输出馈能时第七开关管v7闭合角度超前于第十一开关管v11闭合角度，超前的角度差区间小于各开关管闭合开通角度区间；

通过改变变压器t的变比，或者调节各开关管占空比、开关频率，以及第七开关管v7和第十一开关管v11的闭合角度差，可调节蓄电池x正向充电电压电流或蓄电池x反向馈能输出电压电流。