一种直升压连续发电的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电压、连续发电输出的自动充电并反向馈能的结构和控制简单、效率高、电能质量高、低开关电压的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法。

背景技术：

开关磁阻电机因其结构及其简单坚固，散热方便，容错性强，越来越受到业界重视，但其变流系统极大的区别于传统电机的变流装置，使得开关磁阻电机的变流系统研究发展成为关键。

区别于传统同步发电机和直流发电机、异步发电机等，开关磁阻发电机显得更为特殊，其工作中需要结合定转子之间的各自凸极位置关系，各相绕组独立通电工作，并且每相绕组工作内部又分为励磁和发电两大阶段，并分时进行，励磁阶段吸收电能励磁，发电阶段释放电能输出，即励磁阶段只吸收不释放，这已成为业界公认的潜规则，问题是，由于励磁发电分时进行，从而发电输出端所受电流为断续状态，不利于电能质量的提高，也不利于开关磁阻发电机转矩脉动这个大问题的抑制，靠发电输出侧增加滤波装置不能完全解决问题，或者说势必增加了输出侧滤波装置的结构和负担；另外，励磁阶段往往需要强化励磁功能，以利于缩短励磁时间尽快增加励磁电流，给发电阶段更多发挥的时间的和空间，利于提高系统发电效率。

发电机直接发出的电能，在定压供电为主流的今天，大多数负载或者发电机侧电网，都需要先把发电机系统直接输出的电能先经过专门的升压装置升压，之后再接负载或并入电网，在开关磁阻发电机系统领域，依靠其变流系统在励磁和发电阶段工作中同时兼顾抬升其输出发电电压值，成为很有意义的方向，也简化总体结构降低成本，以及简化控制的复杂度，提高可靠性，具有重要意义。

开关管的损耗问题尤其开关损耗、开关控制复杂度问题、开关管最大耐压问题，都是开关磁阻发电机变流系统中同样需要关注的有意义的问题，开关损耗低或低频开关或不全时开关工作，开关管在电路中正反向最大电压低，等等都是发展方向。

在开关磁阻发电机变流系统领域，励磁分为自励和他励两种模式，他们各自有各自的优缺点，他励模式励磁供电稳定，对发电端无干扰，自励模式智能化水平高，维护工作量少，但传统自励不利于发电输出侧电能质量的提高，而具备自充电能力的蓄电池供电励磁的结构具有重要的发展前景，因为他利用了他励和自励模式的各自优点；另外，借鉴风电领域双馈异步发电系统面临的极端问题的因应措施，如果能利用开关磁阻发电机变流系统中已有的存有电能的蓄电池，在必要时反馈供电实现双馈助力整个变流系统的适应性提升，当然，如能利用已有的蓄电池正向充电系统实现反向馈能工作，则进一步简化了系统的结构并降低成本，具有重要意义。

技术实现要素：

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种利用已有励磁和发电结构实现直接抬升发电电压，同时励磁阶段同样输出电能使得输出电流连续，励磁蓄电池自动充电并可反向馈能的高效率、低开关电压、高电能质量、简易结构和控制的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法，适用于各类动力驱动输入下的中高速开关磁阻发电机系统领域应用。

本发明的技术方案为：

一种直升压连续发电的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、第一相绕组、第二相绕组、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、隔离双馈变换器、电感，所述蓄电池正极连接所述第一开关管阳极、所述第二开关管阳极、所述第三开关管阳极、所述第一二极管阳极、所述第六电容器一端、所述电感一端，蓄电池负极连接所述第四开关管阴极、所述第三二极管阴极、第六电容器另一端、所述第十开关管阴极、所述第七二极管阳极、所述第三电容器一端、所述第五电容器一端、所述隔离双馈变换器输出负极端，第一开关管阴极连接所述第一相绕组一端，第二开关管阴极连接所述第二相绕组一端，第三开关管阴极连接所述第三相绕组一端，第一相绕组另一端连接第二相绕组另一端、第三相绕组另一端、所述第五开关管阳极、所述第六开关管阳极、所述第二二极管阳极，第二二极管阴极连接第四开关管阳极、所述第一电容器一端，第一电容器另一端连接第三二极管阳极、隔离双馈变换器输入负极端、第五开关管阴极、所述第二电容器一端，第二电容器另一端连接第六开关管阴极、第一二极管阴极、隔离双馈变换器输入正极端，隔离双馈变换器输出正极端连接第三电容器另一端、所述第七开关管阳极、所述第四二极管阴极，第七开关管阴极连接第四二极管阳极、所述第八开关管阳极、所述第五二极管阴极、所述第四电容器一端，第八开关管阴极连接第五二极管阳极、第五电容器另一端、所述第九开关管阳极、所述第六二极管阴极，第九开关管阴极连接第六二极管阳极、电感另一端、第四电容器另一端、第十开关管阳极、第七二极管阴极。

一种直升压连续发电的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，闭合第一开关管、第四开关管、第五开关管，进入励磁阶段，根据转子位置信息当励磁阶段需结束时，断开第四开关管、第五开关管，闭合第六开关管，进入发电阶段，根据转子位置信息发电阶段需结束时，断开第一开关管、第六开关管，第一相绕组工作结束；

根据转子位置信息，当第二相绕组、第三相绕组需投入工作时，工作模式与第一相绕组相同，第二开关管、第三开关管分别对应第一开关管，其余相关器件公用；

开关磁阻发电机运行中当检测到蓄电池电量低于下限值时，隔离双馈变换器正向工作，第七开关管、第八开关管、第九开关管按照pwm模式工作，向蓄电池充电，其中第七开关管、第九开关管同时开关，第八开关管在第七开关管和第九开关管断开时闭合，通过调节第七开关管和第九开关管、第八开关管这两组开关管的开关占比，调节输出给蓄电池的充电电压和电流，当检测到蓄电池电量高于上限值时，第七开关管、第八开关管、第九开关管均为断开状态；

开关磁阻发电机运行中当第二电容器两侧即负载侧因负载过大电压骤降低于下限值，并且检测到蓄电池电量高于下限值时，第十开关管按照pwm模式工作，隔离双馈变换器反向将蓄电池电能反馈给第二电容器侧，调节第十开关管的占空比即可调节反馈输出给第二电容器侧的电压值，直至第二电容器电压高于下限值则关断第十开关管停止反馈电能。

本发明的技术效果主要有：

在各相绕组工作中，励磁阶段由蓄电池和第一电容器首先串联供电励磁，起到了强化励磁的效果；在励磁阶段同时存在一个经由第一二极管向发电输出侧供电的回路，也就是说，除了发电阶段的发电输出供能外，相绕组储能的励磁阶段也存在同时供电输出，从而解决了一个大问题，即各相绕组工作中可以相对连续的向外输出电能，对于开关磁阻发电机输出电能质量的提高，乃至对于开关磁阻发电机的转矩脉动等问题，应该具有重要意义。

同时，在各相绕组工作中，还不可忽视的是，无论励磁还是发电阶段，发电电压各个瞬时阶段不小于蓄电池电压，发电电压平均值显然明显大于蓄电池电压，即在励磁和发电的交流工作中，兼顾直接实现了输出电压的直接抬升，同样具有重要意义。

还有，各相绕组的励磁和发电工作中，第一开关管、第二开关管、第三开关管仅仅在所串联的各自相绕组工作时才闭合，单开关模式，第四开关管和第五开关管同步开关，第六开关管仅仅在各相绕组发电阶段闭合，也均为单开关模式，所以，既实现了励磁和发电均可发电输出，以及直接抬升了发电电压的可强励的变流回路也可使得各个开关管开关频率低、控制简单。

在蓄电池需要充电，或者发电输出侧故障等电压骤降问题时，隔离双馈变换器以及由第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管组成的变流回路才工作，虽然各个开关管相对为高频pwm模式，但无论正向充电，还是反向馈能，均为在短时出现的极端情况时才投入工作，并不会因此而明显降低系统的效率，恰恰相反，极大的提高了整个变流系统的适应性、灵活性，以及智能化水平，充电时电流连续，反馈时电压也可抬升适应需求。

本发明的全部开关管正常工作时的最高电压均小于输出侧发电电压，并且多数仅为发电电压的一半或以下。

附图说明

图1所示为本发明的一种直升压连续发电的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连续发电的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、第一相绕组m、第二相绕组n、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、隔离双馈变换器、电感l组成，蓄电池x作为本发明开关磁阻发电机的励磁电源，蓄电池x正极连接第一开关管v1阳极、第二开关管v2阳极、第三开关管v3阳极、第一二极管d1阳极、第六电容器c6一端、电感l一端，蓄电池x负极连接第四开关管v4阴极、第三二极管d3阴极、第六电容器c6另一端、第十开关管v10阴极、第七二极管d7阳极、第三电容器c3一端、第五电容器c5一端、隔离双馈变换器输出负极端，第一开关管v1阴极连接第一相绕组m一端，第二开关管v2阴极连接第二相绕组n一端，第三开关管v3阴极连接第三相绕组p一端，第一相绕组m另一端连接第二相绕组n另一端、第三相绕组p另一端、第五开关管v5阳极、第六开关管v6阳极、第二二极管d2阳极，相当于第一开关管v1串联第一相绕组m、第二开关管v2串联第二相绕组n、第三开关管v3串联第三相绕组p构成并联连接的三个相绕组支路，利于对非三相绕组的开关磁阻发电机的扩展应用，第二二极管d2阴极连接第四开关管v4阳极、第一电容器c1一端，第一电容器c1另一端连接第三二极管d3阳极、隔离双馈变换器输入负极端、第五开关管v5阴极、第二电容器c2一端，第二电容器c2另一端连接第六开关管v6阴极、第一二极管d1阴极、隔离双馈变换器输入正极端，第二电容器c2两端即为本发明的开关磁阻发电机发电输出端，第二电容器c2两侧电压即为发电电压，隔离双馈变换器输出正极端连接第三电容器c3另一端、第七开关管v7阳极、第四二极管d4阴极，第七开关管v7阴极连接第四二极管d4阳极、第八开关管v8阳极、第五二极管d5阴极、第四电容器c4一端，第八开关管v8阴极连接第五二极管d5阳极、第五电容器c5另一端、第九开关管v9阳极、第六二极管d6阴极，第九开关管v9阴极连接第六二极管d6阳极、电感l另一端、第四电容器c4另一端、第十开关管v10阳极、第七二极管d7阴极。

所有开关管均为全控型电力电子开关器件；隔离双馈变换器为直流-直流变换器，可正反向变换。

本发明直升压连续发电的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，闭合第一开关管v1、第四开关管v4、第五开关管v5，进入励磁阶段，此时励磁电源蓄电池x与第一电容器c1串联一起(此时第一相绕组m的实际励磁电压为励磁电源即蓄电池x电压与第一电容器c1电压之和，获得强化励磁效果)，经由第一开关管v1、第四开关管v4、第五开关管v5向第一相绕组m供电励磁，同时，蓄电池x与第一电容器c1一起，也经第一二极管d1、第四开关管v4向发电输出端输出电能，并向第二电容器c2充电，在特别情况，即第一电容器c1放电完毕励磁阶段仍未结束时，仍可由蓄电池x单独经由第一开关管v1、第二二极管d2、第四开关管v4(或第五开关管v5+第三二极管d3)供电给第一相绕组m励磁，可靠性获得提高；根据转子位置信息当励磁阶段需结束时，断开第四开关管v4、第五开关管v5，闭合第六开关管v6，第一开关管v1维持闭合，即进入发电阶段，此时第一相绕组m的储能与蓄电池x一起串联经由第一开关管v1、第六开关管v6、第三二极管d3向发电输出端输出电能，同时，也经由第二二极管d2向第一电容器c1充电，经以上励磁和发电阶段发电输出回路可见，瞬时发电电压等于蓄电池x电压与第一电容器c1电压之和(励磁)，或者蓄电池x电压与第一相绕组m电压之和(发电)，发电电压平均值明显大于励磁电压即蓄电池x电压，并且励磁阶段和发电阶段均存在输出电能，发电输出不断续；根据转子位置信息发电阶段需结束时，再断开第一开关管v1，以及第六开关管v6断开，第一相绕组m工作结束；

根据转子位置信息，当第二相绕组n、第三相绕组p需投入工作时，工作模式与第一相绕组m的相同，第二开关管v2、第三开关管v3对应第一开关管v1即可，其余相关器件公用，作用相同。

开关磁阻发电机运行中当检测到蓄电池x电量低于下限值时，即励磁电源不足时，隔离双馈变换器正向工作，即吸收来自发电输出端的电能自励并向蓄电池x充电，第七开关管v7、第八开关管v8、第九开关管v9按照pwm模式工作，其中第七开关管v7、第九开关管v9同时开关，第八开关管v8在第七开关管v7和第九开关管v9断开时闭合，基于以上约束下，通过调节第七开关管v7和第九开关管v9，与第八开关管v8这两组开关管的开关占比，可调节输出给蓄电池x的充电电压和电流，以满足蓄电池x的充电需求；当检测到蓄电池x电量高于上限值时，第七开关管v7、第八开关管v8、第九开关管v9均断开，停止正向工作即充电作业；

开关磁阻发电机运行中当第二电容器c2两侧即发电输出侧因负载过大电压骤降低于下限值，并且检测到蓄电池x电量高于下限值时，第十开关管v10按照pwm模式工作，隔离双馈变换器反向反馈电能给第二电容器c2侧，即蓄电池x输出电能给发电输出侧，调节第十开关管v10的占空比即可调节反馈输出给发电输出侧的电压值；待发电输出侧电压稳定并高于下限值后关断第十开关管v10，即停止反馈电能。

由于每相绕组串联一个开关管后，各自再并联连接，可自然增删扩展，各相绕组各自工作模式又相同，所以，对于本实施例之外的非三相绕组的开关磁阻发电机，本发明自然处于保护范围以内。