一种双绕组结构双反激开关磁阻脉冲发电系统

1.本发明涉及脉冲功率技术领域，尤其是一种双绕组结构双反激开关磁阻脉冲发电系统。


背景技术：

2.脉冲功率技术是一门研究高功率、高电压、大电流的新兴学科，典型的脉冲功率装置包括初级能源、储能或脉冲发电系统、脉冲成形系统、脉冲负载四个部分。它是研究在相对长的时间里把能量存储起来，经过快速压缩、转换，最后有效释放给负载的新兴科技领域，是当代高科技的主要基础学科之一。过去，高脉冲功率技术主要是为国防科研服务，大都是单次脉冲运行，但是实际应用中，常常需要脉冲源功率密度较大、拥有较高的脉冲重复频率、能够提供较高的平均功率，如何满足实际工业应用中的需求成为了脉冲功率技术的研究热点。脉冲功率技术在可控核聚变研究与等离子物理研究、新兴强激光、高能电子与离子加速器、电磁脉冲、新武器研究等方面已经兴起并快速发展，同时其应用也逐步发展到民用科技领域，如烟气脱硫脱硝、废水处理、海水淡化、医疗设备、电火花加工等。
3.开关磁阻电机(switched reluctance machine简称srm)是上个世纪八十年代提出的一种新型电机，由于其定转子均为凸极实心叠片结构，定子上绕有集中绕组，转子上无绕组、永磁材料等结构，因此电机结构简单坚固、成本较低。同时开关磁阻电机还具有可控参数多，控制灵活、效率高、起动性能好等优点，使其在电动车驱动系统、家用电器、通用工业、伺服驱动、矿山机械等领域得到了广泛应用。开关磁阻发电机(switched reluctance generator简称srg)具备srm系统的所有优势，作为能量转换装置被广泛使用，通过控制器控制开关管通断在预设转子角度期间能将原动机施加到发电机转子上的机械能转化为电能传输到负载上，对外呈高输出阻抗的脉冲电流源特性，非常适合高电压脉冲供电场合。
4.传统的脉冲源通常对电能进行功率变换并通过脉冲成型电路对输出的脉冲波形进行调控。运用电化学储能技术的蓄电池拥有最高的储能密度，但是其功率密度短板，难以满足大功率负载的需求；电场储能的电容器有最高的功率密度，但是储能密度有限，加上配套充电装置体积过大，整个系统的复杂性较高。所以传统的脉冲源通常体积较大、结构复杂、成本昂贵且对工作环境的要求较高。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种双绕组结构双反激开关磁阻脉冲发电系统，在供电负载类型变化、工况复杂的情况下有较好的适应性，能够满足脉冲功率技术的工业应用需求。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种双绕组结构双反激开关磁阻脉冲发电系统，包括：双反激功率变换器1、双绕组开关磁阻脉冲发电机2、电机控制系统3、励磁电源5、原动机9、脉冲负载10和功率二极管11；电机控制系统3与双反激功率变换器1连接控制其中的开关管开通与关断，励磁电源5通过功率变换器1对双绕组开关磁阻脉冲发电机2中的电
机绕组4供电，原动机9与双绕组开关磁阻脉冲发电机2同轴连接并提供机械能带动转子旋转，电机绕组4中的脉冲绕组与功率二极管11串联后对脉冲负载10脉冲供电。
7.优选的，双反激功率变换器1在励磁绕组侧采用不对称半桥结构，每相支路有两个开关管控制绕组励磁，并通过两个二极管形成续流回路进行电流回馈；脉冲绕组侧脉冲负载与二极管串联，与励磁绕组侧形成反激电路，根据脉冲供电需求不同采用多相共同或各相单独向脉冲负载供电的方式。
8.优选的，双绕组开关磁阻脉冲发电机2本体采用单相结构、两相结构、三相结构或多相结构。
9.优选的，双绕组开关磁阻脉冲发电机2定子每个齿上安装两套电机绕组4，分别为励磁绕组a1和脉冲绕组a2；励磁绕组a1和脉冲绕组a2之间高度耦合且绕组之间存在电气隔离，绕组a1、a2之间的匝数比可调，满足不同电压等级的脉冲供电需求。
10.优选的，电机控制系统3包括电压传感器6、电流传感器7和位置传感器8；电压传感器6用于监测母线电压，电流传感器7用于检测每相电流以及母线电流，位置传感器8用于采集转子位置信号，电机控制系统3通过监测以上参数控制功率变换器的开关管通断完成电机绕组励磁与脉冲发电过程。
11.优选的，电机控制系统3控制策略采用角度位置控制apc、电流斩波控制ccc和电压脉冲宽度调制pwm方式调整电机运行状态，从而控制输出脉冲的幅值、频率、脉宽参数。
12.本发明的有益效果为：本发明是一种体积较小、结构简单、低成本、环境适应性好的新型脉冲源，在恶劣环境下使用寿命长、维护成本低，对原动机的输入质量要求低；双绕组开关磁阻脉冲发电机起始功率和能量直接来自原动机，省去了大量的中间环节，有利于提高脉冲源的能量转化效率和装置的小型化和集成化；开关磁阻脉冲发电机结构拓扑、变换器拓扑及控制策略灵活，在供电负载类型变化、工况复杂的情况下有较好的适应性，能够满足脉冲功率技术的工业应用需求。
附图说明
13.图1为本发明中双绕组结构双反激开关磁阻脉冲发电系统结构示意图。
14.图2为本发明中双绕组开关磁阻发电机绕组结构分布示意图。
15.图3为本发明中双绕组开关磁阻脉冲发电机功率变换器结构示意图。
16.图4为本发明中系统工作在励磁模态时电流流向示意图。
17.图5为本发明中系统工作在续流发电模态一时电流流向示意图。
18.图6为本发明中系统工作在续流发电模态二时电流流向示意图。
19.图7为本发明中系统工作在续流发电模态三时电流流向示意图。
20.图8为本发明中负载为100ω电阻时的绕组电流波形图。
21.图9为本发明中负载200v蓄电池组时的绕组电流波形图。
22.图10为本发明中负载为300v蓄电池组时的绕组电流波形图。
23.图11为本发明中副边断路或脉冲负载随机开路时的绕组电流波形图。
具体实施方式
24.如图1所示，一种双绕组结构双反激开关磁阻脉冲发电系统，包括：双反激功率变
换器1、双绕组开关磁阻脉冲发电机2、电机控制系统3、励磁电源5、原动机9、脉冲负载10和功率二极管11；电机控制系统3与双反激功率变换器1连接控制其中的开关管开通与关断，励磁电源5通过功率变换器1对双绕组开关磁阻脉冲发电机2中的电机绕组4供电，原动机9与双绕组开关磁阻脉冲发电机2同轴连接并提供机械能带动转子旋转，电机绕组4中的脉冲绕组与功率二极管11串联后对脉冲负载10脉冲供电。
25.双绕组开关磁阻电机2可采用单相结构(包括4/4、6/6等结构)、两相结构(包括4/2、8/4等结构)、三相结构(包括6/4、12/8等结构)或多相结构，在发电机定子每个齿上安装了高度耦合的两套电机绕组4，分别为励磁绕组和脉冲绕组。同相上的励磁绕组及脉冲绕组除了图1中所示的串联方式外还可采用并联连接。励磁绕组和脉冲绕组之间具有高度耦合，具体绕组绕制方式可采用多种形式，如图2给出了两种典型的绕制方式，两套绕组同心绕制于每一定子齿上，励磁绕组和脉冲绕组的采用上下层叠和者内外嵌套方式。
26.本发明中电机控制系统3控制策略可采用角度位置控制(apc)、电流斩波控制(ccc)和电压脉冲宽度调制(pwm)等方式调整电机运行状态。系统中设置有电压传感器、电流传感器、位置传感器，分别采集母线电压信号、每相电流、转子位置信号。电机控制系统通过监测以上参数控制开关管通断对励磁绕组的励磁与复位过程进行调控，从而调控输出脉冲的幅值、频率、脉宽等参数。
27.本发明中双绕组结构双反激开关磁阻脉冲发电系统的双反激功率变换器1部分以三相结构为例，采用图3中的结构。系统中的功率变换器包括励磁部分和脉冲发电部分，对应接入电机中的励磁绕组和脉冲绕组。励磁电源通过图3中原边不对称半桥电路给开关磁阻电机三相励磁绕组供电，副边脉冲绕组如图3中所示与二极管串联构成反激电路对脉冲负载进行供电。对于整个脉冲发电系统，励磁部分与脉冲供电部分电气隔离，在磁场上高度耦合，从而实现脉冲能量由励磁部分向脉冲成形部分的高效传递。其中励磁部分不对称半桥拓扑的主开关器件采用功率场效应晶体管或绝缘栅晶体管，续流器件采用二极管；脉冲供电部分通过与二极管串联构成反激脉冲输出电路。
28.下面为了方便说明，以图3中开关磁阻脉冲发电系统单相功率变换器的工作状态变化为例，对双绕组结构双反激开关磁阻脉冲发电系统运行中四种不同工作模态进行说明。励磁模态如图4所示，原边开关管开通，副边二极管截止，励磁电源以电压v
bus
对原边励磁绕组励磁，励磁绕组中的电流持续增大。续流发电模态一如图5所示，当原边开关管关断后，原边绕组反电势大于励磁电压v
bus
，续流二极管导通，原边绕组端电压将被钳位于-v
bus
直至原边续流结束。副边脉冲绕组电压极性发生变化使副边二极管导通并向脉冲负载供电，同时根据绕组之间匝数比，副边脉冲绕组端电压也被钳位于折算后的v
bus
。在这个工作模态下原边励磁绕组、副边脉冲绕组均处于发电状态，共同完成去磁过程。续流发电模态二如图6所示，在励磁绕组续流结束后，由于原边励磁绕组反电势小于励磁电压v
bus
，原边续流二级管断开，由副边脉冲绕组继续向脉冲负载供电，副边脉冲绕组单独完成去磁过程。续流发电模态三如图7所示，对于电晕击穿、火花放电等脉冲负载或高阻抗特性负载(负载往往随机开路)，脉冲绕组无输出电流，则会导致副边脉冲绕组反电势大于折算后的v
bus
，此时原边绕组续流钳位，原边绕组单独完成发电去磁过程。励磁绕组中大部分能量回馈至原边励磁电源，此时与传统开关磁阻发电机的工作状态一样。
29.以三相12/8结构的双绕组结构双反激开关磁阻脉冲发电机为例，利用maxwell软
件对脉冲不同负载情况下每相的励磁电流与脉冲输出电流进行了仿真。仿真中设置励磁电源为30v直流，励磁绕组与脉冲绕组匝数比为1：9，转速恒定为6000rpm，开通角θ
on
为15
°
，脉冲重复频率为每相0.8khz、三相协同供电2.4khz。图8所示为脉冲负载为100ω时导通宽度θ分别为13
°
、14
°
、15
°
时的仿真实验数据，此时绕组能量一部分回馈励磁电源一部分对负载进行供电，系统工作在励磁模态和续流发电模态一；随着导通宽度的增加励磁电流峰值及有效值增大，脉冲电流波形近似于方波，脉宽约为0.39ms，脉冲上升时间约为0.02ms，脉冲电流幅值从2.9a略微上升到3.0a，输出功率由0.3kw上升到0.35kw。图9所示为脉冲负载为200v蓄电池组时导通宽度θ分别为13
°
、14
°
、15
°
时的仿真实验数据，此时原边续流二极管截止，脉冲绕组向负载供电单独完成去磁过程，系统工作在励磁模态和续流发电模态二；随着导通宽度的增加励磁电流峰值及有效值增大，脉冲电流波形由近似方波向尖顶波发展，脉宽从0.47ms增加至0.53ms，脉冲上升时间约为0.02ms，脉冲电流幅值从31.5a上升至57.9a，输出功率由3.6kw上升到6.9kw。脉冲负载为300v蓄电池组时，导通宽度θ为13
°
和14
°
时在负载上无电流输出，图10中所示分别为导通宽度θ为15
°
、16
°
、17
°
时的仿真实验数据，此时副边折算电压大于励磁电压，在发电绕组向负载供电的同时一部分能量回馈至励磁电源，系统工作在励磁模态和续流发电模态一；随着导通宽度的增加励磁电流峰值及有效值显著增大，脉冲电流波形为尖顶波，脉宽从0.30s增加至0.46ms，脉冲上升时间变化较小约为0.20ms，脉冲电流幅值从5.8a上升至27.7a，输出功率由0.4kw上升到2.2kw。脉冲负载断路或脉冲负载随机开路的情况下，负载上无电流输出，励磁绕组向励磁电源回馈电能完成发电过程，系统工作在励磁模态和续流发电模态三。上述脉冲供电参数均可以通过开关磁阻发电机结构设计以及电机运行pwm、apc、ccc等控制进行连续调控，可以满足工业应用中对相应脉冲供电参数的需求。