本发明涉及开关磁阻电机领域，具体涉及一种低脉动自励型开关磁阻发电机的变流器电路拓扑系统及其控制方法。
背景技术：
开关磁阻电机是一种结构简单、坚固、容错性强、低成本的电机品种；开关磁阻发电机是一种在风力发电、柴油机组发电、汽车发电机等领域应用的新兴的发电机；
开关磁阻发电机的变换器系统是其工作中的核心部件；
常规的开关磁阻发电机功率变换器即发电主电路结构为不对称半桥式结构，该结构所需开关器件多，如果开发更少开关器件的发电主电路，简化结构降低成本，而性能上又不缺失，则必有意义；
开关磁阻电机的转矩脉动问题一直是困扰开关磁阻电机应用领域的瓶颈问题之一，转矩脉动的根源之一来自于绕组电流的脉动过大，如何降低工作中绕组电流的脉动率，是业界重要研究方向之一；
任何发电系统的最大化发电输出能力一直是重要课题，开关磁阻发电机也不例外，譬如风电领域，为了减小安装成本，希望体积重量尽量小，还譬如汽车领域，希望其发电机系统体积重量也一定要小，总之是需要更高的功率密度，这一定是非常有意义的事情；
开关磁阻发电机的电能输出后，在很多领域中，需要接升压装置以提高直接发出的电压值，然后再行接应用系统，如果该升压装置能与开关磁阻发电机的输出端变换器系统合成，一箭双雕，则简化了结构，降低了成本，也势必有意义；
在开关磁阻发电机的励磁模式中，传统自励式和他励式都存在各自明显的确定，自励式电流波动大，他励式需频繁更换他励蓄电池，如果能克服如上各自缺点，又利用它们的优点，同时扩展励磁电压为一个变量，则势必提高性能，并增加可控性、灵活性。
技术实现要素：
根据以上的背景技术，本发明就提出一种结构简单、多用途交错变换升压降脉动、灵活自励的开关磁阻发电机变换器及其控制方法。
本发明的技术方案为：
低脉动自励开关磁阻发电机交错变换器，由发电主电路、起励电源、发电电容器、交错变换主电路、母线电容器、励磁主电路组成，其特征是，所述发电主电路输入两端连接所述起励电源输出两端，发电主电路输出两端连接所述发电电容器两端并连接所述交错变换主电路输入两端，交错变换主电路输出两端连接所述母线电容器两端并连接所述励磁主电路输入两端，励磁主电路输出两端连接起励电源输入两端；
开关磁阻发电机为四相绕组；
发电主电路由两个发电支路并联连接组成，每个发电支路中连接两个不相邻的相绕组，具体由第一开关管、第二开关管、第三开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一相绕组、第二相绕组组成，其特征是，所述第一相绕组和所述第二相绕组在开关磁阻发电机定子上不相邻，相隔，所述第一开关管阳极作为发电主电路输入正极端，第一开关管阴极与所述第三二极管阴极、第一相绕组一端、第二相绕组一端连接，第一相绕组另一端与所述第二开关管阳极、所述第一二极管阳极连接，第一二极管阴极与所述第二二极管阴极连接并作为发电主电路输出正极端，第二相绕组另一端与第二二极管阳极、所述第三开关管阳极连接，第二开关管阴极、第三二极管阳极、第三开关管阴极短接并作为发电主电路输入和输出共同的负极端；
起励电源由蓄电池和起励二极管组成，其特征是，所述蓄电池正极连接所述起励二极管阳极，起励二极管阴极和蓄电池负极分别作为起励电源的输入正负极端，同时也是输出正负极端；
发电电容器正负极两端分别连接发电主电路输出正负极两端，同时也分别连接交错变换主电路输入正负极两端；
交错变换主电路由两个交错变换支路并联连接组成，每个交错变换支路由第一电感、第二电感、第三电感、第四开关管、第五开关管、三绕组变压器、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管组成，其特征是，所述第一电感一端作为交错变换主电路输入正极端，第一电感另一端连接所述第二电感一端、所述第三电感一端、所述三绕组变压器的第一绕组一端和第二绕组一端，该三绕组变压器的第一绕组一端和第二绕组一端极性相反，第二电感另一端与所述第四开关管阳极、三绕组变压器的第一绕组另一端连接，第三电感另一端与所述第五开关管阳极、三绕组变压器的第二绕组另一端连接，第四开关管阴极和第五开关管阴极短接并作为交错变换主电路输入负极端，三绕组变压器的第一绕组和第二绕组作为该三绕组变压器的一次侧，三绕组变压器的二次侧由其第三绕组组成，三绕组变压器的第三绕组一端连接所述第四二极管阳极和所述第五二极管阴极，三绕组变压器的第三绕组另一端连接所述第六二极管阳极和所述第七二极管阴极，第四二极管阴极和第六二极管阴极短接并作为交错变换主电路输出正极端连接母线电容器正极端以及励磁主电路输入正极端，第五二极管阳极和第七二极管阳极短接并作为交错变换主电路输出负极端连接母线电容器负极端以及励磁主电路输入负极端；
励磁主电路由第六开关管、第七开关管、第八二极管、第九二极管、第四电感、电容器组成，其特征是，所述第六开关管阳极作为励磁主电路输入正极端，第六开关管阴极连接所述第八二极管阴极和所述第四电感一端，第四电感另一端连接所述第七开关管阳极和所述第九二极管阳极，第九二极管阴极连接所述电容器正极并作为励磁主电路输出正极端，第八二极管阳极、第七开关管阴极、电容器负极短接并作为励磁主电路输入和输出负极端。
低脉动自励开关磁阻发电机交错变换器的开关控制方法，其特征是，
根据四相开关磁阻发电机的工作原理，每相绕组工作中分为励磁阶段和发电阶段两大阶段，当一相绕组处于励磁阶段时，其相邻一相绕组处于发电阶段，所以每个发电支路中连接的两相绕组不是相邻的，确保任何瞬时每个发电支路中只有一相绕组处于工作中；
开关磁阻发电机起动时，根据开关磁阻发电机转子位置信息，当一个发电支路的第一相绕组需通电励磁时，闭合第一开关管和第二开关管，如果是第二相绕组需励磁则闭合第一开关管和第三开关管，蓄电池经由起励二极管向需励磁的第一相绕组或第二相绕组供电励磁，此为励磁阶段；根据转子位置信息待该励磁阶段结束时，断开此前闭合的第一开关管和第二开关管，或者第一开关管和第三开关管，此前第一相绕组励磁的话，其储存的磁能经由第一二极管和第三二极管输出，第二相绕组励磁的话，其储存的磁能经由第二二极管和第三二极管输出，此为发电阶段，在此期间检测到位于另一个发电支路中的与处在发电阶段的前发电支路的第一相绕组或第二相绕组相邻的相绕组需进入励磁阶段时，在此发电支路重复前述发电支路中励磁阶段的开关管控制方式，随后的发电阶段也相同；
开关磁阻发电机起动开始后，发电电容器两端电压逐渐升高，达到交错变换主电路对输入端电压的要求后，交错变换主电路开始工作，其两个并联连接的交错变换支路中两个第四开关管，即第一个第四开关管和第二个第四开关管，两个第五开关管，即第一个第五开关管和第二个第五开关管，这四个开关管的工作模式为：
该四个开关管工作中开关占空比同步变化，始终相同，并且占空比始终大于0.5，并小于1；
每个交错变换支路中的第四开关管和第五开关管的交错关系为：第四开关管前半周期与第五开关管后半周期按时间先后顺序开关状态相同，第四开关管后半周期与第五开关管前半周期按时间先后顺序开关状态相同；
不同交错变换支路中的两个第四开关管的交错关系为：第一个第四开关管前半周期与第二个第四开关管后半周期，以及第一个第四开关管后半周期与第二个第四开关管前半周按时间顺序均交错后，两个第四开关管的各自前后半周期内，再将各自半周期内前后的1/4周期按时间顺序交换交错；不同交错变换支路中的两个第五开关管的交错关系与两个第四开关管交错关系相同；
通过调节第四开关管和第五开关管相同的占空比大小，改变交错变换主电路输出电压大小；
待母线电容器两端电压即母线电压达到励磁主电路输入端电压要求值以上后，励磁主电路开始工作，当励磁主电路输出电压高于蓄电池两端电压时，起励电源停止工作，即由励磁主电路作为开关磁阻发电机各相绕组励磁阶段的电源，励磁电压的大小根据对母线电容器输出端负载需要通过对其第六开关管和第七开关管调节实现，具体分为两种工作模式：
模式一，第七开关管保持关断状态，调节第六开关管的占空比，占空比小于1并且大于0时，可改变励磁主电路的输出电压值小于输入电压值，并随占空比变化而变化，占空比等于1时励磁主电路输出电压值和输入电压值相等；
模式二，第六开关管保持闭合导通状态，调节第七开关管的占空比小于1并且大于0，可改变励磁主电路的输出电压值大于输入电压值，并随占空比变化而变化；
当起动结束，即励磁主电路作为励磁电源提供励磁后，发电主电路工作中，检测到励磁阶段结束进入发电阶段前的绕组电流不能达到所需要求时，此时仅关断第一开关管，如果是第一相绕组，则第一相绕组经由第二开关管和第三二极管续流，此为续流阶段，待电流快速上升到所需值后，关断第二开关管，如果到续流阶段对应最大转子位置后电流仍未达到所需值仍关断第二开关管，进入发电阶段；如果是第二相绕组则是经由第三开关管和第三二极管续流，电流达到所需值或到达续流最大位置后关断第三开关管进入发电阶段。
本发明的技术效果主要有：
本发明的发电主电路结构下，(1)相对传统不对称半桥式结构，减少了2个开关管和2个二极管用量，节省了成本；(2)结构简单了但性能不减，也可以根据系统需要而增加无反压的续流阶段，快速提升绕组电流；(3)针对四相开关磁阻发电机，本发明的发电主电路结构，在一相绕组励磁、相邻一相绕组发电时，二者互不干扰。
本发明的交错变换主电路结构及其开关控制方法下，(1)使得发电主电路输出电流脉动率降低了50％，尤其针对大中型的开关磁阻发电机，绕组电流脉动率的降低，减小了开关磁阻发电机传动系的压力，同样的机组系统下，可适应更大的额定机械承载能力，提高了发电能力；(2)电流脉动率的降低，也势必抬高了额定电流，提高了系统效率；(3)交错变换主电路输出电压高于输入电压，同时起到了升压dc/dc变换器的作用，省却了部分领域专门的dc/dc变换器；(4)交错变换主电路在一定范围内可以调节输出电压值大小，提高了本发明的适应面；(5)交错变换主电路的两个交错变换支路并联的连接方式，可适应相对低压大电流的负载场合。
本发明的励磁主电路，(1)可实现升降母线电压作为励磁电压，范围宽、适应面广；(2)由于交错变换主电路中包含隔离环节，本发明的励磁主电路可以无需隔离环节，简化了结构。
附图说明
图1所示为本发明的低脉动自励开关磁阻发电机交错变换器电路结构图。
图2所示为本发明中的交错变换主电路开关交错及输入电流波形图。
图1中：1、发电主电路，2、起励电源，3、交错变换主电路，4、励磁主电路。
具体实施方式
低脉动自励开关磁阻发电机交错变换器，由发电主电路1、起励电源2、发电电容器cs、交错变换主电路3、母线电容器cm、励磁主电路4组成，发电主电路1输入两端连接起励电源2输出两端，发电主电路1输出两端连接发电电容器cs两端并连接交错变换主电路3输入两端，交错变换主电路3输出两端连接母线电容器cm两端并连接励磁主电路4输入两端，励磁主电路4输出两端连接起励电源2输入两端，如附图1所示；
开关磁阻发电机为四相绕组；
发电主电路1由两个发电支路并联连接组成，每个发电支路中连接两个不相邻的相绕组，具体由第一开关管v1/v4、第二开关管v2/v5、第三开关管v3/v6、第一二极管d1/d4、第二二极管d2/d5、第三二极管d3/d6、第一相绕组a/b、第二相绕c/d组成，一个发电支路中连接相隔的第一相绕组a和第二相绕组c，另一个发电支路中连接相隔的第一相绕组b和第二相绕组d，开关磁阻发电机的四相绕组按a-b-c-d-a的顺序分布于定子上，发电支路具体连接关系为，第一开关管v1/v4阳极作为发电主电路1输入正极端，第一开关管v1/v4阴极与第三二极管d3/d6阴极、第一相绕组a/b一端、第二相绕组c/d一端连接，第一相绕组a/b另一端与第二开关管v2/v5阳极、第一二极管d1/d4阳极连接，第一二极管d1/d4阴极与第二二极管d2/d5阴极连接并作为发电主电路1输出正极端，第二相绕组c/d另一端与第二二极管d2/d5阳极、第三开关管v3/v6阳极连接，第二开关管v2/v5阴极、第三二极管d3/d6阳极、第三开关管v3/v6阴极短接并作为发电主电路1输入和输出共同的负极端；两个发电支路中对应的全部元件的规格型号完全相同；
起励电源2由蓄电池x和起励二极管dq组成，蓄电池x正极连接起励二极管dq阳极，起励二极管dq阴极和蓄电池x负极分别作为起励电源2的输入正负极端，同时也是输出正负极端；
发电电容器cs正负极两端分别连接发电主电路1输出正负极两端，同时也分别连接交错变换主电路3输入正负极两端；
交错变换主电路3由两个交错变换支路并联连接组成，每个交错变换支路由第一电感l1/l4、第二电感l2/l5、第三电感l3/l6、第四开关管v7/v9、第五开关管v8/v10、三绕组变压器t1/t2、第四二极管d7/d11、第五二极管d8/d12、第六二极管d9/d13、第七二极管d10/d14组成，第一电感l1/l4一端作为交错变换主电路3输入正极端，第一电感l1/l4另一端连接第二电感l2/l5一端、第三电感l3/l6一端、三绕组变压器t1/t2的第一绕组a一端和第二绕组b一端，该三绕组变压器t1/t2的第一绕组a一端和第二绕组b一端极性相反，第二电感l2/l5另一端与第四开关管v7/v9阳极、三绕组变压器t1/t2的第一绕组a另一端连接，第三电感l3/l6另一端与第五开关管v8/v10阳极、三绕组变压器t1/t2的第二绕组b另一端连接，第四开关管v7/v9阴极和第五开关管v8/v10阴极短接并作为交错变换主电路3输入负极端，三绕组变压器t1/t2的第一绕组a和第二绕组b作为该三绕组变压器t1/t2的一次侧，三绕组变压器t1/t2的二次侧由其第三绕组c构成，三绕组变压器t1/t2的第三绕组c一端连接第四二极管d7/d11阳极和第五二极管d8/d12阴极，三绕组变压器t1/t2的第三绕组c另一端连接第六二极管d9/d13阳极和第七二极管d10/d14阴极，第四二极管d7/d11阴极和第六二极管d9/d13阴极短接并作为交错变换主电路3输出正极端连接母线电容器cm正极端以及励磁主电路4输入正极端，第五二极管d8/d12阳极和第七二极管d10/d14阳极短接并作为交错变换主电路3输出负极端连接母线电容器cm负极端以及励磁主电路4输入负极端；两个交错变换支路中对应的全部元件规格型号完全相同；三绕组变压器t1/t2的第一绕组a和第二绕组b匝数相等；
励磁主电路4由第六开关管v11、第七开关管v12、第八二极管d15、第九二极管d16、第四电感l7、电容器c组成，第六开关管v11阳极作为励磁主电路4输入正极端，第六开关管v11阴极连接第八二极管d15阴极和第四电感l7一端，第四电感l7另一端连接第七开关管v12阳极和第九二极管d16阳极，第九二极管d16阴极连接电容器c正极并作为励磁主电路4输出正极端，第八二极管d15阳极、第七开关管v12阴极、电容器c负极短接并作为励磁主电路4输入和输出负极端。
本发明实施例的低脉动自励开关磁阻发电机交错变换器的开关控制方法，根据四相开关磁阻发电机的工作原理，每相绕组工作中分为励磁阶段和发电阶段两大阶段，当一相绕组处于励磁阶段时，其相邻一相绕组处于发电阶段，所以每个发电支路中连接的两相绕组不是相邻的，确保任何瞬时每个发电支路中只有一相绕组处于工作中，否则本发明的发电主电路1一发电支路将无法满足要求，事实上根据已有四相开关磁阻发电机，其重叠系数在设计中，基本要满足一相绕组励磁，相邻一相绕组发电的要求，本发明就基于此常见四相开关磁阻发电机；
开关磁阻发电机起动时，根据开关磁阻发电机转子位置信息，当一个发电支路的第一相绕组a或b需通电励磁时，假设为第一相绕组a，则闭合第一开关管v1和第二开关管v2，如果是该发电支路的第二相绕组c需励磁则闭合第一开关管v1和第三开关管v3，蓄电池x经由起励二极管dq向需励磁的第一相绕组a或第二相绕组c供电励磁，励磁电流路径为：x-dq-v1-a-v2-x，或者x-dq-v1-c-v3-x，此为励磁阶段；
根据转子位置信息待以上励磁阶段结束时，断开此前闭合的第一开关管v1和第二开关管v2，或者第一开关管v1和第三开关管v3，此前第一相绕组a励磁的话，其储存的磁能经由第一二极管d1和第三二极管d3输出，路径为：a-d1-cs-d3-a，第二相绕组c励磁的话，其储存的磁能经由第二二极管d2和第三二极管d3输出，路径为：c-d2-cs-d3-c，此为发电阶段，在此期间检测到位于另一个发电支路中的与处在发电阶段的前发电支路的第一相绕组a或第二相绕组c相邻的相绕组b或d需进入励磁阶段时，在此发电支路重复前述发电支路中励磁阶段的开关管控制方式，随后的发电阶段也相同；
开关磁阻发电机起动开始后，发电电容器cs两端电压逐渐升高，达到交错变换主电路3对输入端电压的要求后，交错变换主电路3开始工作，本实施例的蓄电池x额定电压uxn小于额定发电电压即发电电容器cs两端电压ucsn，ucsn又小于额定母线电压ucmn(根据后续公式(1)及其要求实现)，交错变换主电路3的两个并联连接的交错变换支路中两个第四开关管v7/v9，即v7和v9，两个第五开关管v8/v10，即v8和v10，这四个开关管的工作模式为：
该四个开关管工作中开关占空比同步变化，始终相同，并且占空比d要求始终大于0.5，并小于1；
参见附图2所示v7、v8、v9、v10四个开关管开关交错变换关系，周期为t，每个交错变换支路中的第四开关管v7/v9和第五开关管v8/v10的交错关系，即v7和v8之间的交错，v9和v10之间的交错，均遵循：第四开关管v7/v9前半周期与第五开关管v8/v10后半周期按时间先后顺序开关状态相同，第四开关管v7/v9后半周期与第五开关管v8/v10前半周期按时间先后顺序开关状态相同；
不同交错变换支路中的两个第四开关管的交错关系，即v7和v9之间：v7前半周期与v9后半周期，以及v7后半周期与v9前半周按时间顺序均交错后，v7和v9的各自前后半周期内，再将各自半周期内前后的1/4周期按时间顺序交换交错；不同交错变换支路中的两个第五开关管v8和v10的交错关系与v7和v9之间交错关系相同；
通过调节占空比d的大小，可改变交错变换主电路3输出电压大小，根据本实施例附图1电路结构，给出交错变换主电路3输出母线电压ucm与输入端电压ucs之间的关系为：
ucm＝n·ucs/(2-2d)(1)
式(1)中，n为三绕组变压器t1/t2第三绕组c的匝数与其第一绕组a即第二绕组b匝数之比，n＞1；因为又要求d＞0.5，从而该交错变换主电路3实现dc/dc升压作用；
附图2也给出了交错变换主电路3中两个交错变换支路的各自输入端电流即il1和il4的电流波形，分别代表电感l1和l4所在的交错变换支路输入电流，这两个电流，按照本发明实施例的交错开关模式工作后，其合成的电流即交错变换主电路3输入电流，也是发电主电路1即开关磁阻发电机绕组输出电流is，is的电流脉动率相对il1和il4降低了50％；
待母线电容器cm两端电压即母线电压ucm达到励磁主电路4输入端电压要求值以上后，励磁主电路4开始工作，当励磁主电路4输出电压高于蓄电池x两端电压时，由于起励二极管dq的作用，起励电源2停止工作，即由励磁主电路4作为开关磁阻发电机各相绕组励磁阶段的电源，励磁电压的大小根据对母线电容器cm输出端负载需要通过对其第六开关管v11和第七开关管v12调节实现，具体分为两种工作模式：
模式一，当不需要增强励磁以提高开关磁阻发电机的电能输出能力时，采用此模式，第七开关管v12保持关断状态，调节第六开关管v11的占空比，占空比小于1并且大于0时，可改变励磁主电路4的输出电压值小于输入电压值，并随占空比变化而变化，具体为：第六开关管v11闭合导通时，励磁主电路4的输入电流经v11-l7-d16输出提供励磁，第六开关管v11断开时，由于第四电感l7前期的储能，经d15-l7-d16输出提供励磁；当第六开关管v11的开关占空比等于1时，励磁主电路4输出电压值和输入电压值相等；
模式二，当需要通过增强励磁以提高开关磁阻发电机的电能输出能力时，采用此模式，第六开关管v11保持闭合导通状态，调节第七开关管v12的占空比小于1并且大于0，可改变励磁主电路的输出电压值大于输入电压值，并随占空比变化而变化，具体为：当第七开关管v12闭合导通时，励磁主电路4输入的电流经第六开关管v11和第七开关管v12向第四电感l7充电，同时电容器c中电能向发电主电路1提供励磁，当第七开关管v12断开时，第四电感l7的储能和励磁主电路4的输入电流共同经由v11-l7-d16输出提供励磁，同时向电容器c充电；
当起动结束，即如上励磁主电路4作为励磁电源提供励磁后，发电主电路1工作中，检测到励磁阶段结束进入发电阶段前的绕组电流不能达到所需要求时，此时仅关断第一开关管v1/v4，如果是第一相绕组a/b，则第一相绕组a/b经由第二开关管v2/v5和第三二极管d3/d6续流，此为续流阶段，由于此时相绕组无任何反向电压作用，电流将快速上升，待电流上升到所需值后，关断第二开关管v2/v5，如果到续流阶段对应最大转子位置后电流仍未达到所需值仍关断第二开关管v2/v5，进入发电阶段；如果是第二相绕组c/d则是经由第三开关管v3/v6和第三二极管d3/d6续流，电流达到所需值或到达续流最大位置后关断第三开关管v3/v6进入发电阶段。