一种双凸极发电机全桥可控发电系统及其控制方法
【专利摘要】本发明公开一种双凸极发电机全桥可控发电系统，包括原动机、双凸极发电机、整流功率电路和发电机控制器，原动机拖动双凸极发电机旋转，双凸极发电机的励磁电流由发电机控制器控制其大小与通断；双凸极发电机各相绕组的一端以星形连接构成绕组中点，各相绕组的另一端均引出，分别与补偿电容串联后，连接整流功率电路的输入端，整流功率电路的输出端经由滤波电容连接负载，为负载供电。此种发电系统可增加电机的输出功率，降低电压调整率，并使得对相电流的控制更加快速灵活。本发明还公开一种双凸极发电机全桥可控发电系统的控制方法。
【专利说明】
一种双凸极发电机全桥可控发电系统及其控制方法
技术领域
[0001]本发明属于特种发电系统，特别涉及一种双凸极电机可控整流发电系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]双凸极电机是一种典型的变磁阻电机，其定、转子均为凸极结构，使得磁阻最大值和最小值的比值最大，具有良好的机电能量转换特性。双凸极电机结构工艺简单，转子上不存在绕组，电机运行稳定可靠。双凸极电机根据励磁方式可以分为永磁双凸极电机、电励磁双凸极电机与混合励磁双凸极电机。电励磁双凸极电机通过调节励磁电流改变气隙磁场，其配合整流拓扑与调压控制器所组成的发电系统，可用于无刷直流发电场合。目前整流拓扑常采用全桥不控整流拓扑，双凸极电机的相绕组做星形连接后与二极管整流拓扑直接相连。调压控制器通过对励磁电流的调节实现宽范围的调压，且具有故障时快速灭磁的保护功能。然而，由于不控整流拓扑不能对相电流、电枢反应等进行控制，导致电机功率密度较低，仅对励磁电流进行控制无法提升输出功率;励磁绕组通常电感较大，变励磁调压的响应时间较长;并且变励磁调压的发电系统并不适用于永磁双凸极电机。
[0003]可控整流技术能在不改变双凸极电机本体结构的前提下进一步提高输出功率。在不控整流拓扑的基础上，增加可控的功率开关管器件，采取合适的控制策略与控制方式可以提升发电输出功率，并且通过变电枢电流调节输出电压。然而，全桥可控整流的外特性相对较软，电压调整率较大;对于相绕组匝数多、电枢电感大的双凸极电机，相绕组的感抗使得全桥可控整流对于发电机功率的提升较为有限，且不利于对电枢电流的快速有效控制。
【发明内容】
[0004]本发明的目的，在于提供一种双凸极发电机全桥可控发电系统及其控制方法，其可增加电机的输出功率，降低电压调整率，并使得对相电流的控制更加快速灵活。
[0005]为了达成上述目的，本发明的解决方案是:
[0006]—种双凸极发电机全桥可控发电系统，包括原动机、双凸极发电机、整流功率电路和发电机控制器，其中，原动机拖动双凸极发电机旋转，所述双凸极发电机的励磁电流由发电机控制器控制其大小与通断;所述双凸极发电机各相绕组的一端以星形连接构成绕组中点，各相绕组的另一端均引出，分别与补偿电容串联后，连接整流功率电路的输入端，所述整流功率电路的输出端经由滤波电容连接负载，为负载供电。
[0007]上述双凸极发电机采用电励磁双凸极发电机、永磁双凸极发电机或混合励磁双凸极发电机。
[0008]上述整流功率电路采用全桥可控整流电路，所述全桥可控整流电路包含有4条相互并联的支路，每条支路都包含有相互串联的上桥臂和下桥臂，上、下桥臂均由功率开关管反并联功率二极管而组成。
[0009]—种双凸极发电机全桥可控发电系统的控制方法，发电机控制器采集编码器转子位置信号、电枢电流、负载输出电压及负载电流信号，采取全控策略一对整流功率电路中的功率开关管进行控制，所述全控策略一是指对感应电势为正与感应电势为负的两相绕组所在桥臂的功率开关管进行控制。
[0010]上述对功率开关管进行控制时，采取的控制方式为角度位置控制方式或脉冲宽度调制控制方式。
[0011]上述具体的控制方案是:发电系统采取角度位置控制方式或脉冲宽度调制控制方式控制功率开关管的通断，根据电机特性与实际工作需要设定电流限制值，发电机控制器实时采样各相电流，当检测到实际电流超过电流限制时关断整流功率电路中正在导通的功率开关管，可以使过大的电枢电流快速回落到设定的限制内。
[0012]采用上述方案后，本发明具有以下特点:
[0013](I)本发明将补偿电容与电机各相绕组串联，与不具有补偿电容的全桥可控发电系统相比，采取合适的控制策略与控制方式时，发电的外特性更硬，电压调整率变小，功率因数提升，最大功率增加，从而在不改变电机本体的基础上通过与其配合的可控整流电路与控制策略进一步提升了双凸极发电机的功率密度；
[0014](2)电机各相绕组串接的电容补偿了电枢绕组的感抗，使得可控发电对电枢电流的控制更加快速、灵活、有效；
[0015](3)相比较于各相绕组间并联补偿电容的方法，全桥可控整流电路串接入补偿电容后，空载建压时电枢电流依然为O，建压过程安全可靠，而且保留了全桥整流的高输出电压；
[0016](4)将电流斩波技术引入可控发电系统，用于限制各相电流的峰值，既减小相电流的有效值，降低了铜损，又保证系统在安全范围内运行；
[0017](5)该发电系统适用于三相、四相及多相的电励磁双凸极直流发电机、混合励磁双凸极直流发电机以及永磁双凸极直流发电机，可应用于风力发电系统等对电机功率密度要求较高的场合。
【附图说明】
[0018]图1是本发明发电系统的结构示意图；
[0019]其中，图1(a)是采用电励磁双凸极发电机的系统结构示意图；图1(b)是采用永磁双凸极发电机的系统结构示意图；图1(c)是采用混合励磁双凸极发电机的系统结构示意图；
[0020]图2是全桥可控整流电路与双凸极发电机的连接拓扑示意图；
[0021]图3是四相双凸极电机各相理想空载电感与反电动势波形示意图；
[0022]图4是工作状态示意图；
[0023]其中，图4(a)是d相反电动势为正、a相反电动势为负时的工作状态示意图；图4(b)是a相反电动势为正、b相反电动势为负时的工作状态示意图；图4(c)是b相反电动势为正、c相反电动势为负时的工作状态示意图；图4(d)是c相反电动势为正、d相反电动势为负时的工作状态示意图；
[0024]图5是a、d两相导通时的等效拓扑不意图。
【具体实施方式】
[0025]以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0026]本发明提供一种双凸极发电机全桥可控发电系统，包括原动机、双凸极发电机、整流功率电路和发电机控制器，其中，原动机拖动双凸极发电机旋转，所述双凸极发电机的励磁电流由发电机控制器控制其大小与通断;所述双凸极发电机各相绕组的一端以星形连接构成绕组中点，各相绕组的另一端均引出，分别与补偿电容串联后，连接整流功率电路的输入端，所述整流功率电路的输出端经由滤波电容连接负载，为负载供电。
[0027]其中，双凸极发电机可采用电励磁双凸极发电机、永磁双凸极发电机或混合励磁双凸极发电机，可分别参考图1(a)、图1(b)、图1(c)，其中，La、Lb、U、Ld分别代表双凸极发电机8、13、(3、(1相的电枢绕组电感，点0为绕组星形连接构成的中点，6￡1、61)、6。、6(]分别代表双凸极发电机a、b、c、d相的反电动势，Ca、Cb、Cc；、Cd分别代表双凸极发电机a、b、c、d相绕组串联的补偿电容，Uf代表励磁电压，U。代表输出电压，C。代表滤波电容。
[0028]以电励磁双凸极发电机为例，整流功率电路采用全桥可控整流电路，电励磁双凸极电机由原动机拖动旋转，其励磁电流由发电机控制器控制其大小与通断。各相电枢绕组呈星形接法，双凸极电机各相绕组的一端做星形连接构成绕组中点O点，各相绕组的另一端引出，分别与补偿电容串联后，连接全桥可控整流电路，最后经滤波电容向负载供电。
[0029]所述全桥可控整流电路包含有4条相互并联的支路，每条支路都包含有相互串联的上桥臂和下桥臂，上、下桥臂均由功率开关管反并联功率二极管而组成，配合图2所示，第一支路由功率开关管Q1、Q4串联连接而成，Q1、Q4分别反并联功率二极管D^D4;第二支路由功率开关管Q3、Q6串联连接而成，Q3、Q6分别反并联功率二极管D3、D6 ；第三支路由功率开关管Q5、Q8串联连接而成，Q5、Q8分别反并联功率二极管D5、D8;第四支路由功率开关管Q7、Q2串联连接而成，07、02分别反并联功率二极管07、02;1?。为负载。
[0030 ]本发明还提供一种双凸极发电机全桥可控发电系统的控制方法，发电机控制器采集编码器转子位置信号、电枢电流、负载输出电压、负载电流等信号，根据图3所示的电机各相电感与反电动势波形采取相应的可控发电策略对各相桥臂上的功率开关管进行控制，其中，ω代表转子旋转的电角度。本发明采取的全桥可控发电策略为全控策略一。所述全控策略一，即对感应电势为正(电感下降)与感应电势为负(电感上升)的两相绕组所在桥臂的功率开关管进行控制。所采取的控制方式，包括角度位置控制方式、脉冲宽度调制控制方式。采取全控策略一时的四相双凸极电机带补偿电容的全桥可控整流拓扑电路工作状态示意图如图4所示。以图4(a)所示d相反电动势为正、a相反电动势为负时为例说明，功率开关管Q1、Q2导通时，电流由滤波电容正端流出，依次流经&、Ca、La、Ld、Cd、Q2，相当于滤波电容对相绕组充电并对负载供电；功率开关管Ql、Q2关断即D4、D7续流时，电流由滤波电容正端流入，依次流经D4、Ca、La、Ld、Cd、D7，相当于相绕组对滤波电容充电并对负载供电。发电机控制器根据采样到的位置信号，对功率开关管的通断进行合理控制，有效控制电枢电流以有效调节输出电压。
[0031 ] a、d两相导通时的等效拓扑如图5所示。回路中可以等效有两个电感串联。相绕组较大的电感会使相电流滞后，抑制可控整流对相电流的提升，导致输出功率提升较小以及不能快速有效控制相电流。利用与电机相绕组串联的电容，补偿绕组自感产生的影响。在采取相同的可控发电策略与转速、负载等条件不变时，由于电容的补偿，可控发电对电枢电流的控制更加快速有效，发电外特性更硬，最大功率值增加，双凸极发电机的功率密度显著提高。串联电容后可能会产生过大的电枢电流。这既带来较大的损耗又为系统的长期稳定运行带来风险。将电流斩波控制方式与角度位置控制方式或脉冲宽度调制控制方式相结合，可以有效限制电枢电流。其实施办法为:发电系统仍采取角度位置控制方式或脉冲宽度调制控制方式控制功率开关管的通断，根据电机特性与实际工作需要设定电流限制值，发电机控制器实时采样各相电流，当检测到实际电流超过电流限制时关断整流功率电路中正在导通的功率开关管，可以使过大的电枢电流快速回落到设定的限制内。
[0032]为达到良好的补偿效果，需要对各相串联补偿电容的容值进行计算。双凸极发电机的电感参数与转子位置、励磁电流、电枢电流等高度关联，通过有限元软件仿真得出相绕组电感的平均值，并且考虑端部电感的影响，以此作为电容容值计算选取的依据，同时结合采用的控制策略与负载电流范围确定容值的大小。根据发电机自身特性与应用场合，可以按照负载电流大小划分出若干负载电流范围。负载电流较大时，需要选取较小的电容，负载电流较小时，需要选取较大的电容。当电机工作转速提高较多时，需要选取较小容值的电容，工作转速下降较多时，需要选取较大容值的电容。在转速不变或变化很小、负载电流的变化不超过某一范围时，电容的容值不需改变。
[0033]综合上述，本发明双凸极发电机全桥可控发电系统，将电容补偿法与全桥可控整流相结合，利用电容对电感性电路功率因数的补偿作用，将若干电容分别与各相绕组串联，进一步改善电机的功率因数，增强可控整流对功率的提升，并且实现对电枢电流更快速有效的控制。
[0034]本发明提供的控制方法，发电机控制器根据所采样的电机转子位置信号、电枢电流信号等，按照可控发电策略产生相应的功率开关管驱动信号，结合电流斩波控制，实现安全相电流范围内的变电枢电流调压。与各相绕组串联的电容补偿了绕组电感的影响，进一步增加了电机的输出功率，降低了电压调整率，并使得对相电流的控制更加快速灵活。
[0035]以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
【主权项】
1.一种双凸极发电机全桥可控发电系统，其特征在于:包括原动机、双凸极发电机、整流功率电路和发电机控制器，其中，原动机拖动双凸极发电机旋转，所述双凸极发电机的励磁电流由发电机控制器控制其大小与通断;所述双凸极发电机各相绕组的一端以星形连接构成绕组中点，各相绕组的另一端均引出，分别与补偿电容串联后，连接整流功率电路的输入端，所述整流功率电路的输出端经由滤波电容连接负载，为负载供电。2.如权利要求1所述的一种双凸极发电机全桥可控发电系统，其特征在于:所述双凸极发电机采用电励磁双凸极发电机、永磁双凸极发电机或混合励磁双凸极发电机。3.如权利要求1所述的一种双凸极发电机全桥可控发电系统，其特征在于:所述整流功率电路采用全桥可控整流电路，所述全桥可控整流电路包含有4条相互并联的支路，每条支路都包含有相互串联的上桥臂和下桥臂，上、下桥臂均由功率开关管反并联功率二极管而组成。4.一种双凸极发电机全桥可控发电系统的控制方法，其特征在于:发电机控制器采集编码器转子位置信号、电枢电流、负载输出电压及负载电流信号，采取全控策略一对整流功率电路中的功率开关管进行控制，所述全控策略一是指对感应电势为正与感应电势为负的两相绕组所在桥臂的功率开关管进行控制。5.如权利要求4所述的一种双凸极发电机全桥可控发电系统的控制方法，其特征在于:所述对功率开关管进行控制时，采取的控制方式为角度位置控制方式或脉冲宽度调制控制方式。6.如权利要求5所述的一种双凸极发电机全桥可控发电系统的控制方法，其特征在于:所述具体的控制方案是:发电系统采取角度位置控制方式或脉冲宽度调制控制方式控制功率开关管的通断，根据电机特性与实际工作需要设定电流限制值，发电机控制器实时采样各相电流，当检测到实际电流超过电流限制时关断整流功率电路中正在导通的功率开关管，可以使过大的电枢电流快速回落到设定的限制内。
【文档编号】H02P9/36GK105846740SQ201610280905
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】赵凯弟, 陈志辉, 王兰凤, 何海翔
【申请人】南京航空航天大学