一种开关磁阻电机变流器系统的制作方法

本发明涉及开关磁阻电机系统领域，具体涉及一种多功能小功率开关磁阻电机变流器系统及其控制方法。

背景技术：

开关磁阻电机结构简单坚固，制造成本低廉，转子上无绕组、无永磁体，可靠性高，其中一相绕组不工作不影响其他相绕组的正常工作，容错性强，具有广阔的应用前景。

开关磁阻电机理论上即可以作为电动机使用，也可以作为发电机使用；作为发电机时，由于近年来直流输电日益受到电力部门的重视，局域的直流电网在部分地方已初具雏形，也由此衍生了越来越多的负载设备直接采用直流电源供电，而开关磁阻发电机就直接输出直流电。

开关磁阻电机一般由3-5个相绕组置于定子上，根据定转子之间凸极和凹槽的相对位置决定具体通电的相绕组；作为发电机工作时，每相绕组工作时一般分为励磁和发电两大阶段，励磁阶段为电机相绕组吸收外来励磁电源的电能储存磁能，后续根据转子相对定子位置结束励磁阶段进入发电阶段，相绕组中储存的磁能转化为电能输出，必要时，在变流器结构配合下可在励磁和发电阶段中间添加一个无压续流阶段以快速提高绕组电流。

开关磁阻发电机的励磁、发电都要围绕连接其绕组的变流电路的运行控制实现，没有绕组变流电路，开关磁阻发电机自然没有任何意义；而开关磁阻电动机也是需要根据转子实时位置调控不同相绕组通电励磁工作，所以对变流器同样不可或缺；目前在某些采用开关磁阻电机的发电/电动四象限混合系统中，其电动运行变流器与发电运行变流器常常是分开的，各自采用各自的变流系统，势必增加了变流系统的结构复杂度和控制复杂度，也增加了成本，高可靠性的、一体化的开关磁阻发电机/电动机变流系统是业界所需要的。

开关磁阻电机作为发电机运行时，现有变流系统，在励磁阶段，励磁电源大多实现了自励模式，不过很多新型自励电源结构较为复杂，需要配备专门的励磁变流电路系统，以及单独的控制系统，也增加了系统的控制复杂度。

在实际中，开关磁阻发电机发出的直流电压往往需要较高电压值，除后续采取一定措施升压之外，开关磁阻电机变流器本身输出端直流电压如果过低，势必也增加后续升压的压力，甚至需要几级升压，增大了系统损耗。

在中小型的开关磁阻电机领域，为了提高其系统的适应性，希望其输出电压可灵活根据输出端的需要或变化可以方便的调节，即变发电电压的能力，这点能力同时也非常有利于开关磁阻发电机系统的最大功率输出跟踪控制，因为根据开关磁阻发电机理论，如果发电机转速受外界输入动力影响而变速，则其运动电动势将改变，如果此时发电电压跟随改变，从而实现发电电压与运动电动势的平衡，则发电阶段绕组电流波形相对平稳，不但有利于提高其发电输出能力，而且利于降低开关磁阻发电机的转矩脉动。

技术实现要素：

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种电容自励磁、可扩展性强、模块化、高输出电压、控制灵活、可变发电电压、发电/电动四象限运行的单一变流器的小功率开关磁阻电机系统及其控制方法。

本发明的技术方案为：

一种开关磁阻电机变流器系统，由第一电容器、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、第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组组成，其技术特征是，所述第一电容器正极与所述第二电容器负极连接，并与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连接，第二电容器正极与所述第一二极管阴极、所述第四二极管阴极、所述第七二极管阴极连接，第一电容器负极与所述第二开关管阴极、所述第三二极管阳极、所述第四开关管阴极、所述第六二极管阳极、所述第六开关管阴极、所述第九二极管阳极连接，第一二极管阳极与所述第二二极管阴极、所述第三电容器正极连接，第一开关管阴极与第二二极管阳极、所述第一相绕组一端、第三二极管阴极连接，第一相绕组另一端与第三电容器负极、第二开关管阳极连接，第四二极管阳极与所述第五二极管阴极、所述第四电容器正极连接，第三开关管阴极与第五二极管阳极、所述第二相绕组一端、第六二极管阴极连接，第二相绕组另一端与第四电容器负极、第四开关管阳极连接，第七二极管阳极与所述第八二极管阴极、所述第五电容器正极连接，第五开关管阴极与第八二极管阳极、所述第三相绕组一端、第九二极管阴极连接，第三相绕组另一端与第五电容器负极、第六开关管阳极连接。

本发明一种开关磁阻电机变流器系统的控制方法为：

当作为开关磁阻发电机运行时，根据开关磁阻发电机运行原理，当第一相绕组需通电工作时，按如下三步骤控制运行：

(1)控制第一开关管和第二开关管同时闭合导通，第一电容器的储能作为励磁电源向第一相绕组供电励磁，同时也向第三电容器充电；

(2)根据开关磁阻发电机转子位置信息，以上第(1)步励磁阶段需结束时，又分为a、b两种工作模式：

a.励磁阶段需结束时检测到的第一相绕组电流不能达到所需值，关断第一开关管，第二开关管保持导通，进入第一相绕组的续流阶段，待第一相绕组电流在规定的转子角度位置前达到所需值时，关断第二开关管，续流阶段结束，但在规定的转子角度最大位置时第一相绕组电流仍不能达到所需值时，仍然关断第二开关管，结束续流阶段后进入发电阶段；

b.励磁阶段需结束时检测到的第一相绕组电流已达到所需值，关断第一开关管和第二开关管，直接进入发电阶段；

(3)发电阶段分为c、d两种工作模式：

c.保持第一开关管和第二开关管断开状态，第一相绕组和第三电容器的储能经由第三二极管、第一二极管发电输出给第一电容器和第二电容器并输出；

d.保持第二开关管断开状态，闭合导通第一开关管，第一相绕组和第三电容器的储能经由第一二极管、第一开关管发电输出给第二电容器并输出；

当需要增加输出端发电电压即第一电容器和第二电容器串联支路的两端电压时，第(3)步骤即发电阶段的工作模式保持d模式；反之当需要减小发电电压时，保持c模式；但是，当第一电容器的储能即两端电压低于设定的最小值时，发电阶段工作模式只能为c模式；

当作为开关磁阻电动机运行时，根据开关磁阻电动机运行原理，当第一相绕组需通电工作时，按如下二步骤控制运行：

(1)同时控制第一开关管和第二开关管闭合导通；

(2)根据转子位置信息需结束该相绕组通电时，同时断开第一开关管和第二开关管；

以上为第一相绕组需工作时的开关磁阻发电机和电动机工作控制步骤，根据转子位置信息，当第二相绕组、第三相绕组需工作时，工作控制步骤与第一相绕组相同，具体第二相绕组和第三相绕组所在变流电路所用各元器件与如上第一相绕组所用元器件的对应关系为：第三开关管和第五开关管对应第一开关管，第四开关管和第六开关管对应第二开关管，第四电容器和第五电容器对应第三电容器，第四二极管和第七二极管对应第一二极管，第五二极管和第八二极管对应第二二极管，第六二极管和第九二极管对应第三二极管。

本发明的技术效果主要有：

(1)本发明的变流器结构，励磁电源仅来自于第一电容器，并且可以在发电阶段实现自充电，不但结构大大简化降低了硬件和控制成本，而且智能化程度高减少了人工成本。

(2)本发明变流器结构，每一相绕组有一套变流模块，所以可扩展性强，适应各种奇偶相数的开关磁阻电机(最少主开关型仅适应偶数相的开关磁阻电机)。

(3)变流电路中第三电容器、第四电容器、第五电容器相关回路的配置，增强了对输出端发电电压控制的灵活性，辅助实现变发电电压控制这一业界的难题；同时，在一定条件下，实现输出发电电压的进一步增大，以适应后续直流负载或并网端对直流电压的较高值的要求。

(4)发电阶段，第一开关管的开关及占空比控制，因应不同负载及其变化、或输入动力变化、第一电容器储能变化等因素，灵活调节，增强了整个系统的适应性、灵活性、可靠性、故障穿越能力等；同时对发电电压的调节，利于最大功率输出跟踪、降低转矩脉动等开关磁阻电机届的重大问题。

(5)同一套变流器结构，同时可实现开关磁阻电机作为电动机电动运行的承载控制，可四象限运行调控，也具备能量再生能力。

附图说明

图1所示为本发明的开关磁阻电机变流器系统结构图。

具体实施方式

本实施例的开关磁阻电机为三相绕组，按分布于定子上的顺序分别为M/N/P三相绕组，每相绕组由两个支绕组组成并且对称绕制在不同的定子凸极上，即定子六个凸极，如附图1所示为本实施例三相绕组开关磁阻电机的主变流电路。

开关磁阻电机变流器系统，由第一电容器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、第一相绕组M、第二相绕组N、第三相绕组P组成，第一电容器C1正极与第二电容器C2负极连接，并与第一开关管V1阳极、第三开关管V3阳极、第五开关管V5阳极连接，第二电容器C2正极与第一二极管D1阴极、第四二极管D4阴极、第七二极管D7阴极连接，第一电容器C1负极与第二开关管V2阴极、第三二极管D3阳极、第四开关管V4阴极、第六二极管D6阳极、第六开关管V6阴极、第九二极管D9阳极连接，第一二极管D1阳极与第二二极管D2阴极、第三电容器C3正极连接，第一开关管V1阴极与第二二极管D2阳极、第一相绕组M一端、第三二极管D3阴极连接，第一相绕组M另一端与第三电容器C3负极、第二开关管V2阳极连接，第四二极管D4阳极与第五二极管D5阴极、第四电容器C4正极连接，第三开关管V3阴极与第五二极管D5阳极、第二相绕组N一端、第六二极管D6阴极连接，第二相绕组N另一端与第四电容器C4负极、第四开关管V4阳极连接，第七二极管D7阳极与第八二极管D8阴极、第五电容器C5正极连接，第五开关管V5阴极与第八二极管D8阳极、第三相绕组P一端、第九二极管D9阴极连接，第三相绕组P另一端与第五电容器C5负极、第六开关管V6阳极连接。

本实施例的三相开关磁阻电机变流器系统的控制方法为：

当作为开关磁阻发电机运行时，根据开关磁阻发电机运行原理，当第一相绕组M需通电工作时，按如下三步骤控制运行：

(1)控制第一开关管V1和第二开关管V2同时闭合导通，第一电容器C1作为励磁电源第一开关管V1和第二开关管V2向第一相绕组M供电励磁，同时也经由第二二极管D2向第三电容器C3充电，第一二极管D1和第三二极管D3反偏置截止；

(2)根据开关磁阻发电机转子位置信息，以上第(1)步励磁阶段需结束时，又分为a、b两种工作模式，分别为：

a.励磁阶段需结束时检测到的第一相绕组M电流不能达到所需值，关断第一开关管V1，第二开关管V2保持导通，进入第一相绕组M的续流阶段，即第一相绕组M-第二开关管V2-第三二极管D3的自闭合回路，由于此时第一相绕组M两端电压为零，其绕组电流将快速上升，待第一相绕组M电流在规定的转子角度位置前达到所需值时，关断第二开关管V2，续流阶段结束；但在规定的转子角度最大位置时第一相绕组M电流仍不能达到所需值时，仍然关断第二开关管V2，结束续流阶段后进入发电阶段；

b.励磁阶段需结束时检测到的第一相绕组M电流已达到所需值，关断第一开关管V1和第二开关管V2，直接进入发电阶段，不存在a工作模式；

(3)发电阶段分为c、d两种工作模式：

c.保持第一开关管V1和第二开关管V2断开状态，第一相绕组M和第三电容器C3的储能经由第三二极管D3、第一二极管D1发电输出给第一电容器C1和第二电容器C2并输出，第二二极管反偏置截止，输出端电压即第一电容器C1两端加第二电容器C2两端电压之和等于第一相绕组M两端加第三电容器C3两端电压之和；

d.保持第二开关管V2断开状态，闭合导通第一开关管V1，第一相绕组M和第三电容器C3的储能经由第一二极管D1、第一开关管V1发电输出给第二电容器C2并输出，第二二极管反偏置截止，此时第一相绕组M两端加第三电容器C3两端电压之和等于第二电容器C2两端电压，相对来说，本模式下获得的输出端发电电压要大于c模式下的输出电压；

当需要增加输出端发电电压即第一电容器C1和第二电容器C2串联支路的两端电压时，第(3)步骤即发电阶段的工作模式保持d模式，反之当需要减小发电电压时，保持c模式，从而，可通过对在发电阶段第一开关管V1开关占空比的调节，实现对发电电压的调节；但是，当第一电容器C1的储能即两端电压低于设定的最小值时，发电阶段工作模式只能为c模式，因为第一电容器C1作为励磁电源不能过低，另外，必要时，当需要较大励磁电压(强化励磁的需要)时，往往也维持在c模式下的发电阶段；还有，根据开关磁阻发电机理论，如果发电机转速变化，从而第一相绕组M的运动电动势变化，为了维持发电电压与运动电动势的平衡以促进相绕组电流的平稳及较低的转矩脉动和较大输出电能的需要，也需要适时调整c/d两模式的工作比例；总之，本实施例的变流器结构及控制模式都能完全满足系统的多方面需要。

当作为开关磁阻电动机运行时，根据开关磁阻电动机运行原理，当第一相绕组M需通电工作时，按如下二步骤控制运行：

(1)同时控制第一开关管V1和第二开关管V2闭合导通，第一二极管D1和第三二极管D3反偏置截止，第三电容器C3虽然经由第二二极管D2被充电，但也是由于第二二极管D2的作用，其不会与第一相绕组M产生谐振；

(2)根据转子位置信息需结束第一相绕组M通电时，同时断开第一开关管V1和第二开关管V2，第一相绕组M中的储能经由第一二极管D1、第三二极管D3反馈给电源再生，第三电容器C3与之串联反馈，实现储能的再生利用；

本实施例电动运行时，若为长期电动运行，第一电容器C1两端并联连接蓄电池或其他直流电源保障。

以上为第一相绕组M需工作时的开关磁阻发电机和电动机工作控制步骤，根据转子位置信息，当第二相绕组N、第三相绕组P需工作时，工作控制步骤与第一相绕组M相同，具体第二相绕组N和第三相绕组P所在变流电路所用各元器件与如上第一相绕组M所用元器件的对应关系为：第三开关管V3和第五开关管V5对应第一开关管V1，第四开关管V4和第六开关管V6对应第二开关管V2，第四电容器C4和第五电容器C5对应第三电容器C3，第四二极管D4和第七二极管D7对应第一二极管D1，第五二极管D5和第八二极管D8对应第二二极管D2，第六二极管D6和第九二极管D9对应第三二极管D3。

由本发明结构及实施例可见，当开关磁阻电机为非三相绕组结构时，其变流器电路仅仅面临的是增加或减少相应相绕组变流支路的问题，该模块化的结构理论上适应所有相数开关磁阻电机，并且发电/电动四象限运行。