本发明涉及开关磁阻电机领域，具体涉及一种小功率的半自励结构的简易但多功能的开关磁阻电机变流器及其控制方法。
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。
开关磁阻电机作为风力发电机应用时，相对双馈异步或永磁同步风力发电机，又具有成本低廉可靠性高的优点；作为各行各业电动机或普通发电机运行时，其优良的本体结构和运行特点，也具备相当的优势。
开关磁阻电机一般由多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，各相绕组分时工作；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，必要时中间再引入续流阶段，以便获得满足需求的绕组电流。
开关磁阻发电机的励磁、续流、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。
开关磁阻发电机运行时，现有变流系统，在励磁阶段，励磁电源大多实现了自励模式，这样无需他励模式下频繁更换蓄电池或充电的人工工作，尤其在风电领域，不过很多新型自励电源结构和控制都较为复杂，还需要配备专门的控制器；传统他励模式虽然缺点明显，譬如人工维护、充电或换电池工作量大，但如果能克服此缺点，或延长人工参与的频率，又能发挥他励模式励磁供电稳定的优点，从而对转矩脉动的降低也有帮助，也不失为一种好模式。
当前开关磁阻电机的变流主电路，最典型的为不对称半桥结构的，优点非常明显，在业界获得广泛应用，但该结构的变流主电路，无论作为发电机还是电动机运行，其可控性差，灵活性不足，如果要获得灵活可控的励磁电压或强化电压效果，以及变发电电压等功能，业界往往在不对称半桥结构基础上通过外加电路，来提高其可控性、灵活性，但必然增加了结构、体积、成本、损耗等；并且往往也伴随着磁隔离环节的增加，极大的增加了变流系统的体积重量和成本损耗等。
目前出现的相当多的新型变流主电路不能适应同时有多于一相绕组同时工作的场合，而考虑到电机的综合效率，实际上绝大多数的现有开关磁阻电机的磁极重叠系数都是大于零的，也就是说，根据转子位置信息标准工作时，必然存在多于一相绕组的同时工作工况，尤其是大于或等于四相绕组的开关磁阻电机，多相绕组同时工作，如一相励磁时另一相发电等，则变流器设计中必须考虑到此点，这非常有现实意义。
在开关磁阻电机系统的某些应用领域，譬如汽车发电机、野外无电源地区的发电和电力驱动等等场合，需要根据不同需求，在不同时段分别进行发电和电动运行，那么，一套变流器同时适应发电和电动不同的工况，则势必降低系统成本、减小体积重量，尤其再加之控制模式接近的话，由于控制器无需复杂化，势必具有广泛的前景。
开关磁阻发电机作为变速风力发电机应用时，风电工况复杂，尤其并网或直流微网下运行时，对变流系统的调控能力要求极高，保持输出端发电电压可控，因应特殊工况下灵活可控的励磁电压等等，如果能基于简单的结构和简易的调控来实现，则势必除以上提到的优势外，也能提高变流系统的可靠性。
技术实现要素：
根据以上的背景技术，本发明就提出了一种基于传统不对称半桥结构下改进的简易结构半自励、励磁电压发电电压可调控、同时适应电动和发电运行的开关磁阻电机多功能变流器及其调控方法。
本发明的技术方案为：
一种小功率半自励开关磁阻电机简易多功能变流器，由电容器、蓄电池、第一相绕组主电路、第二相绕组主电路、第三相绕组主电路、第四相绕组主电路组成，其技术特征是，所述电容器与所述蓄电池串联连接，并且电容器负极连接蓄电池正极，所述第一相绕组主电路、所述第二相绕组主电路、所述第三相绕组主电路、所述第四相绕组主电路之间并联连接，并且它们的三个引出端子分别连接电容器正极、蓄电池正极即电容器负极、蓄电池负极；
第一相绕组主电路由第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第一相绕组组成，其技术特征是，所述第一开关管阳极连接电容器正极、所述第二二极管阴极，第一开关管阴极连接所述第一二极管阴极、所述第一相绕组一端，第一二极管阳极连接蓄电池正极即电容器负极，第一相绕组另一端连接所述第二开关管阳极、第二二极管阳极，第二开关管阴极连接蓄电池负极；第二相绕组主电路由第三开关管、第四开关管、第三二极管、第四二极管、第二相绕组组成，第三相绕组主电路由第五开关管、第六开关管、第五二极管、第六二极管、第三相绕组组成，第四相绕组主电路由第七开关管、第八开关管、第七二极管、第八二极管、第四相绕组组成，它们的技术特征是，第二相绕组主电路、第三相绕组主电路、第四相绕组主电路的各自内部结构与第一相绕组主电路内部结构相同，并且第二相绕组主电路、第三相绕组主电路、第四相绕组主电路中的所述第三开关管、所述第五开关管、所述第七开关管对应第一相绕组主电路中的第一开关管，以及所述第四开关管、所述第六开关管、所述第八开关管对应第二开关管，所述第三二极管、所述第五二极管、所述第七二极管对应第一二极管，所述第四二极管、所述第六二极管、所述第八二极管对应第二二极管，所述第二相绕组、所述第三相绕组、所述第四相绕组对应第一相绕组，详细连接关系不再赘述。
本发明的一种小功率半自励开关磁阻电机简易多功能变流器的控制方法为：本发明变流器中所有电力电子开关管的初始状态均为断开状态；所有电力电子开关管的控制均由专门的控制器根据检测信号输出实现；
当开关磁阻电机作为发电机运行时：根据开关磁阻发电机运行原理，结合转子位置信息，当检测到第一相绕组需通电工作时，首先同时闭合导通第一开关管和第二开关管，由电容器和蓄电池共同为第一相绕组供电励磁，在励磁阶段期间，根据开关磁阻发电机电流斩波控制算法的需要，对第一开关管进行斩波调控，其开关占空比最大为1，具体根据前一相绕组工作期间励磁阶段结束时的电流值决定，若前一相绕组工作时，根据转子位置信息在到达励磁阶段必须结束时前一相绕组电流不能达到所需值时，则到本第一相绕组励磁时的第一开关管占空比为1，即与第二开关管一样在整个励磁阶段保持常通，反之当前一相绕组工作期间励磁阶段尚未结束时电流已达所需最大值，则到本第一相绕组励磁时的第一开关管先闭合导通，绕组电流达最大值时关断，后续低于下限值时再闭合导通，如此开关动作，直至第一相绕组励磁阶段结束再同时关断第一开关管和第二开关管；若第一开关管占空比为1，励磁阶段结束时第一相绕组电流仍不能达到所需电流值时，励磁阶段结束时只关断第二开关管，第一开关管保持闭合导通状态，则第一相绕组经第二二极管和第一开关管的闭合回路在无压状态下第一相绕组电流能快速上升，直至在规定的最大角度位置点前达到所需值，或者在规定的最大角度位置点仍不能达到所需值，则都关断第一开关管；然后进入发电阶段，第一相绕组的储能流经第二二极管、第一二极管，向电容器充电并输出电能，直至在电容器两端反向电压作用下第一相绕组发电电流降至零，第一相绕组工作结束；
以上为对输出电压，即电容器两端发电电压不做调控要求下的第一相绕组工作调控方法，当为了因应变速风电工况下，需要降低发电电压时，并且此前励磁阶段第一开关管占空比小于1时，第一开关管在励磁阶段的开关占空比增大；
根据转子位置信息，需要第二相绕组、第三相绕组、第四相绕组投入工作时，它们所在各自主电路的工作控制模式与前述第一相绕组主电路相同，如前所述的各元器件对应关系，在此不再赘述。
当开关磁阻电机作为电动机运行时，根据开关磁阻电动机运行原理，结合转子位置信息，当检测到第一相绕组需通电工作时，首先第二开关管闭合导通，第一开关管按照pwm模式工作，其占空比最大为1，最小为零，具体根据对开关磁阻电动机的转速检测值和给定速度值之间的关系决定，当给定速度大于实际检测速度值时，占空比增加，反之减小，从而实现开关磁阻电动机调速系统的控制；同理，当其他相绕组需通电工作时，根据对对应开关管的相同控制模式进行，在此不再赘述。
本发明的技术效果主要有：
(1)本发明的变流器结构简单，采用不多于传统不对称半桥结构的器件，外加励磁电源仅一个蓄电池，并且没有磁隔离电器，如此就实现了灵活、可控性强的半自励变流器，体积小重量轻、损耗低，可靠性高。
(2)外加的励磁电源虽然仅仅一个蓄电池，但结合输出端电容器的引入励磁，使得作为发电机时能够实现灵活的强化励磁功能，当第一开关管(以第一相绕组主电路为例，下同)pwm开关动作励磁时，相当于一个buck斩波电路，可调节励磁电压；另外，在需要时，也可通过对第一开关管的控制，适当降低电容器两端电压即发电电压，以适应诸如变速发电时最大功率跟踪控制等算法的需要；另外，如上所述，由于绕组所需励磁电能来自于蓄电池加电容器，并且电容器额定时电压及储能远大于蓄电池额定电压和储能，极大的减轻了蓄电池的供电负担，为蓄电池充电或更换蓄电池的频率大大降低，减少了人工参与度。
(3)在发电阶段前绕组电流不足时，通过闭合导通第一开关管，断开第二开关管，使得绕组进入无电压续流状态，从而较快速的增加电流，提高了变流器适应工况宽度。
(4)本发明各个相绕组主电路工作时互不影响，并且无产生环流的影响，所以可适应重叠系数大于零的开关磁阻电机，即同时有两相绕组所在主电路投入工作，典型的状态是一个绕组处于发电阶段，相邻某相绕组处于励磁或续流阶段，从而满足高密度发电需求，并最终对转矩脉动的降低做出一些贡献。
(5)当本发明的变流器为开关磁阻电动机运行服务时，无需增加任何硬件，无需新增加任何检测量和控制量，调控方法类似于开关磁阻发电机的运行控制，从而降低了系统控制复杂度，减小了体积，降低了成本，并且供电电压可以较大范围可调，利用控制器的控制实现灵活调速；另外，作为发电机运行的起动时，自然可先以电动机工况实现自起动，无需外部动力先行输入。
附图说明
图1所示为本发明的一种小功率半自励开关磁阻电机简易多功能变流器结构图。
具体实施方式
本实施例的开关磁阻电机为四相绕组，按分布于定子上的相邻顺序分别为m/n/p/q四相绕组，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，即定子八个凸极，如附图1所示为本实施例四相绕组开关磁阻电机的变流器电路，另外有控制器根据所需检测信息对变流器电路各个开关管实施控制；所有开关管为igbt或电力mosfet或gtr或碳化硅或氮化镓等全控型器件。
本发明一种小功率半自励开关磁阻电机简易多功能变流器，实施例由：电容器c、蓄电池x、第一相绕组主电路1、第二相绕组主电路2、第三相绕组主电路3、第四相绕组主电路4组成，电容器c与蓄电池x串联连接，并且电容器c负极连接蓄电池x正极，第一相绕组主电路1、第二相绕组主电路2、第三相绕组主电路3、第四相绕组主电路4之间并联连接，并且它们的三个引出端子分别连接电容器c正极、蓄电池x正极即电容器c负极、蓄电池x负极；
第一相绕组主电路1由第一开关管v1、第二开关管v2、第一二极管d1、第二二极管d2、第一相绕组m组成，第一开关管v1阳极连接电容器c正极、第二二极管d2阴极，第一开关管v1阴极连接第一二极管d1阴极、第一相绕组m一端，第一二极管d1阳极连接蓄电池x正极即电容器c负极，第一相绕组m另一端连接第二开关管v2阳极、第二二极管d2阳极，第二开关管v2阴极连接蓄电池x负极；第二相绕组主电路2由第三开关管v3、第四开关管v4、第三二极管d3、第四二极管d4、第二相绕组n组成，第三相绕组主电路3由第五开关管v5、第六开关管v6、第五二极管d5、第六二极管d6、第三相绕组p组成，第四相绕组主电路4由第七开关管v7、第八开关管v8、第七二极管d7、第八二极管d8、第四相绕组q组成，第二相绕组主电路2、第三相绕组主电路3、第四相绕组主电路4的各自内部结构与第一相绕组主电路1内部结构相同，并且第二相绕组主电路2、第三相绕组主电路3、第四相绕组主电路4中的第三开关管v3、第五开关管v5、第七开关管v7对应第一相绕组主电路1中的第一开关管v1，以及第四开关管v4、第六开关管v6、第八开关管v8对应第二开关管v2，第三二极管d3、第五二极管d5、第七二极管d7对应第一二极管d1，第四二极管d4、第六二极管d6、第八二极管d8对应第二二极管d2，第二相绕组n、第三相绕组p、第四相绕组q对应第一相绕组m，详细连接关系不再赘述。
本实施例的电容器c值较大，并需满足额定状态时其两端电压值明显大于蓄电池x的额定电压值。
本实施例的一种小功率半自励开关磁阻电机简易多功能变流器的控制方法为：本实施例变流器中所有电力电子开关管的初始状态均为断开状态；所有电力电子开关管的控制均由专门的控制器根据检测信号输出实现；
当本实施例的开关磁阻电机作为发电机运行时：根据开关磁阻发电机运行原理，结合转子位置信息，当检测到第一相绕组m需通电工作时，首先同时闭合导通第一开关管v1和第二开关管v2，由电容器c和蓄电池x共同为第一相绕组m供电励磁，回路为：x-c-v1-m-v2-x，第一二极管d1和第二二极管d2反偏置截止，在励磁阶段期间，根据开关磁阻发电机电流斩波控制算法的需要，对第一开关管v1进行斩波调控，其开关占空比最大为1，最小为零，具体根据前一相绕组工作期间励磁阶段结束时的电流值决定，若前一相绕组工作时，根据转子位置信息在到达励磁阶段必须结束时前一相绕组电流不能达到所需值时，则到本第一相绕组m励磁时的第一开关管占空比为1，即与第二开关管v2一样在整个励磁阶段保持常通，反之当前一相绕组工作期间励磁阶段尚未结束时电流已达所需最大值，则到本第一相绕组m励磁时的第一开关管先闭合导通，绕组电流达最大值时关断，后续低于下限值时再闭合导通，如此开关动作，直至第一相绕组m励磁阶段结束再同时关断第一开关管v1和第二开关管v2；若第一开关管占空比为1，励磁阶段结束时第一相绕组m电流仍不能达到所需电流值时，励磁阶段结束时只关断第二开关管v2，第一开关管v1保持闭合导通状态，则第一相绕组m经第二二极管d2和第一开关管v1的闭合回路在无压状态下第一相绕组m电流能快速上升，直至在规定的最大角度位置点前达到所需值，或者在规定的最大角度位置点仍不能达到所需值，则都关断第一开关管v1；然后进入发电阶段，第一相绕组m的储能流经第二二极管d2、第一二极管d1，向电容器c充电并输出电能，直至在电容器c两端反向电压作用下第一相绕组m发电电流降至零，第一相绕组m工作才结束；
以上为对输出电压，即电容器c两端发电电压不做调控要求下的第一相绕组m工作调控方法，当为了因应变速风电工况下最大功率点跟踪控制，或最大效率控制的需要(根据开关磁阻电机数学模型，当电机速度变化，运动电动势随即变化，而运动电动势与发电电压平衡时，发电机组发电效率最大，所以有必要在变速发电场合下可以调节发电电压)，需要降低发电电压时，并且此前励磁阶段第一开关管v1占空比小于1时(否则系统面临发电停机的危险)，第一开关管v1在励磁阶段的开关占空比增大以满足要求；
根据转子位置信息，需要第二相绕组n、第三相绕组p、第四相绕组q投入工作时，它们所在各自主电路的工作控制模式与前述第一相绕组主电路1相同，如前所述的各元器件对应关系，在此不再赘述。
当开关磁阻电机作为电动机运行时，根据开关磁阻电动机运行原理，结合转子位置信息，当检测到第一相绕组m需通电工作时，首先第二开关管v2闭合导通，第一开关管v1按照pwm模式工作，其占空比最大为1，最小为零，具体根据对开关磁阻电动机的转速检测值和给定速度值之间的关系决定，当给定速度大于实际检测速度值时，占空比增加，反之减小，从而实现开关磁阻电动机调速系统的控制；同理，当其他相绕组需通电工作时，根据对对应开关管的相同控制模式进行，在此不再赘述。
当开关磁阻电机作为发电机起动时，其运行控制与作为电动机相同，并当电容器c两端电压高于最低限制值并高于蓄电池x额定电压时，再转入发电机运行控制状态。
需要说明的是，由于本发明各个相绕组主电路结构相同，工作时它们之间互不干扰，独立工作，所以本发明仅需要简单的加减相绕组主电路数量及配合以转子位置信息进行相同的控制，即可完成对非四相绕组的开关磁阻电机的变流器设计及运行控制，所以针对其他相数开关磁阻电机也是本发明的保护范围应毫无疑问。