CN107359782B - 小功率三相交流开关磁阻发电机/电动机变流器 - Google Patents

Abstract

小功率三相交流开关磁阻发电机/电动机变流器，由三个相绕组变流支路、可逆桥式变流电路、电解电容器组成，各相绕组变流支路并联后经可逆桥式变流电路整流输出，作为发电机运行时相绕组变流支路中谐振电容器提供励磁，也可逆向经可逆桥式变流电路逆变后给各相绕组供电作为电动机运行，均可发出或利用交流电工作；整个变流器系统多象限运行，可控性、灵活性强，适用于无电网到达情况下小型开关磁阻电机的综合利用系统中。

Description

小功率三相交流开关磁阻发电机/电动机变流器

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机系统领域，具体涉及一种利用谐振手段自强化励磁交流型开关磁阻发电机以及同时适应电动机运行工况交直流混合型的开关磁阻电机的集成变流器系统及其控制方法。

背景技术

开关磁阻电动机结构简单坚固，转子上无绕组、无永磁体，成本低，具有广阔的应用前景。

一直以来，开关磁阻电机的变流器，要么只能适应开关磁阻发电机工况，要么只能适应开关磁阻电动机运行工况，在同一套变流系统中能同时实现发电/电动工况自由转换运行的先例很少，而在有些应用场合，譬如野外用电场合，急需要靠柴油机拖动发电机发电，有时也需要电动机产生动力拖动负载机械，譬如作为发电机在将蓄电池充满电后，即空闲下来，此时就可以再利用作为电动机使用，那么，发电/电动双用的电机系统就显得有必要；并且，我们知道常规开关磁阻电动机无法自启动及运行，此时完全可以靠连接开关磁阻电机的柴油机或其他动力装置先带动电机转起来，完成电动机工况前的自启动，无需专门的启动动力装置。

虽然开关磁阻电机，不管是为了产生正向转矩的电动机，还是产生负向转矩的发电机，转矩方向与其绕组中电流方向都无关；但是，一直以来，绝大多数的变流装置下开关磁阻发电机都直接发出直流电，作为电动机一般也都是使用直流电源供电；如果同一套电机系统，作为发电机时既能发电输出直流电供给直流负载，也能输出交流电供给交流负载，作为电动机时既能由直流电源供电，也能由交流电源供电，从而可极大的提高开关磁阻电机系统的适应性、灵活性。

目前针对开关磁阻发电机励磁阶段，由于希望励磁阶段时间尽可能短的同时尽可能大的励磁电流，以便为更宽的发电阶段以及更大的发电电流创造条件，从而提高发电输出能力，所以业界有众多的强化励磁的措施出现，如引入Z变换器、升降压斩波电路等等，但这些增加了电路复杂度，并且内部必然有可控开关管，也加大了控制系统的复杂度；简单的结构，尽量少的控制度的能强化励磁的励磁电路是所需要的。

谈到强化励磁，由于多数开关磁阻电机的每相绕组至少都分为两个支路分别绕制在两个不同的相对的定子凸极上，分化后的各个支路如果采用传统串联连接，则各个支路的电压为总励磁电压的几分之一，如果是并联连接则每个支路绕组电压都等于总励磁电压，也能起到强化励磁的效果。

在野外无电源地区，空中、海上等电网不能到达的地区，所需电能要来自于本身系统中的发电装置，所以，面对多样化的交直流电源，以及多样化的交直流负载，可以实现这种多样化功能的开关磁阻电机系统必然有一定的用武之地。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明就提出了只有一台开关磁阻电机，配合一套变流装置，可以实现发电/电动双用，交直流发电输出和适应交直流电源供电电动，快速强化励磁发电，并且相对非常简易结构的多样、灵活可控的开关磁阻电机变流器系统。

本发明的技术方案为：

小功率三相交流开关磁阻发电机/电动机变流器，由第一绕组变流支路、第二绕组变流支路、第三绕组变流支路、可逆桥式变流电路、电解电容器组成，其技术特征是，所述第一绕组变流支路、所述第二绕组变流支路、所述第三绕组变流支路的各自两端口并联连接，并同时连接所述可逆桥式变流电路内端口两端，可逆桥式变流电路外端口两端并联所述电解电容器；

第一绕组变流支路和第二绕组变流支路、第三绕组变流支路的电路结构相同，各自内部均由第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、谐振电容器、一相绕组的两个支绕组组成，其中所述第一开关管和所述第二开关管反并联连接，所述第三开关管和所述第四开关管反并联连接，两组反并联连接的开关管再串联，同时与所述谐振电容器串联；谐振电容器一端与并联连接的一相绕组的两个支绕组一端连接，同时连接可逆桥式变流电路的内端口一端，可逆桥式变流电路内端口另一端连接第三开关管和第四开关管反并联后的一端，第三开关管和第四开关管反并联后的另一端连接一相绕组的两个支绕组的另一端，同时连接第一开关管和第二开关管反并联连接后的一端，第一开关管和第二开关管反并联后另一端连接谐振电容器另一端，可逆桥式变流电路外端口两端连接电解电容器两端并与外部负载或直流电源连接，其中电解电容器正负极与可逆桥式变流电路外端口正负极一一对应。

本发明的小功率三相交流开关磁阻发电机/电动机变流器的控制方法为：

第一绕组变流支路、第二绕组变流支路、第三绕组变流支路分别控制开关磁阻电机的定子三相绕组的通断，根据开关磁阻电机转子位置情况控制相应绕组变流支路中的相绕组工作，不需要工作的相绕组，则其所在的绕组变流支路中的全部开关管都处于关断状态；

(1)开关磁阻电机作为发电机工况时；

当本发明的开关磁阻电机处于发电机运行时，外部动力带动开关磁阻电机转子以恒速旋转，根据开关磁阻发电机转子实时位置信息，某时刻确定某相绕组变流支路需工作时，首先进入该相绕组的励磁阶段，根据谐振电容器两端电动势方向确定第一开关管或者第二开关管闭合导通，谐振电容器向该相绕组供电励磁，同时第四开关管或第三开关管闭合导通向可逆桥式变流电路供电整流后输出，即根据谐振电容器两端电动势方向，确定第一开关管和第四开关管同时闭合导通，或者第二开关管与第三开关管同时闭合导通；

励磁阶段结束后进入发电阶段，原导通的两个开关管均先断开，根据该相绕组储存磁能后释放的电流方向，第一开关管和第三开关管闭合导通，或者第二开关管和第四开关管闭合导通，即该相绕组储存的磁能一边向谐振电容器供电，一边通过可逆桥式变流电路整流后输出；

待以上发电阶段结束，即该相绕组所在绕组变流支路停止工作即根据转子位置信息该相绕组变流支路中全部开关管断开，下一相绕组所在绕组变流支路工作与以上控制过程相同；

将可逆桥式变流电路1内端口两端引出去，经滤波装置后可供交流负载所需；

(2)开关磁阻电机作为电动机工况时；

电解电容器两侧作为直流电源供电侧，可逆桥式变流电路反向供电即作为逆变电路工作；根据开关磁阻电机转子位置信息，确定某相绕组所在绕组变流支路需工作时，该相绕组所在绕组变流支路的第三开关管或第四开关管闭合导通，具体根据可逆桥式变流电路逆变后的电压电流方向确定第三开关管还是第四开关管闭合导通，待根据转子位置信息以上原闭合导通的第三开关管或第四开关管关断后，根据关断前最后时刻该相绕组电流方向，闭合第一开关管或者第二开关管，使得该相绕组中储存的磁能向谐振电容器转移，但是，必须遵循的原则是：当第一次是闭合的第一开关管或者第二开关管后，后续依旧根据需要闭合该开关管，另一个开关管始终为断开状态；

通过调节可逆桥式变流电路中逆向可控开关管的开关角，可控制其输出即提供给各相绕组的电能大小，从而控制开关磁阻电动机的运行速度、转矩；当使用外部单相交流电源，把可逆桥式变流电路的内端口两端作为外部单相交流电源的输入端点给各相绕组供电时，可逆桥式变流电路不工作，通过交替控制第三开关管和第四开关管的开关角度，调节供给相绕组的有效电流值，从而控制开关磁阻电动机的运行速度、转矩。

本发明的技术效果主要有：

(1)本发明的开关磁阻电机作为发电机运行时，无需专门的励磁电源(相对他励型)以及专门的自励励磁电路(相对大多数自励型)，仅仅利用谐振电容器实现，结构非常简单；

(2)利用谐振手段，电流上升快、大，可相对缩短励磁阶段时间，即起到强化励磁效果，提高发电输出能力；

(3)把每相绕组分为两个支路，分布于相对的定子凸极上，并联连接后，更容易实现快速励磁；

(4)同一套开关磁阻发电机变流器系统，根据需要，可以控制作为发电机运行，也可以作为电动机运行，适应了某些领域既需要发电机也需要电动机分时工作的场合，降低了成本，提高了适应性；

(5)由于开关磁阻电机转矩方向与绕组电流方向无关，所以，无论哪个方向电流，即无论是直流电还是交流电，均能使开关磁阻电动机运行；通过本发明的结构，作为发电机运行时也能产生输出交流电能；都极大的提高了本发明的适应性；也就是说，直流发电机、直流电动机、交流发电机、交流电动机四者集于一身；

(6)本发明可控性强，电动机工况，可以通过调节相应开关管的开关角度，实现对开关磁阻电机的速度及转矩调节；发电机工况时，同样可通过调节相应开关管开关角度实现输出的调节；

(7)在电动机工况时，相绕组供电被关断后，部分多余电能经由开关管泄放给谐振电容器，以备后续利用，不但节能，而且对相绕组起到保护作用，也利于发电机工况时起动过程。

附图说明

图1所示为本发明的小功率三相交流开关磁阻发电机/电动机变流器结构图。

具体实施方式

如附图1所示为本发明的小功率三相交流开关磁阻发电机/电动机变流器结构图，由第一绕组变流支路、第二绕组变流支路、第三绕组变流支路、可逆桥式变流电路1、电解电容器C4组成，第一绕组变流支路、第二绕组变流支路、第三绕组变流支路的各自两端口并联连接，并同时连接可逆桥式变流电路1内端口两端，可逆桥式变流电路1外端口两端并联电解电容器C4；

第一绕组变流支路和第二绕组变流支路、第三绕组变流支路的电路结构相同，各自内部均由第一开关管V1/V3/V5、第二开关管V2/V4/V6、第三开关管V7/V10/V12、第四开关管V8/V9/V11、谐振电容器C1/C2/C3、一相绕组的两个支绕组M(M1/M2)/N(N1/N2)/P(P1/P2)组成，其中第一开关管V1/V3/V5和第二开关管V2/V4/V6反并联连接，第三开关管V7/V10/V12和第四开关管V8/V9/V11反并联连接，两组反并联连接的开关管再串联，同时与谐振电容器C1/C2/C3串联；谐振电容器C1/C2/C3一端与并联连接的一相绕组M/N/P的两个支绕组M1M2/N1N2/P1P2一端连接，同时连接可逆桥式变流电路1的内端口一端，可逆桥式变流电路1内端口另一端连接第三开关管V7/V10/V12和第四开关管V8/V9/V11反并联后的一端，第三开关管V7/V10/V12和第四开关管V8/V9/V11反并联后的另一端连接一相绕组M/N/P的两个支绕组M1M2/N1N2/P1P2的另一端，同时连接第一开关管V1/V3/V5和第二开关管V2/V4/V6反并联连接后的一端，第一开关管V1/V3/V5和第二开关管V2/V4/V6反并联后另一端连接谐振电容器C1/C2/C3另一端，可逆桥式变流电路1外端口两端连接电解电容器C4两端并与外部负载或直流电源连接，其中电解电容器C4正负极与可逆桥式变流电路1外端口正负极一一对应。

开关磁阻电机在作为发电机工况运行时，各相绕组的工作分为励磁阶段和发电阶段两大阶段，具体工作控制过程为：

谐振电容器C1/C2/C3相当于励磁电源，根据转子位置信息，当需要M相绕组工作时，第一绕组变流支路工作，首先需要向M相绕组的第一支绕组M1和第二支绕组M2供电励磁，第一开关管V1或第二开关管V2闭合导通，具体根据检测到的谐振电容器C1两端的极性确定第一开关管V1还是第二开关管V2闭合导通，从而形成C1-V2-M1和M2-C1，或者C1-M1和M2-V1-C1的励磁回路，相应的此前要闭合第二开关管V2或者第一开关管V1，同时，也会形成C1-V2-V7-可逆桥式变流电路1-C1，或者C1-可逆桥式变流电路1-V8-V1-C1的回路，也就是兼顾向外部负载供电，相应的此前要闭合第七开关管V7或者第八开关管V8；

励磁阶段结束即第一电容器C1向M相绕组(等效电感L)振荡完成后，进入发电阶段，此阶段中M相绕组储存的磁能向第一电容器C1振荡释放同时经由可逆桥式变流电路1向外输出，根据极性，振荡回路为M1和M2-C1-V2-M1和M2，或者M1和M2-V1-C1-M1和M2，此前要闭合第二开关管V2或者第一开关管V1，发电输出回路为M1和M2-V7-可逆桥式变流电路1-M1和M2，或者M1和M2-可逆桥式变流电路1-V8-M1和M2，此前要闭合第七开关管V7或者第八开关管V8；

设已知的开关磁阻发电机转速为n，转子极数为Nr，M相绕组等效电感为L，则谐振频率f需为：

即谐振频率为开关磁阻发电机的相绕组工作交变频率，根据ω＝2πf，当谐振电容器C1与M相绕组之间完全谐振，则需：

式中C为谐振电容器容量；实际中式(2)要根据运行工况，并非一定严格成立，可通过调节谐振电容器C1电容量C大小或负载大小或第一开关管V1/V3/V5及第二开关管V2/V4/V6、第三开关管V7/V10/V12、第四开关管V8/V9/V11的开关角，以利于灵活控制的需要。

以上为第一绕组变流支路工作时的过程，根据转子位置，当其他即第二绕组变流支路或第三绕组变流支路工作时，控制过程相同。

可逆桥式变流电路1的内端口向外端口方向输出时，可逆桥式变流电路1做为桥式二极管不控整流电路结构工作，当中的可控开关管全部关断，经电解电容器C4滤波后可供直流负载使用；

当存在交流负载时，从可逆桥式变流电路1的内端口两端引出去，经过滤波装置后供交流负载所需。

开关磁阻电机在作为电动机工况运行时的工作控制过程为：

电解电容器C4端有直流电源或其本身作为直流电源，经由可逆桥式变流电路1逆向工作，当中的开关管为可控开关管IGBT或MOSFET，逆向工作输出交流电的电压电流等可通过对可控开关管IGBT的占空比调节实现；

根据转子位置信息，当需要M相绕组通电工作时，根据可逆桥式变流电路1反向逆变后的极性，确定是第三开关管V7/V10/V12闭合还是第四开关管V8/V9/V11闭合，从而形成可逆桥式变流电路1-M1和M2-V7-可逆桥式变流电路1，或者可逆桥式变流电路1-V8-M1和M2-可逆桥式变流电路1回路的向M相绕组供电的电流，进而产生正向转矩拖动转子运行，待根据转子位置信息到达需关断时刻时，则原闭合的第七开关管V7或第八开关管V8关断，然后根据M相绕组在最后第七开关管V7或第八开关管V8关断前电流方向，闭合导通第一开关管V1或者第二开关管V2给M相绕组续流，相当于M相绕组中的多余磁能转移到谐振电容器C1中，但是，必须遵循一个原则，即如果第一次是闭合导通第一开关管V1实现M相绕组多余磁能转移到谐振电容器C1中的话，后续第二开关管V2始终关断，仅第一开关管V1根据需要闭合导通，从而避免谐振电容器C1接收到的电能出现互相抵消的情况；由于谐振电容器C1仅需吸收单方向的储能，所以，相应的，每相绕组均并联有单独的泄放电路，以泄放另一方向储能，保护各相绕组；

其他相绕组工作控制过程与以上M相绕组相同。

通过调节可逆桥式变流电路1中逆向可控开关管的开关角，可控制其输出即提供给各相绕组的电能大小，从而控制开关磁阻电动机的运行速度、转矩；当使用外部单相交流电源，把可逆桥式变流电路1的内端口两端作为外部单相交流电源的输入端点给各相绕组供电时，可逆桥式变流电路1不工作，通过交替控制第三开关管V7/V10/V12和第四开关管V8/V9/V11的各自开关角度，可调节供给相绕组的有效电流值，从而控制开关磁阻电动机的运行速度、转矩。

Claims (2)

1.小功率三相交流开关磁阻发电机/电动机变流器，由第一绕组变流支路、第二绕组变流支路、第三绕组变流支路、可逆桥式变流电路、电解电容器组成，其技术特征是，所述第一绕组变流支路、所述第二绕组变流支路、所述第三绕组变流支路的各自两端口中相同端口互相连接，并同时连接所述可逆桥式变流电路内端口两端，可逆桥式变流电路外端口两端并联所述电解电容器；

第一绕组变流支路和第二绕组变流支路、第三绕组变流支路的电路结构相同，各自内部均由第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、谐振电容器、一相绕组的两个支绕组组成，其中所述第一开关管和所述第二开关管反并联连接，所述第三开关管和所述第四开关管反并联连接，两组反并联连接的开关管再串联，同时与所述谐振电容器串联；谐振电容器一端与并联连接的一相绕组的两个支绕组一端连接，同时连接可逆桥式变流电路的内端口一端，可逆桥式变流电路内端口另一端连接第三开关管和第四开关管反并联后的一端，第三开关管和第四开关管反并联后的另一端连接一相绕组的两个支绕组的另一端，同时连接第一开关管和第二开关管反并联连接后的一端，第一开关管和第二开关管反并联后另一端连接谐振电容器另一端，可逆桥式变流电路外端口两端连接电解电容器两端，其中电解电容器正负极与可逆桥式变流电路外端口正负极一一对应。

2.根据权利要求1所述的小功率三相交流开关磁阻发电机/电动机变流器，其技术特征是，所述的小功率三相交流开关磁阻发电机/电动机变流器的控制方法为：

第一绕组变流支路、第二绕组变流支路、第三绕组变流支路分别控制开关磁阻电机的定子三相绕组的通断，根据开关磁阻电机转子位置情况控制相应绕组变流支路中的相绕组工作，不需要工作的相绕组，则其所在的绕组变流支路中的全部开关管都处于关断状态；

(1)开关磁阻电机作为发电机工况时：

当本发明的开关磁阻电机处于发电机运行时，外部动力带动开关磁阻电机转子以恒速旋转，根据开关磁阻发电机转子实时位置信息，某时刻确定某相绕组变流支路需工作时，首先进入该相绕组的励磁阶段，根据谐振电容器两端电动势方向确定第一开关管或者第二开关管闭合导通，谐振电容器向该相绕组供电励磁，同时第四开关管或第三开关管闭合导通向可逆桥式变流电路供电整流后输出，即根据谐振电容器两端电动势方向，确定第一开关管和第四开关管同时闭合导通，或者第二开关管与第三开关管同时闭合导通；

励磁阶段结束后进入发电阶段，原导通的两个开关管均先断开，根据该相绕组储存磁能后释放的电流方向，第一开关管和第三开关管闭合导通，或者第二开关管和第四开关管闭合导通，即该相绕组储存的磁能一边向谐振电容器供电，一边通过可逆桥式变流电路整流后输出；

待以上发电阶段结束，即该相绕组所在绕组变流支路停止工作即根据转子位置信息该相绕组变流支路中全部开关管断开，下一相绕组所在绕组变流支路工作时，与以上绕组变流支路发电机工况时运行控制过程相同；

将可逆桥式变流电路内端口两端引出去，经滤波装置后可供交流负载所需；

(2)开关磁阻电机作为电动机工况时：

电解电容器两侧作为直流电源供电侧，可逆桥式变流电路反向供电即作为逆变电路工作；根据开关磁阻电机转子位置信息，确定某相绕组所在绕组变流支路需工作时，该相绕组所在绕组变流支路的第三开关管或第四开关管闭合导通，具体根据可逆桥式变流电路逆变后的电压电流方向确定第三开关管还是第四开关管闭合导通，根据转子位置信息，闭合导通的第三开关管或第四开关管关断后，根据关断前最后时刻该相绕组电流方向，闭合第一开关管或者第二开关管，使得该相绕组中储存的磁能向谐振电容器转移，但是，必须遵循的原则是：当第一次是闭合的第一开关管或者第二开关管后，后续依旧根据需要闭合该开关管，另一个开关管始终为断开状态；

通过调节可逆桥式变流电路中逆向可控开关管的开关角，可控制其输出即提供给各相绕组的电能大小，从而控制开关磁阻电动机的运行速度、转矩；当使用外部单相交流电源，把可逆桥式变流电路的内端口两端作为外部单相交流电源的输入端点给各相绕组供电时，可逆桥式变流电路不工作，通过交替控制第三开关管和第四开关管的开关角度，调节供给相绕组的有效电流值，从而控制开关磁阻电动机的运行速度、转矩。