阅读说明：本技术 自励变励磁电压变发电电压的多变量开关磁阻发电机变流系统 (Multivariable switch reluctance generator current transformation system capable of self-exciting to change excitation voltage to generate voltage ) 是由 孙冠群 张琳涵 邬舒宁 于 2019-10-17 设计创作，主要内容包括：自励变励磁电压变发电电压的多变量开关磁阻发电机变流系统,由七个开关管、三相绕组、五个二极管、四个电容器、两个电感、隔离器组成,第一开关管、第二开关管、第三开关管分别控制三相绕组的工作,其余开关管按照PWM模式并基于一定的约束条件下,直接实现了高发电电压的输出和低励磁电压输出,关键是一套变流系统解决了对励磁电压和发电电压的可调性,使之成为整个发电系统有益的变量,基于此复合性能下,变流系统结构和控制简易,开关管电压应力低；适合于各类动力驱动下各类开关磁阻发电机系统领域应用。(A multivariable switched reluctance generator current transformation system for self-excitation to change excitation voltage to generate voltage is composed of seven switching tubes, a three-phase winding, five diodes, four capacitors, two inductors and an isolator, wherein the first switching tube, the second switching tube and the third switching tube respectively control the three-phase winding to work, and the other switching tubes directly realize the output of high generation voltage and the output of low excitation voltage according to a PWM mode and based on a certain constraint condition; the method is suitable for application in the field of various switched reluctance generator systems under various power drives.)

自励变励磁电压变发电电压的多变量开关磁阻发电机变流 系统

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机系统领域，具体涉及一种自励磁、降励磁并兼顾强励磁、变励磁电压、抬升发电电压、变发电电压，并且开关管低电压应力的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法。

背景技术

开关磁阻电机结构及其简单，成本低，可靠性高，容错性强，越来越受到业界重视。

开关磁阻发电机相对传统发电机，具有一定成本优势，但其变流控制系统要求较高。

开关磁阻发电机运行中，各相绕组分时根据定转子之间相对位置关系投入工作，并且每相绕组工作时一般又分为励磁和发电两大阶段，并分时进行，励磁阶段由外部电源提供电能，一般有单独他励电源供电的他励模式和利用自身发电电能励磁的自励模式，为了兼顾他励模式和自励模式的优点，使得解耦型自励模式成为发展趋势之一，因为这样在励磁时不会对发电输出侧造成较大干扰。

常规的开关磁阻发电机运行中，为了实现更大功率即更多电能的输出，以及因应系统其它需要，常常采用相绕组开关角调节和励磁电流斩波控制两种调控方式，在开关磁阻发电机系统发展中，该两类调控模式越来越显得捉襟见肘，急需开发其它调控变量，可变的励磁电压控制应运而生，因为变励磁电压势必兼顾了业界也非常在意的强化励磁功能，不过，采用常规的相绕组变流回路时，由于开关磁阻发电机相绕组及其运行特性，相绕组放电输出时的输出电压往往会大于前一阶段的励磁电压，也就是说，如果采用自励解耦模式励磁，必须要降压基础上再考虑变励磁电压励磁，这类模式目前非常少见，要么需要在变励磁之前先增加一个降压装置，势必增加了成本和结构的复杂性，降低了可靠性。

根据开关磁阻发电机数学模型，开关磁阻发电机运行中，其运动电动势和发电电压之间的关系，决定着进入相绕组发电阶段后相绕组电流的走势，如果相电流上升则势必使得发电输出电能增加，反之则减少，也就是说，直接关乎发电效率和效益问题，这是大问题，但在某些领域或工况下，运动电动势受其他因素制约无法随意调节，因为这也直接和开关磁阻发电机转速相关，这是最大功率输出控制中的大问题，而对于发电电压，目前往往是很难控制和改变的，但是，如果发电电压能够调节改变，根据系统运行中的工况，不改变运动电动势，而调节发电电压，势必一样起到不改变发电电压时而改变运动电动势的相同功效；另一方面，其实在整个发电领域，当然包括开关磁阻发电机发电领域，往往其直接发出的电能电压，即发电电压过低，不能满足负载侧或并网的需要，进而需要增加单独的升压装置，如果在开关磁阻发电机变流系统中，变流过程中直接升高发电电压，则势必有较大的意义，再结合如前所述可变发电电压的需求，从而为可变的高发电电压输出需求发展带来了很大的综合驱动意义。

当然，基于越大的发电电压需求，对于电力电子开关管也提出了挑战，关键是所需开关管的电压应力问题，如果过大，则势必带来一些问题。

实现越多的性能，往往带来越复杂的结构和越繁琐的控制，势必又降低可靠性，提高了成本，性价比如何，也是问题，所以，越多性能基础上的简易结构和控制势必是发展趋势。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种自励磁和发电中直接升高发电电压输出同时又输出降压的可强励的励磁电压，尤其过程中可对发电电压和励磁电压调节，进而为系统带来两个可调变量的结构简易的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法，各开关管电压应力低，控制简便，适用于各类动力输入下的开关磁阻发电机系统领域。

本发明的技术方案为：

自励变励磁电压变发电电压的多变量开关磁阻发电机变流系统，其特征是，包括：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、第七开关管、第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组、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、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第一电感、第二电感、隔离器，所述第一开关管阴极连接所述第一相绕组一端、所述第一二极管阴极，所述第二开关管阴极连接所述第二相绕组一端、所述第二二极管阴极，所述第三开关管阴极连接所述第三相绕组一端、所述第三二极管阴极，第一开关管阳极连接第二开关管阳极、第三开关管阳极、所述隔离器输出正极端，第一相绕组另一端连接第二相绕组另一端、第三相绕组另一端、隔离器输出负极端、所述第一电容器一端、所述第一电感一端，第一二极管阳极连接第二二极管阳极、第三二极管阳极、第一电容器另一端、所述第五二极管阴极、所述第七开关管阴极，第一电感另一端连接所述第四开关管阳极、所述第四二极管阳极，第四开关管阴极连接所述第五开关管阳极、所述第二电感一端，第四二极管阴极连接所述第二电容器一端，第五开关管阴极连接第二电容器另一端、所述第三电容器一端、所述第六开关管阳极，第六开关管阴极连接第七开关管阳极、所述第四电容器一端、隔离器输入负极端，第二电感另一端连接第四电容器另一端、隔离器输入正极端，第三电容器另一端连接第五二极管阳极；

第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管均为带有反并联二极管的全控型电力电子开关器件。

自励变励磁电压变发电电压的多变量开关磁阻发电机变流系统的控制方法，其特征是，开关磁阻发电机运行中，根据转子位置信息，当第一相绕组需投入工作时，闭合第一开关管，进入励磁阶段，由隔离器输出的励磁电源给第一相绕组充电励磁；根据转子位置信息待励磁阶段结束时，断开第一开关管，进入发电阶段；

根据转子位置信息当第二相绕组、第三相绕组需投入工作时，第二开关管、第三开关管对应第一开关管，工作模式与以上第一相绕组的相同；

开关磁阻发电机运行中，第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管按照PWM模式开关工作，并且开关频率相同，第四开关管和第七开关管占空比相同，并且相位差180度，第五开关管和第六开关管占空比相同，并且相位差180度，第四开关管和第五开关管的开关相位差大于零度，第四开关管和第七开关管的占空比a＞0.5，第五开关管和第六开关管的占空比b也需满足2-a-b＜1的条件，基于以上对第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管的约束条件下，调节它们的开关占空比即可调节励磁电源电压和第二电容器与第三电容器串联后输出的发电电压的大小。

本发明的技术效果主要有：

本发明的结构和控制下，解决了利用同一套系统实现高发电电压输出和自励降磁励磁电压输出，基于此还能通过对第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管占空比的调节可以对励磁电压和发电电压进行调节，即完成了高发电电压、变发电电压、自励磁、降压励磁、变励磁电压多复合功能，而相对的开关管数量和控制复杂度都较为简易。

同时，全部开关管的电压应力均远小于发电电压，降低了成本提高了可靠性。

附图说明

图1所示为本发明的自励变励磁电压变发电电压的多变量开关磁阻发电机变流系统电路结构图。

具体实施方式

本实施例的自励变励磁电压变发电电压的多变量开关磁阻发电机变流系统，变流系统电路结构如附图1所示，其由第一开关管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、第七开关管V7、第一相绕组M、第二相绕组N、第三相绕组P、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、第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4、第一电感L1、第二电感L2、隔离器组成，第一开关管V1阴极连接第一相绕组M一端、第一二极管D1阴极，第二开关管V2阴极连接第二相绕组N一端、第二二极管D2阴极，第三开关管V3阴极连接第三相绕组P一端、第三二极管D3阴极，第一开关管V1阳极连接第二开关管V2阳极、第三开关管V3阳极、隔离器输出正极端，第一相绕组M另一端连接第二相绕组N另一端、第三相绕组P另一端、隔离器输出负极端、第一电容器C1一端、第一电感L1一端，第一二极管D1阳极连接第二二极管D2阳极、第三二极管D3阳极、第一电容器C1另一端、第五二极管D5阴极、第七开关管V7阴极，第一电感L1另一端连接第四开关管V4阳极、第四二极管D4阳极，第四开关管V4阴极连接第五开关管V5阳极、第二电感L2一端，第四二极管D4阴极连接第二电容器C2一端，第五开关管V5阴极连接第二电容器C2另一端、第三电容器C3一端、第六开关管V6阳极，第六开关管V6阴极连接第七开关管V7阳极、第四电容器C4一端、隔离器输入负极端，第二电感L2另一端连接第四电容器C4另一端、隔离器输入正极端，第三电容器C3另一端连接第五二极管D5阳极；

第四开关管V4、第五开关管V5、第六开关管V6、第七开关管V7均为带有反并联二极管的全控型高频电力电子开关器件如IGBT、电力MOSFET等；隔离器输出两端即为励磁电源输出端，即励磁电压；第二电容器C2和第三电容器C3串联后两端，即第四二极管D4阴极和第五二极管D5阳极之间为发电输出端，即发电电压。

本发明的自励变励磁电压变发电电压的多变量开关磁阻发电机变流系统的控制方法为：开关磁阻发电机运行中，根据转子位置信息，当第一相绕组M需投入工作时，闭合第一开关管V1，进入励磁阶段，由隔离器输出的励磁电源给第一相绕组M充电励磁，第一相绕组M两端电压等于励磁电压(忽略管压降)；根据转子位置信息待励磁阶段结束时，断开第一开关管V1，进入发电阶段，此时第一相绕组M的储能将经由第一二极管D1向第一电容器C1侧放电并经第一电感L1输出；

根据转子位置信息当第二相绕组N、第三相绕组P需投入工作时，第二开关管V2、第三开关管V3对应第一开关管V1，第二二极管D2、第三二极管D3对应第一二极管D1，其余器件公用，工作模式与以上第一相绕组M的相同；

开关磁阻发电机运行中，第四开关管V4、第五开关管V5、第六开关管V6、第七开关管V7按照PWM模式开关工作，并且开关频率相同，事实上从本发明电路结构可见，发电阶段经第一电容器C1和第一电感L1后，当向第二电容器C2和第三电容器C3输出时，电路类似BOOST结构，而当向隔离器方向输出时，又类似BUCK结构，而考虑到需要获得高发电电压的需要，以及根据开关磁阻发电机数学模型原理，实际中直接发电后相绕组输出电压高于励磁电压的情况，即第一电容器C1两侧电压一般已高于隔离器输出励磁电压的现实需要，所以，为了保证以上所述既输出较高发电电压又降压输出励磁电压，本发明自励及升压混合集成电路各个开关管(第四开关管V4、第五开关管V5、第六开关管V6、第七开关管V7)还需要满足如下控制条件：第四开关管V4和第七开关管V7占空比相同，并且相位差180度，第五开关管V5和第六开关管V6占空比相同，并且相位差180度，第四开关管V4和第五开关管V5的开关相位差大于零度，第四开关管V4和第七开关管V7的占空比a＞0.5，第五开关管V5和第六开关管V6的占空比b也需满足2-a-b＜1的条件，基于以上对第四开关管V4、第五开关管V5、第六开关管V6、第七开关管V7的约束条件下，调节它们的开关占空比即可调节励磁电压和发电电压的大小，从而依靠一套变流回路实现励磁电压和发电电压的按要求范围内的调节变化，在整个开关磁阻发电机系统中增加了两个可调变量。

从本发明的变流系统结构和控制可见，对于非三相绕组的其他开关磁阻发电机，结构上无非是增删绕组与一个开关管的串联支路的问题，控制方法相同，所以本发明的结构和控制针对任意相绕组数量的开关磁阻发电机均应具有保护权利。