阅读说明：本技术 宽范围励磁发电及自动双充电的开关磁阻发电机变流系统 (Wide-range excitation power generation and automatic double-charging switched reluctance generator current transformation system ) 是由 孙冠群 李璟 翁馨 于 2019-08-20 设计创作，主要内容包括：宽范围励磁发电及自动双充电的开关磁阻发电机变流系统,其结构由两个蓄电池、十个开关管、九个二极管、五个电容器、三相绕组、两个变压器组成,两个蓄电池和三个开关管组成可以高中低宽范围励磁输出电压可调的励磁电源,极大提升了系统适应性和发电能力；直接依靠简单的各相绕组的变流回路,以及在励磁电源加持下,解决了输出发电电压可以大范围调节输出的问题,尤其高压输出时,节省了后续升压环节；对于励磁电源中不共地的两个蓄电池,本发明仅仅采用一个开关管就实现了对两个不共地的蓄电池自动隔离充电,提高了系统可持续性、可靠性,简化了结构和控制；本发明适用于各类动力输入和各类输出负载的开关磁阻发电机系统中应用。(The structure of the switched reluctance generator converter system comprises two storage batteries, ten switching tubes, nine diodes, five capacitors, a three-phase winding and two transformers, wherein the two storage batteries and the three switching tubes form an excitation power supply which can adjust high, medium and low wide range excitation output voltage, so that the system adaptability and the power generation capacity are greatly improved; the problem that the output of the output power generation voltage can be adjusted in a large range is solved by directly depending on simple variable current loops of each phase winding and under the condition of the addition of an excitation power supply, and particularly, a subsequent boosting link is saved during high-voltage output; for two storage batteries which are not in common with the ground in the excitation power supply, the invention realizes the automatic isolation charging of the two storage batteries which are not in common with the ground by only adopting one switching tube, thereby improving the sustainability and the reliability of the system and simplifying the structure and the control; the invention is suitable for application in switched reluctance generator systems of various power input and output loads.)

宽范围励磁发电及自动双充电的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，具体涉及一种宽范围励磁电压输入、宽范围发电电压输出、单输入双输出自动同时给两个励磁蓄电池充电的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法。

背景技术

开关磁阻电机结构简单坚固、成本低、可靠性高，用作发电机具有广阔的应用前景。

开关磁阻发电机工作中，各相绕组发出电能前，需要首先吸收电能进行自身绕组的储能励磁，励磁电能尤其励磁电压的大小极大的影响相绕组励磁电流及后续发电输出能力，所以，可以调节变化的励磁电压尤其能增大发电输出的适应面；另一方面，业界常常采用蓄电池组作为励磁电源，蓄电池的充电问题就出现了，尤其当蓄电池为多个并且不共地时，对充电系统就提出了挑战，如果过多、过于复杂的充电系统，则势必极大的增加了整个系统的结构和控制的复杂度，以及成本，并降低了可靠性。

开关磁阻发电机直接发出直流电，适应了当前越来越多的直流负载系统的发展需要，节省了整流环节，但多数场合下还需要将发出的直流电再进行变换，尤其是升压变换；另外，很多用电负载在运行中，常常需要根据需要调节输入端的直流电压，以满足其运行性能需要，从而势必要增加变压装置，如果作为类似一个直流电源的开关磁阻发电机系统输出时能像可调直流电源一样可以根据需要大范围调节输出直流电压，则势必具有广阔的应用前景。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种可以大范围提供不同励磁电压、大范围可调输出发电电压，并且仅靠一个开关管实现对两个不共地的蓄电池自动隔离充电的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法，无需单独增加升压装置即可实现大范围调压输出，适用于各类动力输入和各类输出负载的开关磁阻发电机系统中应用。

本发明的技术方案为：

宽范围励磁发电及自动双充电的开关磁阻发电机变流系统，其特征是，包括：第一蓄电池、第二蓄电池、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、第八开关管、第九开关管、第十开关管、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、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、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、第一变压器、第二变压器，所述第一蓄电池正极连接所述第一开关管阳极、所述第三开关管阳极、所述第九二极管阴极、所述第五电容器一端，第一蓄电池负极连接所述第二开关管阳极、所述第一二极管阳极、所述第五开关管阴极、所述第三二极管阳极、所述第七开关管阴极、所述第五二极管阳极、所述第九开关管阴极、所述第一电容器一端、第五电容器另一端、所述第二变压器二次侧绕组一端、第十开关管阴极，第一开关管阴极连接所述第二蓄电池正极、所述第四开关管阳极、所述第六开关管阳极、所述第八开关管阳极、所述第八二极管阴极、所述第四电容器一端，第三开关管阴极连接第二蓄电池负极、第二开关管阴极、第四电容器另一端、所述第一变压器二次侧绕组一端，第四开关管阴极连接第一二极管阴极、所述第一相绕组一端，第一相绕组另一端连接第五开关管阳极、所述第二二极管阳极，第六开关管阴极连接第三二极管阴极、所述第二相绕组一端，第二相绕组另一端连接第七开关管阳极、所述第四二极管阳极，第八开关管阴极连接第五二极管阴极、所述第三相绕组一端，第三相绕组另一端连接第九开关管阳极、所述第六二极管阳极，第六二极管阴极连接第二二极管阴极、第四二极管阴极、第一电容器另一端、所述第二电容器一端、第一变压器一次侧绕组一端，第一变压器一次侧绕组另一端连接所述第七二极管阳极、所述第三电容器一端，第七二极管阴极连接第二电容器另一端、第二变压器一次侧绕组一端，第二变压器一次侧绕组另一端连接第三电容器另一端、第十开关管阳极，第一变压器二次侧绕组另一端连接第八二极管阳极，第二变压器二次侧绕组另一端连接第九二极管阳极；

第一蓄电池、第二蓄电池、第一开关管、第二开关管、第三开关管及其连接回路构成开关磁阻发电机的励磁电源，其中第二蓄电池正极即第一开关管阴极为励磁电源输出正极端，第二开关管阳极即第一蓄电池负极为励磁电源输出负极端；第一电容器两端为开关磁阻发电机发电输出端；第一蓄电池额定电压大于第二蓄电池额定电压；第一变压器变比小于第二变压器变比，第二变压器变比小于1。

宽范围励磁发电及自动双充电的开关磁阻发电机变流系统的控制方法，其特征是，励磁电源根据所述变流系统的需要，可以选择采取如下三种不同励磁电压提供模式，分别为：

模式一：闭合第二开关管，第一开关管和第三开关管为断开状态，此为低压励磁模式，仅由第二蓄电池供电励磁；

模式二：闭合第一开关管，第二开关管和第三开关管为断开状态，此为中压励磁模式，仅由第一蓄电池供电励磁；

模式三：闭合第三开关管，第一开关管和第二开关管为断开状态，此为高压强化励磁模式，第一蓄电池和第二蓄电池串联共同供电励磁；

当励磁电源的第一蓄电池和第二蓄电池出现其中一个蓄电池电量低于下限值时，该蓄电池停止供电励磁，而由另一个蓄电池单独供电励磁；

开关磁阻发电机运行中，根据开关磁阻发电机转子位置信息，当第一相绕组需投入工作时，闭合第四开关管和第五开关管，进入励磁阶段，励磁电源向第一相绕组供电励磁；根据转子位置信息励磁阶段结束时，断开第五开关管，进入发电阶段，当第四开关管也同时断开时，为降压发电输出模式，当第四开关管继续保持闭合状态时，为升压发电输出模式，另外，第四开关管也可以采取PWM模式，具体采取的模式以及第四开关管PWM模式时的占空比大小根据发电输出端对发电电压的要求确定；根据转子位置信息发电阶段结束时，断开第五开关管，第四开关管也同时为断开状态，待相绕组电流降至零，发电阶段即第一相绕组工作结束；

根据转子位置信息当第二相绕组和第三相绕组需投入工作时，工作控制模式与第一相绕组相同，具体对应关系为：第六开关管和第八开关管对应第四开关管，第七开关管和第九开关管对应第五开关管；

当检测到第一蓄电池和第二蓄电池电量均低于下限值时，第一电容器侧的电能反馈同时向第一蓄电池和第二蓄电池充电，第十开关管采取PWM模式，其占空比大小根据第一蓄电池和第二蓄电池对充电要求而定，但小于0.5；待检测到第一蓄电池和第二蓄电池中至少一个蓄电池电量达上限值时，第十开关管断开，充电结束。

本发明的技术效果主要有：

(1)本发明的励磁电源由两个蓄电池和三个开关管组成，可以实现高、中、低三种宽范围励磁电压的输出，极大的适应了开关磁阻发电机众多应用场合发电控制的需要，提升了灵活性，拓展了其适应面。

(2)本发明的相绕组变流电路结构简单，但确可以实现宽范围的发电电压输出，在某相绕组工作中，通过两个开关管的控制，可以实现升压输出或者降压输出，考虑到励磁电源的宽电压可调范围，则发电输出电压范围更宽，再考虑到各相绕组所在的第四开关管(或第六开关管、第八开关管)的PWM模式的配合，更能实现连续的电压输出调节，灵活性、适应性极强。

(3)在励磁电源需要充电时，仅仅需要一个开关管(第十开关管)的PWM工作，即可完成自动同时对两个蓄电池的充电作业，调节第十开关管的占空比，即可调节其输出即充电电参量，当中两个变压器为高频变压器，所以在实现隔离环节功能前提下，参与变压，其体积重量成本都较低。

附图说明

图1所示为本发明的宽范围励磁发电及自动双充电的开关磁阻发电机变流系统电路结构图。

具体实施方式

本实施例的一种宽范围励磁发电及自动双充电的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，其由第一蓄电池X1、第二蓄电池X2、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、第八开关管V8、第九开关管V9、第十开关管V10、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、第一变压器T1、第二变压器T2组成，第一蓄电池X1正极连接第一开关管V1阳极、第三开关管V3阳极、第九二极管D9阴极、第五电容器C5一端，第一蓄电池X1负极连接第二开关管V2阳极、第一二极管D1阳极、第五开关管V5阴极、第三二极管D3阳极、第七开关管V7阴极、第五二极管D5阳极、第九开关管V9阴极、第一电容器C1一端、第五电容器C5另一端、第二变压器T2二次侧绕组d一端、第十开关管V10阴极，第一开关管V1阴极连接第二蓄电池X2正极、第四开关管V4阳极、第六开关管V6阳极、第八开关管V8阳极、第八二极管D8阴极、第四电容器C4一端，第三开关管V3阴极连接第二蓄电池X2负极、第二开关管V2阴极、第四电容器C4另一端、第一变压器T1二次侧绕组b一端，第四开关管V4阴极连接第一二极管D1阴极、第一相绕组M一端，第一相绕组M另一端连接第五开关管V5阳极、第二二极管D2阳极，第六开关管V6阴极连接第三二极管D3阴极、第二相绕组N一端，第二相绕组N另一端连接第七开关管V7阳极、第四二极管D4阳极，第八开关管V8阴极连接第五二极管D5阴极、第三相绕组P一端，第三相绕组P另一端连接第九开关管V9阳极、第六二极管D6阳极，第六二极管D6阴极连接第二二极管D2阴极、第四二极管D4阴极、第一电容器C1另一端、第二电容器C2一端、第一变压器T1一次侧绕组a一端，第一变压器T1一次侧绕组a另一端连接第七二极管D7阳极、第三电容器C3一端，第七二极管D7阴极连接第二电容器C2另一端、第二变压器T2一次侧绕组c一端，第二变压器T2一次侧绕组c另一端连接第三电容器C3另一端、第十开关管V10阳极，第一变压器T1二次侧绕组b另一端连接第八二极管D8阳极，第二变压器T2二次侧绕组d另一端连接第九二极管D9阳极；第一变压器T1、第二变压器T2的各自一次侧绕组和二次侧绕组均为反极性连接；

第一蓄电池X1、第二蓄电池X2、第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3及其连接回路构成开关磁阻发电机的励磁电源，其中第二蓄电池X2正极即第一开关管V1阴极为励磁电源输出正极端，第二开关管V2阳极即第一蓄电池X1负极为励磁电源输出负极端；第一电容器C1两端为开关磁阻发电机发电输出端；第一蓄电池X1额定电压为两倍的第二蓄电池X2额定电压；第一变压器T1变比即b/a匝数比为第二变压器T2变比即d/c匝数比的二分之一，第二变压器T2变比小于1。

宽范围励磁发电及自动双充电的开关磁阻发电机变流系统的控制方法，励磁电源根据本发明变流系统的需要，可以选择采取如下三种不同励磁电压提供模式，分别为：

模式一：闭合第二开关管V2，第一开关管V1和第三开关管V3为断开状态，此为低压励磁模式，仅由第二蓄电池X2供电励磁；

模式二：闭合第一开关管V1，第二开关管V2和第三开关管V3为断开状态，此为中压励磁模式，仅由第一蓄电池X1供电励磁，额定状态下其励磁电压为模式一的两倍；

模式三：闭合第三开关管V3，第一开关管V1和第二开关管V2为断开状态，此为高压强化励磁模式，第一蓄电池X1和第二蓄电池X2串联共同供电励磁，额定状态下其励磁电压为模式一的三倍；

以上三种模式根据整个发电系统的需要而选择，需要越多发电输出时励磁电压要求越大，但是当励磁电源的第一蓄电池X1和第二蓄电池X2出现其中一个蓄电池电量低于下限值时，该蓄电池停止供电励磁，而由另一个蓄电池单独供电励磁。

开关磁阻发电机运行中，根据开关磁阻发电机转子位置信息，当第一相绕组M需投入工作时，闭合第四开关管V4和第五开关管V5，进入励磁阶段，励磁电源向第一相绕组M供电励磁，励磁回路为：励磁电源-V4-M-V5-励磁电源；根据转子位置信息励磁阶段结束时，断开第五开关管V5，进入发电阶段，当第四开关管V4也同时断开时，为降压发电输出模式，发电回路为：M-D2-C1-D1-M，类似于传统BUCK斩波电路模式，当第四开关管V4继续保持闭合状态时，为升压发电输出模式，发电回路为：M-D2-C1-励磁电源-V4-M，此时发电输出端即第一电容器C1两端电压为励磁电源与第一相绕组串联的两个电压之和，另外，第四开关管V4也可以采取PWM模式，具体采取的模式以及第四开关管V4的PWM模式时的占空比大小根据发电输出端对发电电压的要求确定，从而可见，发电输出端电压可以连续被调节，可以低于励磁电源电压，也可以高于励磁电源电压，再考虑到励磁电源的三种选择模式，即高中低宽范围的励磁电源电压输入，所以，发电输出电压范围极宽；根据转子位置信息发电阶段结束时，断开第五开关管V5，第四开关管V4也同时为断开状态，此时第一相绕组M单独承受来自发电输出端的反向电压，再加之此时第一相绕组M电感处于最小区域，根据开关磁阻发电机理论模型，从而在如上二者共同作用下第一相绕组M电流将快速降至零，发电阶段即第一相绕组M工作随即结束；

根据转子位置信息当第二相绕组N和第三相绕组P需投入工作时，工作控制模式与以上第一相绕组M相同，具体对应关系为：第六开关管V6和第八开关管V8对应第四开关管V4，第七开关管V7和第九开关管V9对应第五开关管V5，第三二极管D3和第五二极管D5对应第一二极管D1，第四二极管D4和第六二极管D6对应第二二极管D2。

当检测到第一蓄电池X1和第二蓄电池X2电量均低于下限值时，第一电容器C1侧的电能反馈同时向第一蓄电池X1和第二蓄电池X2充电，第十开关管V10采取PWM模式，其占空比大小根据第一蓄电池X1和第二蓄电池X2对充电要求而定，但应小于0.5；待检测到第一蓄电池X1和第二蓄电池X2中至少一个蓄电池电量达上限值时，第十开关管V10断开，充电结束。

考虑到本发明的各相绕组所在变换回路相对独立，均各自按照开关磁阻发电机转子位置信息工作，所以可扩展性强，也就是说，对于除三相绕组的开关磁阻发电机之外，其余相数的开关磁阻发电机自然受本发明的保护。