小功率四相開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)功率變換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電機(jī)控制領(lǐng)域，具體設(shè)及一種小功率級(jí)別的四相繞組開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī) 的功率變換器及其控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)（SwitchedReluctanceGenerator,簡(jiǎn)稱；SRG)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子上 無(wú)刷、無(wú)繞組、無(wú)永久磁體；在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，輸出端電壓不會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，非 常適合于風(fēng)力發(fā)電和用作直流電源；而在運(yùn)行過(guò)程中，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)可控參數(shù)多，如開關(guān) 角控制、電流斬波控制、PWM控制等，可方便的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制策略，靈活的控制輸出直 流電壓和電流。
[0003] 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)工作過(guò)程中分為勵(lì)磁和發(fā)電兩個(gè)階段，并且是分時(shí)進(jìn)行，勵(lì)磁方 式又分為他勵(lì)和自勵(lì)方式，他勵(lì)方式實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁和發(fā)電各自獨(dú)立回路，可靠性高，但一般需要 專用蓄電池或其他直流電源作為勵(lì)磁電源，自勵(lì)方式無(wú)需外界提供電源，但輸出電壓電流 脈動(dòng)較大，給濾波造成較大壓力。
[0004] 鑒于提高勵(lì)磁電壓有利于提高后續(xù)續(xù)流發(fā)電時(shí)的繞組電流進(jìn)而提高輸出功率，一 改傳統(tǒng)的勵(lì)磁電壓不能在線調(diào)節(jié)的問(wèn)題，近年來(lái)出現(xiàn)了一些可W根據(jù)控制系統(tǒng)需求在線調(diào) 整勵(lì)磁輸入電壓的新型的功率變換器勵(lì)磁部分電路結(jié)構(gòu)，如；1、彭寒梅，易靈芝等.基于 Buck變換器的開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)新型勵(lì)磁模式[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2012，，33 (3). 2、段麗華.基 于變發(fā)電電壓功率變換器的海上鉆井平臺(tái)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的研究[J].船電技術(shù)， 2012,32(2).前者存在勵(lì)磁電壓相對(duì)單方向變化，W及輸出發(fā)電電壓電流脈動(dòng)大的缺點(diǎn)，后 者則必須配備專用他勵(lì)勵(lì)磁電源，增加了濾波壓力和維護(hù)成本。
[0005] 此外，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)目前僅考慮任何瞬時(shí)只有一相繞組通電的情況，而根據(jù)開 關(guān)磁阻電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)關(guān)系，大于等于四相繞組的情況下，完全可W考慮兩相繞組同時(shí)工 作的可能性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 根據(jù)W上的【背景技術(shù)】，本發(fā)明提出了一種滿足同時(shí)有兩相繞組通電的四相繞組開 關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)用功率變換器主電路及其控制方式，勵(lì)磁電壓可調(diào)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單維護(hù)簡(jiǎn)便，增大 了功率密度并減小了電壓電流脈動(dòng)。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案為；
[0008] 小功率四相開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)功率變換器，其主電路由他勵(lì)型不對(duì)稱半橋式四相繞 組功率變換器主電路1和Zeta斬波電路2組成，其特征在于，所述他勵(lì)型不對(duì)稱半橋式四 相繞組功率變換器主電路1與所述Zeta斬波電路2首尾互相并聯(lián)連接，其中他勵(lì)型不對(duì)稱 半橋式四相繞組功率變換器主電路1的發(fā)電輸出側(cè)并聯(lián)Zeta斬波電路2的輸入側(cè)，Zeta 斬波電路2的輸出側(cè)與他勵(lì)型不對(duì)稱半橋式四相繞組功率變換器主電路1的勵(lì)磁輸入側(cè)并 聯(lián)。
[0009]所述的他勵(lì)型不對(duì)稱半橋式四相繞組功率變換器主電路1由四組不對(duì)稱半橋式 的電路組成，每組連接并控制一相開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的繞組，分別為A、B、C、D相繞組并在開 關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)內(nèi)部定子凸極上按規(guī)律均勻?qū)ΨQ繞制分布，其中A相繞組與B相和D相繞組 相鄰，C相繞組與B相和D相繞組相鄰，根據(jù)開關(guān)磁阻電機(jī)定轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)關(guān)系和轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置， W及開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)勵(lì)磁和發(fā)電分時(shí)規(guī)律，按照AB-BC-CD-DA-AB的工作方式循環(huán)，同時(shí)工 作的兩相繞組，一相處于勵(lì)磁階段，另一相則處于續(xù)流發(fā)電階段，待前述處于續(xù)流發(fā)電階段 的繞組電流在產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩之前降為零后，下一相處于定轉(zhuǎn)子凸極中屯、線重合處的繞組進(jìn) 入勵(lì)磁階段，而前述勵(lì)磁階段的繞組進(jìn)入續(xù)流發(fā)電階段，如此順序變換工作規(guī)律。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)效果主要有：
[0011] 1、因一相繞組勵(lì)磁時(shí)另一相繞組發(fā)電的雙繞組工作模式，任何時(shí)候都有繞組發(fā)電 輸出，從而增大了輸出電壓和電流的平均值，提高了發(fā)電機(jī)的輸出功率密度和功率總量；而 單繞組工作模式下，勵(lì)磁階段因?yàn)闆](méi)有電能輸出，所W其平均的輸出電壓電流低，輸出功率 密度小，功率總量少；
[0012] 2、如上所述雙繞組工作模式下，其輸出電壓電流的脈動(dòng)情況也要小的多；
[0013] 3、實(shí)際中，勵(lì)磁電源來(lái)源于自行的發(fā)電輸出，應(yīng)屬于自勵(lì)模式，但如上所述，并沒(méi) 有傳統(tǒng)自勵(lì)模式下輸出電壓電流脈動(dòng)大的缺點(diǎn)。
[0014]4、本發(fā)明的Zeta斬波電路2,通過(guò)內(nèi)部唯一電力電子開關(guān)管的占空比調(diào)節(jié)，可W實(shí)現(xiàn)其輸出電壓高于或低于輸入電壓，調(diào)壓范圍寬，利于實(shí)現(xiàn)更好的功率變換器主電路的 控制，尤其是最大功率輸出控制。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1所示為本發(fā)明的小功率四相開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)功率變換器主電路圖。
[0016] 圖2所示為本發(fā)明的四相8/6極結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)定子繞組電感與轉(zhuǎn)子位置角 關(guān)系圖。
[0017] 圖中；1、他勵(lì)型不對(duì)稱半橋式四相繞組功率變換器主電路，2、Zeta斬波電路。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 附圖1為本發(fā)明的小功率四相開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)功率變換器主電路，A、B、C、D四相 繞組為中屯、按照不對(duì)稱半橋式及傳統(tǒng)他勵(lì)式模式構(gòu)成他勵(lì)型不對(duì)稱半橋式四相繞組功率 變換器主電路1，勵(lì)磁部分單獨(dú)由Zeta斬波電路2完成。
[0019]本實(shí)施例選取開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)為四相8/6極結(jié)構(gòu)，即定子8極轉(zhuǎn)子6極的小功率 開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，其定子繞組電感與轉(zhuǎn)子位置角關(guān)系如圖2所示；在0°原點(diǎn)位置，電感最 小為L(zhǎng)mi。，此時(shí)定子凸極與轉(zhuǎn)子凹槽中屯、線重合，在30°時(shí)定轉(zhuǎn)子凸極中屯、線重合氣隙最小 則電感最大為L(zhǎng)m"，到60°時(shí)又出現(xiàn)電感最小完成一個(gè)周期變化，在0° -30°時(shí)電感上升 時(shí)給繞組通電產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩做電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，30° -60°區(qū)間則可產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩發(fā)電運(yùn)行，但 必需在30°左右時(shí)先行通入電流勵(lì)磁，電流建立起來(lái)后再斷掉勵(lì)磁電源，轉(zhuǎn)子在外力作用 下才會(huì)產(chǎn)生更大的發(fā)電電流，斷掉勵(lì)磁電源的角度大約在45°左右的位置。
[0020] 在初始工作時(shí)，首先利用剩磁，發(fā)電機(jī)起動(dòng)初期根據(jù)轉(zhuǎn)子位置某相繞組發(fā)電產(chǎn)生 的電源，經(jīng)Zeta斬波電路2輸出作為接下來(lái)的勵(lì)磁電源，進(jìn)而進(jìn)一步加大續(xù)流發(fā)電電流電 壓值，從而建立起發(fā)電和勵(lì)磁系統(tǒng)電源，省去了常規(guī)的初始勵(lì)磁蓄電池和二極管支路。
[0021] 下面根據(jù)圖1詳解其工作過(guò)程：
[0022] 假設(shè)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置，首先B相繞組所在凸極與轉(zhuǎn)子凸極中屯、線重合，符合勵(lì)磁開 始的條件，利用初始起動(dòng)時(shí)另一相繞組因剩磁而建立的發(fā)電電壓經(jīng)Zeta斬波電路2輸出作 為勵(lì)磁電源，此時(shí)第S電力電子開關(guān)管V3和第四電力電子開關(guān)管V4閉合導(dǎo)通勵(lì)磁；旋轉(zhuǎn)經(jīng) 過(guò)15°左右后，關(guān)斷W上該兩只電力電子開關(guān)管，則此時(shí)B相繞組中儲(chǔ)存的磁能將沿著第 S電力二極管D3和第四電力二極管D4續(xù)流并輸出電能，注意此時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向，其相鄰 的A相繞組或C相繞組出現(xiàn)相應(yīng)其定子凸極與轉(zhuǎn)子凸極中屯、線重合的位置，假設(shè)為C相繞 組，此時(shí)需同時(shí)閉合第五電力電子開關(guān)管V5和第六電力電子開關(guān)管V6給C相繞組勵(lì)磁，也 就是說(shuō)，在此后的大約旋轉(zhuǎn)的15°范圍內(nèi)，是B相繞組續(xù)流發(fā)電和C相繞組勵(lì)磁該兩套繞組 同時(shí)工作姻上BC繞組同時(shí)工作大約15°之后，B相繞組中發(fā)電電流必須控制其停止W防 止進(jìn)入耗能的電動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)控制C相繞組勵(lì)磁的兩支電力電子開關(guān)管斷開而由第五電力 二極管D5和第六電力二極管D6續(xù)流發(fā)電，同時(shí)D相繞組所在定子凸極與轉(zhuǎn)子凸極中屯、線 重合具備了勵(lì)磁條件，所WC相繞組勵(lì)磁轉(zhuǎn)發(fā)電的同時(shí)閉合第走電力電子開關(guān)管V7和第八 電力電子開關(guān)管V8給D相繞組勵(lì)磁，此階段為CD相繞組同時(shí)工作階段；接下來(lái)，類似地，是 DA繞組同時(shí)工作，A相繞組的勵(lì)磁由第一電力電子開關(guān)管VI和第二電力電子開關(guān)管V2承 擔(dān)，發(fā)電時(shí)流經(jīng)第一電力二極管D1和第二電力二極管D2;DA相之后是AB相，再然后又回到 BC，如此往復(fù)的工作。
[0023]Zeta斬波電路2完成勵(lì)磁電壓的供應(yīng)和變換，其工作過(guò)程為：
[0024]在第九電力電子開關(guān)管V9閉合導(dǎo)通時(shí)，輸入側(cè)電流經(jīng)第九電力電子開關(guān)管V9向 第一電抗器L1充電儲(chǔ)能，同時(shí)，輸入側(cè)電流也和第一電容器C1共同經(jīng)第二電抗器輸出供應(yīng) 勵(lì)磁電流；待第九電力電子開關(guān)管V9關(guān)斷后，第一電抗器L1經(jīng)第九電力二極管D9向第一 電容器C1充電，其儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到第一電容器C1上，同時(shí)第二電抗器L2的電流經(jīng)第九 電力二極管D9續(xù)流；可利用公式得出Zeta斬波電路2的輸出電壓輸入電壓，其中a 為第九電力電子開關(guān)管V9的PWM控制占空比，可見(jiàn)當(dāng)a<0.5時(shí)實(shí)現(xiàn)降壓，a>0.5時(shí) 實(shí)現(xiàn)升壓。
[0025]本實(shí)施例所述的全部電力電子開關(guān)管均為IGBT或者電力M0SFET。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 小功率四相開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)功率變換器，其主電路由他勵(lì)型不對(duì)稱半橋式四相繞組 功率變換器主電路（1)和Zeta斬波電路（2)組成，其特征在于，所述他勵(lì)型不對(duì)稱半橋式 四相繞組功率變換器主電路（1)與所述Zeta斬波電路（2)首尾互相并聯(lián)連接，其中他勵(lì)型 不對(duì)稱半橋式四相繞組功率變換器主電路（1)的發(fā)電輸出側(cè)并聯(lián)Zeta斬波電路（2)的輸 入側(cè)，Zeta斬波電路（2)的輸出側(cè)與他勵(lì)型不對(duì)稱半橋式四相繞組功率變換器主電路（1) 的勵(lì)磁輸入側(cè)并聯(lián)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的小功率四相開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)功率變換器，其特征是，所述的 他勵(lì)型不對(duì)稱半橋式四相繞組功率變換器主電路（1)由四組不對(duì)稱半橋式的電路組成，每 組連接并控制一相開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的繞組，分別為A、B、C、D相繞組并在開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)內(nèi) 部定子凸極上按規(guī)律均勻?qū)ΨQ繞制分布，其中A相繞組與B相和D相繞組相鄰，C相繞組與 B相和D相繞組相鄰。
【專利摘要】小功率四相開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)功率變換器，其主電路由他勵(lì)型不對(duì)稱半橋式四相繞組功率變換器主電路和Zeta斬波電路組成；他勵(lì)型不對(duì)稱半橋式四相繞組功率變換器主電路與Zeta斬波電路首尾互相并聯(lián)連接，其中他勵(lì)型不對(duì)稱半橋式四相繞組功率變換器主電路的發(fā)電輸出側(cè)并聯(lián)Zeta斬波電路的輸入側(cè)，Zeta斬波電路的輸出側(cè)與他勵(lì)型不對(duì)稱半橋式四相繞組功率變換器主電路的勵(lì)磁輸入側(cè)并聯(lián)；該發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)雙繞組同時(shí)工作提高功率密度降低電壓電流脈動(dòng)，勵(lì)磁電壓可調(diào)范圍寬利于最大功率輸出控制，可用于小型風(fēng)力發(fā)電和直流電源領(lǐng)域。
【IPC分類】H02P103-20, H02P9-00
【公開號(hào)】CN204408232
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201420869442
【發(fā)明人】孫冠群
【申請(qǐng)人】中國(guó)計(jì)量學(xué)院
【公開日】2015年6月17日
【申請(qǐng)日】2014年12月30日