本發(fā)明涉及開關(guān)磁阻電機領(lǐng)域，具體涉及一種自強化勵磁和自充電他勵型勵磁電源的開關(guān)磁阻發(fā)電機變流器主電路及其控制方法。
背景技術(shù)：
利用開關(guān)磁阻發(fā)電機發(fā)電，是一種新型的發(fā)電方式。
開關(guān)磁阻發(fā)電機的發(fā)電變流系統(tǒng)，是開關(guān)磁阻發(fā)電機系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，也事關(guān)發(fā)電的效率、效益及可靠性等。
根據(jù)開關(guān)磁阻發(fā)電機工作原理，其工作中分為勵磁和發(fā)電兩大階段，先由外電源向繞組供電勵磁儲能，隨后在運行反向力矩作用下磁儲能續(xù)流釋放即發(fā)電輸出，發(fā)出的電能大于勵磁吸收的電能，才有意義。
開關(guān)磁阻發(fā)電機勵磁階段一般是受控的，而發(fā)電階段電流是不受嚴格控制的，為了提高發(fā)電輸出能力，提高發(fā)電階段開始時的電流，即提高勵磁階段的尤其是勵磁后期的電流值成為了業(yè)界的共識之一；業(yè)界已有譬如通過專門的高壓他勵勵磁電源向繞組供電勵磁，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果變流電路本身能提高勵磁能力，則會簡化結(jié)構(gòu)節(jié)省成本；總之不管是強化勵磁還是如何，需要盡可能增加發(fā)電階段到來前并且盡可能短時間內(nèi)使得繞組電流達到一定高度，是業(yè)界的期待。
開關(guān)磁阻發(fā)電機的勵磁方式常用的為他勵型和自勵型，他勵型的勵磁階段穩(wěn)定性好，但需要單獨的他勵電源，電源電能耗盡后要經(jīng)常更換，增加了人工維護量；而傳統(tǒng)自勵型的則存在電壓電流波動大的缺點，穩(wěn)定性不好；所以，穩(wěn)定性好、無需過多人工參與的勵磁電源系統(tǒng)是業(yè)界的期待。
另外，大中型的開關(guān)磁阻發(fā)電機系統(tǒng)發(fā)電及傳輸用電纜價格昂貴，尤其用于海上風(fēng)電系統(tǒng)所需海底電纜等；還有大中型開關(guān)磁阻發(fā)電機系統(tǒng)中母線電壓常明顯大于勵磁平均電壓，要避免母線電壓貫通勵磁電源的問題；還有利用蓄電池勵磁，蓄電池本身需要充電，不同階段對充電電源的要求不同，不同充電參數(shù)下充電快慢不同等因素，以及能否自動充電問題等等。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
根據(jù)以上的背景技術(shù)，本發(fā)明提出一種靠變流主電路本身結(jié)構(gòu)和控制方法二維強化勵磁能力、自動充電的他勵型電源的開關(guān)磁阻發(fā)電機變流器結(jié)構(gòu)及其控制方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案為：
自強化自充電他勵開關(guān)磁阻發(fā)電機變流器，由變流主電路、勵磁電源、發(fā)電二極管、母線電容器、充電主電路組成，其特征是，所述變流主電路輸入兩端連接所述勵磁電源輸出兩端，變流主電路輸出正極端經(jīng)由所述發(fā)電二極管連接所述母線電容器正極端，同時連接所述充電主電路輸入正極端，發(fā)電二極管陽極連接變流主電路輸出正極端，變流主電路輸出負極端連接母線電容器負極端同時連接充電主電路輸入負極端，充電主電路輸出兩端連接勵磁電源輸入兩端；
變流主電路由3個變流支路并聯(lián)連接組成，每個變流支路中連接一相繞組，每相繞組又分為兩套繞組，分別對稱集中分布于開關(guān)磁阻發(fā)電機定子磁極上，每個變流支路具體由第一二極管、第二二極管、第三二極管、第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管、相繞組第一套繞組、相繞組第二套繞組組成，其特征是，所述第一二極管陰極、所述第一開關(guān)管陽極、所述第三二極管陰極短接并作為變流主電路輸入輸出正極端，所述第二開關(guān)管陰極、所述第二二極管陽極、所述第三開關(guān)管陰極短接并作為變流主電路輸入輸出負極端，第一二極管陽極與第二開關(guān)管陽極以及所述相繞組第一套繞組一端連接，相繞組第一套繞組另一端與所述相繞組第二套繞組一端以及第一開關(guān)管陰極、第二二極管陰極連接，相繞組第二套繞組另一端與第三二極管陽極以及第三開關(guān)管陽極連接；
勵磁電源由勵磁二極管和蓄電池串聯(lián)連接組成，其中所述蓄電池正極連接所述勵磁二極管陽極，勵磁二極管陰極和蓄電池負極作為勵磁電源輸出正負端，蓄電池正負極兩端作為勵磁電源的輸入正負極兩端；
充電主電路由輸入電容器、變壓器第一繞組、變壓器第二繞組、變壓器第三繞組、第四二極管、控制開關(guān)管、第五二極管、第六二極管、電感、輸出電容器組成，其特征是，所述輸入電容器正負極兩端分別作為充電主電路輸入正負極兩端，所述變壓器第一繞組一端和所述變壓器第二繞組一端以及輸入電容器正極端連接，變壓器第一繞組另一端與所述第四二極管陰極連接，變壓器第二繞組另一端與所述控制開關(guān)管陽極連接，控制開關(guān)管陰極與第四二極管陽極以及輸入電容器負極端連接，變壓器第二繞組與所述變壓器第三繞組耦合并且極性相同，變壓器第一繞組極性與變壓器第二繞組和變壓器第三繞組極性相反，變壓器第三繞組一端與所述第五二極管陽極連接，第五二極管陰極與所述電感一端以及所述第六二極管陰極連接，電感另一端與所述輸出電容器正極連接并作為充電主電路輸出正極端，輸出電容器負極與第六二極管陽極以及變壓器第三繞組另一端連接并作為充電主電路輸出負極端。
自強化自充電他勵開關(guān)磁阻發(fā)電機變流器的控制方法，其特征是：
根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息，當(dāng)某相繞組所在變流支路進入工作狀態(tài)時，首先是第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管閉合，進入勵磁階段，由勵磁電源中的蓄電池經(jīng)由勵磁二極管供電勵磁；
勵磁階段結(jié)束時如果繞組電流未達到所需電流值，則第二開關(guān)管和第三開關(guān)管斷開，第一開關(guān)管保持閉合狀態(tài)，進入續(xù)流階段，繞組中電流快速上升，續(xù)流階段正常結(jié)束前達到所需電流值則提前關(guān)斷第一開關(guān)管，續(xù)流階段正常結(jié)束點繞組電流仍未達到所需值，仍關(guān)斷第一開關(guān)管；關(guān)斷第一開關(guān)管后隨即進入發(fā)電階段；
勵磁階段結(jié)束時如果繞組電流已達到所需電流值，則關(guān)斷第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管，直接進入發(fā)電階段；
以上為經(jīng)蓄電池他勵供電勵磁的開關(guān)磁阻發(fā)電機運行控制過程；
當(dāng)檢測到蓄電池容量低于下限值時，啟動充電主電路向蓄電池充電，充電過程為：
通過對控制開關(guān)管的pwm開關(guān)控制，將變流主電路發(fā)出的電能經(jīng)變壓器隔離向蓄電池充電，根據(jù)檢測的蓄電池端電壓和電流，調(diào)節(jié)控制開關(guān)管的開關(guān)占空比，直至充滿電后完全關(guān)斷控制開關(guān)管，充電結(jié)束。
本發(fā)明的技術(shù)效果主要有：
(1)把開關(guān)磁阻發(fā)電機的每相繞組分為兩套并且并聯(lián)于變流電路中，相對傳統(tǒng)每相繞組內(nèi)部均串聯(lián)連接的模式，本發(fā)明的變流電路中兩套繞組并聯(lián)方式，自我強化了勵磁，外置勵磁電壓直接加到每套繞組上，而不是串聯(lián)方式下各占二分之一；勵磁的強化，從而可在更短時間內(nèi)達到所需勵磁電流，也就是發(fā)電階段初始的繞組電流，所以能提高開關(guān)磁阻發(fā)電機的功率輸出能力。
(2)變流主電路的輸入和輸出的正負極端子共用，也就是說變流主電路的輸入和輸出總計采用兩根電纜即可，節(jié)省了成本。
(3)在本發(fā)明的變流主電路結(jié)構(gòu)下，可增加一運行中的續(xù)流階段，由于續(xù)流期間繞組不受反向電壓，其電流可快速增加，從而在更短時間內(nèi)達到所需電流值，利于后續(xù)發(fā)電階段的電能輸出。
(4)發(fā)電二極管的設(shè)置，實現(xiàn)了更合理的低勵磁電壓和高發(fā)電電壓的模式，加之充電主電路中變壓器的隔離作用，使得本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)于更大功率等級的開關(guān)磁阻發(fā)電機。
(5)通過蓄電池作為勵磁電源，本發(fā)明具備了他勵型開關(guān)磁阻發(fā)電機穩(wěn)定性好的優(yōu)點，同時自帶的自充電主電路實現(xiàn)為蓄電池自主充電，則規(guī)避了他勵型缺點，減少了維護工作量。
(6)在一定范圍內(nèi)可通過調(diào)節(jié)控制開關(guān)管的占空比，實現(xiàn)向蓄電池充電電源的相對獨立調(diào)節(jié)，從而更有利于安全、可靠充電。
(7)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了自動化、智能化的調(diào)控，除了恒速開關(guān)磁阻發(fā)電機外，也非常適合于變速的譬如基于開關(guān)磁阻發(fā)電機的變速風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，適用面寬廣。
附圖說明
圖1所示為本發(fā)明的自強化自充電他勵型開關(guān)磁阻發(fā)電機的變流器電路結(jié)構(gòu)圖。
圖1中：1、變流主電路，2、勵磁電源，3、充電主電路。
具體實施方式
自強化自充電他勵開關(guān)磁阻發(fā)電機變流器，電路結(jié)構(gòu)如附圖1所示，由變流主電路1、勵磁電源2、發(fā)電二極管d10、母線電容器cm、充電主電路3組成，變流主電路1輸入兩端連接勵磁電源2輸出兩端，變流主電路1輸出正極端經(jīng)由發(fā)電二極管d10連接母線電容器cm正極端，同時連接充電主電路3輸入正極端，發(fā)電二極管d10陽極連接變流主電路1輸出正極端，變流主電路1輸出負極端連接母線電容器cm負極端同時連接充電主電路3輸入負極端，充電主電路3輸出兩端連接勵磁電源2輸入兩端。
變流主電路由3個變流支路并聯(lián)連接組成，每個變流支路中連接一相繞組，分別為m、n、p三相繞組，每相繞組又分為兩套繞組，分別對稱集中分布于開關(guān)磁阻發(fā)電機定子磁極上，任何瞬時有一相繞組所在變流支路工作，每個變流支路具體由第一二極管d1/d4/d7、第二二極管d2/d5/d8、第三二極管d3/d6/d9、第一開關(guān)管v1/v4/v7、第二開關(guān)管v2/v5/v8、第三開關(guān)管v3/v6/v9、相繞組第一套繞組m1/n1/p1、相繞組第二套繞組m2/n2/p2組成，第一二極管d1/d4/d7陰極、第一開關(guān)管v1/v4/v7陽極、第三二極管d3/d6/d9陰極短接并作為變流主電路1輸入輸出正極端，第二開關(guān)管v2/v5/v8陰極、第二二極管d2/d5/d8陽極、第三開關(guān)管v3/v6/v9陰極短接并作為變流主電路1輸入輸出負極端，第一二極管d1/d4/d7陽極與第二開關(guān)管v2/v5/v8陽極以及相繞組第一套繞組m1/n1/p1一端連接，相繞組第一套繞組m1/n1/p1另一端與相繞組第二套繞組m2/n2/p2一端以及第一開關(guān)管v1/v4/v7陰極、第二二極管d2/d5/d8陰極連接，相繞組第二套繞組m2/n2/p2另一端與第三二極管d3/d6/d9陽極以及第三開關(guān)管v3/v6/v9陽極連接。
勵磁電源2由勵磁二極管d0和蓄電池x串聯(lián)連接組成，其中蓄電池x正極連接勵磁二極管d0陽極，勵磁二極管d0陰極和蓄電池x負極作為勵磁電源2輸出正負端，蓄電池x正負極兩端作為勵磁電源2的輸入正負極兩端。
蓄電池x額定電壓小于變流主電路1輸出額定電壓即母線電容器cm兩端額定電壓，發(fā)電二極管d10則防止變流主電路1輸出電壓即母線電壓反向作為勵磁電壓，而由勵磁電源2中蓄電池x這個相對更穩(wěn)定的電源產(chǎn)生勵磁電壓。
充電主電路3由輸入電容器c1、變壓器t第一繞組a、變壓器t第二繞組b、變壓器t第三繞組c、第四二極管d11、控制開關(guān)管v10、第五二極管d12、第六二極管d13、電感l(wèi)、輸出電容器c2組成，輸入電容器c1正負極兩端分別作為充電主電路3輸入正負極兩端，變壓器t第一繞組a一端和變壓器t第二繞組b一端以及輸入電容器c1正極端連接，變壓器t第一繞組a另一端與第四二極管d11陰極連接，變壓器t第二繞組b另一端與控制開關(guān)管v10陽極連接，控制開關(guān)管v10陰極與第四二極管d11陽極以及輸入電容器c1負極端連接，變壓器t第二繞組b與變壓器t第三繞組c耦合并且極性相同，變壓器t第一繞組a極性與變壓器t第二繞組b和變壓器t第三繞組c極性相反，變壓器t第三繞組c一端與第五二極管d12陽極連接，第五二極管d12陰極與電感l(wèi)一端以及第六二極管d13陰極連接，電感l(wèi)另一端與輸出電容器c2正極連接并作為充電主電路3輸出正極端，輸出電容器c2負極與第六二極管d13陽極以及變壓器t第三繞組c另一端連接并作為充電主電路3輸出負極端；
變壓器t的a/b/c三套繞組匝數(shù)相等。
變流器起動運行前，蓄電池x存在剩余電量或滿電狀態(tài)，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息，假設(shè)m相繞組需投入工作，則其所在變流支路中的第一開關(guān)管v1、第二開關(guān)管v2、第三開關(guān)管v3閉合，進入勵磁階段，由勵磁電源2中的蓄電池x經(jīng)由勵磁二極管d0供電勵磁，具體分為兩個勵磁回路，分別為x-d0-v1-m1-v2-x和x-d0-v1-m2-v3-x，可見該m相繞組的兩套繞組各自承受的是整個勵磁電源2的輸出電壓，相比傳統(tǒng)勵磁方式下一相繞組串聯(lián)的方式，自強化了勵磁；
待根據(jù)轉(zhuǎn)子位置情況，以上勵磁階段結(jié)束時，如果檢測到繞組電流未達到所需電流最高限制值，則控制第二開關(guān)管v2和第三開關(guān)管v3斷開，而第一開關(guān)管v1保持閉合狀態(tài)，此為進入續(xù)流階段，電流回路為m1-d1-v1-m1和m2-d3-v1-m2，由于此時兩套繞組不受外在反向電壓作用，繞組電流將快速上升，續(xù)流階段正常結(jié)束前達到所需電流值則提前關(guān)斷第一開關(guān)管v1，續(xù)流階段正常結(jié)束點繞組電流仍未達到所需值，仍關(guān)斷第一開關(guān)管v1；關(guān)斷第一開關(guān)管v1后隨即進入發(fā)電階段；
待根據(jù)轉(zhuǎn)子位置情況，以上勵磁階段結(jié)束時，如果檢測到繞組電流已達到所需電流最高限制值，則關(guān)斷第一開關(guān)管v1、第二開關(guān)管v2、第三開關(guān)管v3，直接進入發(fā)電階段；
發(fā)電階段的電流流向為m1-d1-cm-d2-m1和m2-d3-cm-d2-m2兩個發(fā)電電流輸出回路，兩套繞組分別承受來自母線電容器cm兩端的反向母線電壓，從而根據(jù)轉(zhuǎn)子位置情況到發(fā)電階段結(jié)束時易于使得繞組電流快速下降到零，實際中因發(fā)電階段結(jié)束角度為繞組電感最小區(qū)域，根據(jù)開關(guān)磁阻發(fā)電機基本理論，此時電流將在反向母線電壓加持下快速降至零。
以上為m相繞組所在變流支路工作的過程，待m相繞組工作結(jié)束，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息，下一相繞組工作來臨后，其工作過程與前述m相繞組工作過程一致；如此這般，母線電容器cm可接收到連續(xù)不斷的電能輸出，同時母線電容器cm起到平穩(wěn)電壓波形的作用。
當(dāng)檢測到蓄電池x容量低于其下限值時，啟動充電主電路3向蓄電池x充電；
通過對控制開關(guān)管v10的pwm開關(guān)控制，將變流主電路1發(fā)出的電能經(jīng)變壓器t隔離后向蓄電池x充電，根據(jù)檢測的蓄電池x端電壓和電流，調(diào)節(jié)控制開關(guān)管v10的開關(guān)占空比，直至充滿電后完全關(guān)斷控制開關(guān)管v10，充電結(jié)束，充電主電路3的具體工作過程為：
控制開關(guān)管v10閉合后，根據(jù)附圖1所示結(jié)構(gòu)，第五二極管d12導(dǎo)通并向電感l(wèi)充電，同時向輸出電容器c2充電并輸出給蓄電池x充電，變壓器t第一繞組a由于第四二極管d11的作用該支路無電流；控制開關(guān)管v10斷開后，電感l(wèi)通過第六二極管d13續(xù)流，此時變壓器t第一繞組a承載的感應(yīng)自變壓器t第二繞組b的磁能轉(zhuǎn)化為勵磁電流經(jīng)由第四二極管d11和第一繞組a流回充電主電路3輸入端，為了在下一控制開關(guān)管v10的開關(guān)周期開始前使得勵磁電流降為零，從而確保安全，需要控制開關(guān)管v10足夠的關(guān)斷時間，工作中令控制開關(guān)管v10一個開關(guān)周期中的關(guān)斷時間始終大于開通時間，即占空比始終小于0.5，同時電感l(wèi)的取值較大，確保電感l(wèi)的電流不出現(xiàn)斷續(xù)，再結(jié)合變壓器t三套繞組匝數(shù)都相同的條件，從而可得到該充電主電路3的輸出電壓值等于控制開關(guān)管v10占空比乘以輸入電壓值，通過在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)控制開關(guān)管v10的占空比，調(diào)節(jié)給予蓄電池x的充電電壓和電流。