本發(fā)明涉及蓄電池充電領(lǐng)域，具體涉及一種利用柴油機(jī)拖動開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)直接向蓄電池充電的電路及其控制方法。
背景技術(shù)：
利用開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)發(fā)電，是一種新型的發(fā)電方式。
將開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)用于柴油發(fā)電機(jī)組，也是一種創(chuàng)新，相比傳統(tǒng)交流發(fā)電機(jī)組，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)直接發(fā)出直流電，特別適合于直流負(fù)載；另外，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)也存在結(jié)構(gòu)簡單堅固、成本低、容錯性強等優(yōu)點，非常適合于野外惡劣環(huán)境中使用。
蓄電池都是直流電，需要直流充電機(jī)充電，從而就有了利用直接發(fā)出直流電的開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)作為蓄電池充電機(jī)的設(shè)想。
考慮到大部分野外、島嶼、船舶上等等應(yīng)用的柴油發(fā)電機(jī)組體積較為龐大，相關(guān)離網(wǎng)電氣設(shè)備所用蓄電池容量也大小不一，也就是說，為了適應(yīng)更多不同容量蓄電池的充電的需求，希望一套基于開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的柴油發(fā)電機(jī)組滿足該需求，則一定具備廣泛的業(yè)界需求。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
根據(jù)以上的背景技術(shù)，本發(fā)明針對適應(yīng)大范圍容量的蓄電池充電問題，也考慮到快速充電問題，提出了一種利用開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)作為柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)，其充電主電路及其控制方法來實現(xiàn)以上功能的設(shè)計方案及其實現(xiàn)實例。
本發(fā)明的技術(shù)方案為；
一種蓄電池充電機(jī)，由柴油機(jī)、開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)、充電主電路、控制器、蓄電池組成，其特征在于，所述柴油機(jī)拖動所述開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的繞組連接于所述充電主電路中，充電主電路連接所述蓄電池，所述控制器接收來自開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)、充電主電路以及蓄電池的信號，并輸出信號控制充電主電路的運行；
充電主電路由相繞組變流主電路、充電電容器、勵磁主電路組成，所述相繞組變流主電路輸出并聯(lián)連接所述充電電容器并連接所述勵磁主電路的輸入端以及蓄電池，相繞組變流主電路的輸入端連接勵磁主電路的輸出端；
相繞組變流主電路由三到四個相繞組變流支路并聯(lián)連接組成，每個相繞組變流支路由一相相繞組、續(xù)流開關(guān)管、勵磁開關(guān)管、發(fā)電開關(guān)管組成，其中所述相繞組一端與所述續(xù)流開關(guān)管陰極連接并作為相繞組變流主電路輸入正極端和輸出負(fù)極端即勵磁主電路輸出正極端、充電電容器負(fù)極端、蓄電池負(fù)極端、勵磁主電路輸入負(fù)極端，相繞組另一端連接所述勵磁開關(guān)管陽極、續(xù)流開關(guān)管陽極、所述發(fā)電開關(guān)管陽極，勵磁開關(guān)管陰極作為相繞組變流主電路輸入負(fù)極端即勵磁主電路輸出負(fù)極端，發(fā)電開關(guān)管陰極作為相繞組變流主電路輸出正極端連接充電電容器正極端、蓄電池正極端及勵磁主電路輸入正極端；
勵磁主電路由輸入電容器、變壓器、控制開關(guān)管、二極管、輸出電容器組成，其中所述輸入電容器正極作為勵磁主電路輸入正極端連接所述變壓器一次繞組一端，變壓器一次繞組另一端連接所述控制開關(guān)管陽極，控制開關(guān)管陰極連接輸入電容器負(fù)極并作為勵磁主電路輸入負(fù)極端，變壓器二次繞組一端連接所述二極管陽極，變壓器二次繞組另一端與一次繞組一端作為同名端，連接所述輸出電容器負(fù)極并作為勵磁主電路輸出負(fù)極端，輸出電容器正極連接二極管陰極并作為勵磁主電路輸出正極端。
一種蓄電池充電機(jī)的控制方法，根據(jù)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)基本工作原理，并且開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)定子繞組采取固定開關(guān)角的方式，控制器接收手動輸入的充電指令，檢測蓄電池兩端即充電電容器兩端與勵磁主電路輸入電壓信號、蓄電池充電電流信號、開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號、各相繞組電流信號、勵磁主電路輸出勵磁電壓信號，輸出控制充電主電路中全部開關(guān)管，其特征在于：
充電控制即開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號相應(yīng)的相繞組變流支路工作中分為兩種工作模式：
模式一，中低勵磁模式：勵磁階段開始時勵磁開關(guān)管閉合，控制開關(guān)管采用PWM斬波控制方式，控制開關(guān)管的具體占空比大小根據(jù)檢測得到的蓄電池充電所需充電電流和電壓需要而調(diào)節(jié)，勵磁階段結(jié)束后勵磁開關(guān)管關(guān)斷，發(fā)電開關(guān)管閉合，進(jìn)入發(fā)電階段，發(fā)電開關(guān)管也采用PWM斬波控制，并根據(jù)蓄電池側(cè)所需電流電壓而調(diào)節(jié)占空比大小，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號達(dá)到發(fā)電結(jié)束時間時斷開發(fā)電開關(guān)管控制信號，該相繞組變流支路工作結(jié)束；
模式二，高勵磁模式：控制開關(guān)管采用PWM斬波控制的開關(guān)占空比大于0.5，勵磁階段開始時勵磁開關(guān)管閉合，控制開關(guān)管的具體占空比大小根據(jù)檢測得到的蓄電池充電所需充電電流和電壓需要而調(diào)節(jié)，勵磁階段結(jié)束后，勵磁開關(guān)管斷開并且續(xù)流開關(guān)管閉合，進(jìn)入續(xù)流階段，當(dāng)相繞組電流達(dá)到續(xù)流階段設(shè)定的最長時間之前達(dá)到限定值時，斷開續(xù)流開關(guān)管，否則到達(dá)設(shè)定的續(xù)流階段最長時間時斷開續(xù)流開關(guān)管，然后閉合發(fā)電開關(guān)管進(jìn)入發(fā)電階段，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號達(dá)到發(fā)電結(jié)束時間時關(guān)斷發(fā)電開關(guān)管，該相繞組變流支路工作結(jié)束。
本發(fā)明的技術(shù)效果主要有：
(1)采用開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)作為柴油發(fā)電機(jī)組主發(fā)電機(jī)，針對蓄電池充電這種典型直流負(fù)載，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)直接發(fā)出直流電，省去了整流環(huán)節(jié)，除了開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)本體成本低于交流發(fā)電機(jī)，變流器省去了整流環(huán)節(jié)也節(jié)省了成本，另外開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)還有容錯性強的優(yōu)點，更適合于野外無電網(wǎng)地區(qū)的應(yīng)用。
(2)在相繞組變流主電路中，各繞組變流支路中，續(xù)流開關(guān)管的設(shè)置，可在需要增強電能輸出能力時，增加一續(xù)流階段，在無反向電壓下快速提升繞組電流，提高了發(fā)電機(jī)組的功率輸出能力和適應(yīng)面。
(3)發(fā)電開關(guān)管的設(shè)置，尤其在當(dāng)他進(jìn)行PWM控制時，增強了系統(tǒng)的適應(yīng)性和控制輸出的精確性，另外，將理論上開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)發(fā)電階段繞組電流不可控這個缺憾得以克服！
(4)隔離型勵磁主電路完成開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的解耦化自勵磁，克服了傳統(tǒng)自勵和他勵的缺點，更重要的是勵磁電壓可以相對獨立調(diào)節(jié)而不完全受蓄電池電壓制約。
(5)本發(fā)明控制模式分為兩大類，針對不同容量、不同充電速度要求、不同充電階段的蓄電池，都有相應(yīng)的因應(yīng)之道，可更安全充電，適應(yīng)面更廣，做到一臺發(fā)電機(jī)組給不同蓄電池都可以可靠、安全、快速充電。
(6)在中低勵磁模式下，發(fā)電開關(guān)管的PWM工作模式在實際中僅僅在滿足相當(dāng)苛刻條件下才進(jìn)入PWM模式，所以大部分工況下發(fā)電開關(guān)管為單脈波模式，即一階段工作時要么閉合要么斷開，很少有頻繁開斷的PWM工作模式情況，所以開關(guān)損耗并不大；續(xù)流開關(guān)管、勵磁開關(guān)管也是單脈波模式。
(7)與傳統(tǒng)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)功率變換器相比，本發(fā)明的相繞組變流主電路結(jié)構(gòu)簡單，無需主二極管，僅僅增加一續(xù)流開關(guān)管，但增加了適應(yīng)更寬發(fā)電范圍的功能，提高了發(fā)電能力。
(8)本發(fā)明提出了一種新的蓄電池充電裝置，可以根據(jù)蓄電池充電狀態(tài)進(jìn)行自我調(diào)節(jié)充電電能的裝置，可以根據(jù)不同容量蓄電池進(jìn)行自我調(diào)節(jié)充電電能的裝置，可以根據(jù)對充電時間快速性要求而選擇快速充電的充電裝置，這些都基于一身；必然具有廣闊的應(yīng)用前景。
附圖說明
圖1所示為本發(fā)明的基于開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的蓄電池充電主電路結(jié)構(gòu)圖。
圖1中：1、相繞組變流主電路，2、勵磁主電路。
具體實施方式
一種蓄電池充電機(jī)，由柴油機(jī)、開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)、充電主電路、控制器、蓄電池X組成，柴油機(jī)恒速拖動開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的繞組連接于充電主電路中，充電主電路連接蓄電池X，控制器接收來自開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)、充電主電路以及蓄電池X的信號，并輸出信號控制充電主電路的運行。
如附圖1所示，充電主電路由相繞組變流主電路1、充電電容器Cm、勵磁主電路2組成，相繞組變流主電路1輸出并聯(lián)連接充電電容器Cm并連接勵磁主電路2的輸入端以及蓄電池X，相繞組變流主電路1的輸入端連接勵磁主電路2的輸出端。
本實施例的相繞組變流主電路1由四個相繞組變流支路并聯(lián)連接組成，每個相繞組變流支路由一相相繞組M/N/P/Q、續(xù)流開關(guān)管V1/V4/V7/V10、勵磁開關(guān)管V2/V5/V8/V11、發(fā)電開關(guān)管V3/V6/V9/V12組成，相繞組M/N/P/Q一端與續(xù)流開關(guān)管V1/V4/V7/V10陰極連接并作為相繞組變流主電路1輸入正極端和輸出負(fù)極端即勵磁主電路2輸出正極端、充電電容器Cm負(fù)極端、蓄電池X負(fù)極端、勵磁主電路2輸入負(fù)極端，相繞組M/N/P/Q另一端連接勵磁開關(guān)管V2/V5/V8/V11陽極、續(xù)流開關(guān)管V1/V4/V7/V10陽極、發(fā)電開關(guān)管V3/V6/V9/V12陽極，勵磁開關(guān)管V2/V5/V8/V11陰極作為相繞組變流主電路1輸入負(fù)極端即勵磁主電路2輸出負(fù)極端，發(fā)電開關(guān)管V3/V6/V9/V12陰極作為相繞組變流主電路1輸出正極端連接充電電容器Cm正極端、蓄電池X正極端及勵磁主電路2輸入正極端。
勵磁主電路2由輸入電容器C1、變壓器T、控制開關(guān)管V13、二極管D、輸出電容器C2組成，輸入電容器C1正極作為勵磁主電路2輸入正極端連接變壓器T一次繞組a一端，變壓器T一次繞組a另一端連接控制開關(guān)管V13陽極，控制開關(guān)管V13陰極連接輸入電容器C1負(fù)極并作為勵磁主電路2輸入負(fù)極端，變壓器T二次繞組b一端連接二極管D陽極，變壓器T二次繞組b另一端與一次繞組a一端作為同名端，連接輸出電容器C2負(fù)極并作為勵磁主電路2輸出負(fù)極端，輸出電容器C2正極連接二極管D陰極并作為勵磁主電路2輸出正極端；變壓器T實現(xiàn)了勵磁主電路2的輸入輸出兩端的電磁隔離，其一次繞組a和二次繞組b的匝數(shù)相等，設(shè)控制開關(guān)管V13工作期間的占空比為α，則該勵磁主電路2的輸出勵磁電壓VL與輸入電壓VX之間的關(guān)系為：
VL＝VX·[α/(1-α)]
從而，該勵磁主電路2，當(dāng)控制開關(guān)管V13的α＜0.5時降壓，α＞0.5時則實現(xiàn)升壓。
本實施例的蓄電池充電機(jī)的控制方法，根據(jù)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)基本工作原理，并且開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)定子繞組采取固定開關(guān)角的方式，根據(jù)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號，確定需投入工作的相繞組及相繞組變流主電路1中所在的變流支路，在控制器接收手動輸入的充電指令后，檢測蓄電池X兩端即充電電容器Cm兩端與勵磁主電路2輸入電壓信號、蓄電池X充電電流信號、開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號、各相繞組電流信號、勵磁主電路2輸出勵磁電壓信號，控制需工作的繞組支路投入工作，并對充電主電路中全部開關(guān)管進(jìn)行控制；
充電控制即開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號相應(yīng)的相繞組變流支路工作中分為兩種工作模式：
模式一，中低勵磁模式：勵磁階段開始時勵磁開關(guān)管V2/V5/V8/V11閉合，控制開關(guān)管V13采用PWM斬波控制方式，占空比越大，勵磁主電路2輸出勵磁電壓越大，發(fā)電機(jī)相繞組勵磁階段電流越大，反之越小，實際中控制開關(guān)管V13的具體占空比大小根據(jù)檢測得到的蓄電池X充電所需充電電流和電壓需要而定，勵磁階段結(jié)束后勵磁開關(guān)管V2/V5/V8/V11關(guān)斷，發(fā)電開關(guān)管V3/V6/V9/V12閉合，進(jìn)入發(fā)電階段，發(fā)電開關(guān)管V3/V6/V9/V12也采用PWM斬波控制，并根據(jù)蓄電池X側(cè)所需電流電壓而調(diào)節(jié)占空比大小，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號達(dá)到發(fā)電結(jié)束時間時斷開發(fā)電開關(guān)管V3/V6/V9/V12控制信號，該相繞組變流支路工作結(jié)束；該模式還遵循一條規(guī)律，即只有當(dāng)控制開關(guān)管V13的占空比達(dá)到實際的極限無法再調(diào)節(jié)后，才在接下來的繞組變流支路工作中采用發(fā)電開關(guān)管PWM模式下占空比小于1的操作，即只要通過控制開關(guān)管V13的PWM調(diào)節(jié)能完成的發(fā)電輸出需求，則接下來的發(fā)電開關(guān)管的PWM控制占空比為1(實為單脈波模式)。
模式二，高勵磁模式：控制開關(guān)管V13采用PWM斬波控制的開關(guān)占空比大于0.5，勵磁階段開始時勵磁開關(guān)管V2/V5/V8/V11閉合，控制開關(guān)管V13的具體占空比大小根據(jù)檢測得到的蓄電池X充電所需充電電流和電壓需要而調(diào)節(jié)，勵磁階段結(jié)束后，勵磁開關(guān)管V2/V5/V8/V11斷開并且續(xù)流開關(guān)管V1/V4/V7/V10閉合，進(jìn)入續(xù)流階段，由于此時該通電相繞組的電流回路上(假設(shè)是M相繞組，則為M-V1-M回路)沒有給予繞組以電壓，其電流將快速上升，當(dāng)相繞組電流達(dá)到續(xù)流階段設(shè)定的最長時間之前達(dá)到限定值時，斷開續(xù)流開關(guān)管V1/V4/V7/V10，否則到達(dá)設(shè)定的續(xù)流階段最長時間時斷開續(xù)流開關(guān)管V1/V4/V7/V10，然后閉合發(fā)電開關(guān)管V3/V6/V9/V12進(jìn)入發(fā)電階段，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號達(dá)到發(fā)電結(jié)束時間時關(guān)斷發(fā)電開關(guān)管V3/V6/V9/V12，該相繞組變流支路工作結(jié)束。
柴油機(jī)起動后恒速拖動開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，即開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)恒的。
柴油機(jī)及開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)起動并穩(wěn)速后，充電主電路工作前待充電的蓄電池X先接入(如附圖1)，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)發(fā)電起動初期即相繞組變流主電路1投入工作起動時所需勵磁電源來自于蓄電池X的剩余電能，經(jīng)由勵磁主電路2即控制開關(guān)管V13按PWM方式開關(guān)工作，輸出勵磁電壓給相應(yīng)相繞組所在變流支路進(jìn)入勵磁階段。
本實施例下，根據(jù)蓄電池X的不同充電快慢要求、不同容量蓄電池X、不同充電時段等對電能供應(yīng)的不同要求，可通過控制器實現(xiàn)在如上模式一和模式二之間切換，在同一模式內(nèi)，也根據(jù)不同實際充電情況選擇不同的開關(guān)方式和占空比；
在蓄電池X充電已達(dá)容量的95％以上時，或針對中小容量蓄電池X的充電，則在模式一即中低勵磁模式下控制運行即可滿足需求；反之在大容量蓄電池X及其充電容量95％之前，則采用模式二即高勵磁模式實現(xiàn)大發(fā)電功率輸出的控制模式，另外，在快充指令下，蓄電池X電壓、繞組電流及充電電流反饋控制器進(jìn)行保護(hù)措施下，采用模式二也可針對中小容量蓄電池X進(jìn)行快速充電作業(yè)。
此外，根據(jù)蓄電池X端電壓和電流檢測結(jié)果，結(jié)合給定指令，本實施例也可以根據(jù)需要實現(xiàn)恒電流或恒電壓充電。
本實施例所述蓄電池X容量的大小，是根據(jù)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的額定功率來說的，蓄電池X額定容量低于開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)額定功率的50％，則認(rèn)為是中小容量蓄電池X，常規(guī)主充電(95％容量前)期間適合于中低勵磁模式下；反之高于50％開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)額定功率的蓄電池X為大容量蓄電池X，主充電期間適合于高勵磁模式。
充電電容器Cm的值選取要較大，以適應(yīng)更寬容量的蓄電池X，以及濾波作用。
全部的開關(guān)管選用IGBT(含IPM)或者M(jìn)OSFET或者GTR等全控型電力電子開關(guān)器件。