本發(fā)明涉及開關磁阻電機領域，具體涉及一種電動/發(fā)電工況自由切換、快速退磁、自動充電可持續(xù)性強的開關磁阻電機功率變換器系統。

背景技術：

開關磁阻電機結構簡單堅固，轉子上無繞組、無永磁體，成本低，具有廣闊的應用前景。

在有些應用領域，既需要主動力也需要適時產生電能，通過同一套系統實現電動/發(fā)電雙功能，具有一定的市場前景，增加了效益。

目前，針對開關磁阻發(fā)電機的功率變換器系統中，出現了一些提高勵磁能力的結構和方法，主要是增加勵磁電壓，進而提高勵磁電流，使得勵磁階段的電流能更快速的上升，從而提高勵磁電流的同時減小了勵磁時間，進而提高發(fā)電輸出能力。

不管是開關磁阻發(fā)電機還是開關磁阻電動機，根據轉子位置信息，要關斷繞組供電時，由于繞組的感性性質，電流不能立刻降為零，容易出現電流滯后進入后續(xù)的電感變化區(qū)域，降低發(fā)電機或電動機的效率，常規(guī)的方法往往是提前關斷，但降低了功率輸出能力，能快速將電流降到零是業(yè)界的研究熱點。

開關磁阻發(fā)電機直接發(fā)出直流電，為了適應不同直流電源的需求，往往將其發(fā)出的直流電經不同變換電路再產生幾路直流電源，增加了系統的結構和復雜度。

目前他勵的開關磁阻發(fā)電機往往采用獨立的直流電源供電勵磁，一般為蓄電池，蓄電池電量用完，發(fā)電機無法工作；另外，對于無電網電源地區(qū)，作為開關磁阻電動機，也只能采用蓄電池這類蓄電裝置作為電源，電能用一點就少一點，沒有可持續(xù)性；對于自勵型開關磁阻發(fā)電機，勵磁電源自勵，很好的解決了他勵電源電量用完無法工作的問題，但作為電動機的話仍需要獨立電源。

技術實現要素：

根據以上的背景技術，本發(fā)明就提出了一種兼顧發(fā)電/電動運行工況，可持續(xù)性提供勵磁電源，實現快速退磁的靈活可控的開關磁阻電機功率變換器及其控制方法。

本發(fā)明的技術方案為：

一種開關磁阻電機功率變換器，由功率變換器主電路、勵磁電路、充電電路組成，其技術特征是，所述功率變換器主電路與所述勵磁電路和所述充電電路連接，并輸出，充電電路與勵磁電路連接；

功率變換器主電路由2-5個功率變換支路和輸出電容器組成，所述2-5個功率變換支路之間并聯連接；每個功率變換支路內部連接并控制開關磁阻電機的一相繞組，每相繞組分為兩個相繞組支路，每個功率變換支路由第一開關管、第二開關管、第一二極管、第二二極管、第三二極管、第四二極管、第五二極管、第一電容器、第一相繞組支路、第二相繞組支路組成，其中，所述第一開關管陽極作為功率變換支路即功率變換器主電路的輸入正極端，第一開關管陰極連接所述第一二極管陽極、所述第二二極管陰極、所述第二相繞組支路一端，第二二極管陽極連接所述第一電容器負極并作為功率變換支路即功率變換器主電路的輸入負極端，同時也作為功率變換支路即功率變換器主電路輸出地端，第一二極管陰極連接所述第三二極管陰極、所述第一相繞組支路一端，第三二極管陽極連接第二相繞組支路另一端、所述第四二極管陽極，第一相繞組支路另一端連接所述第二開關管陽極、第四二極管陰極、所述第五二極管陽極，第五二極管陰極作為功率變換支路即功率變換器主電路輸出正極端，第二開關管陰極連接第一電容器正極并作為功率變換支路即功率變換器主電路輸出負極端，功率變換器主電路正負極兩端之間連接所述輸出電容器；

勵磁電路由第一蓄電池、第二蓄電池、第三蓄電池、第一繼電器、第二繼電器、第三繼電器、第四繼電器、第五繼電器、第六繼電器、第六二極管組成，所述第一蓄電池正極和所述第一繼電器一端、所述第二繼電器一端、所述第六二極管陽極連接，并作為勵磁電路輸入正極端，第六二極管陰極作為勵磁電路輸出正極端與功率變換器主電路輸入正極端連接，第一蓄電池負極與所述第三繼電器一端、所述第四繼電器一端連接并作為勵磁電路輸入負極端，第三繼電器另一端連接第一繼電器另一端和所述第二蓄電池正極，第二蓄電池負極連接第四繼電器另一端和所述第五繼電器一端、所述第六繼電器一端，第五繼電器另一端連接第二繼電器另一端和所述第三蓄電池正極，第三蓄電池負極連接第六繼電器另一端并作為勵磁電路輸出負極端與功率變換器主電路輸入負極端連接；

充電電路由第三開關管、第四開關管、變壓器、第七二極管、第八二極管、第二電容器、第三電容器、電感組成，所述第三開關管陰極作為充電電路輸入負極端連接功率變換器主電路輸出地端，第三開關管陽極連接所述變壓器一次繞組一端，變換器一次繞組另一端作為充電電路輸入正極端連接功率變換器主電路輸出正極端，變壓器二次繞組一端連接所述第七二極管陽極，第七二極管陰極連接所述第二電容器正極和所述第四開關管陽極，第四開關管陰極連接所述第八二極管陰極和所述電感一端，電感另一端連接所述第三電容器正極并作為充電電路輸出正極端連接勵磁電路輸入正極端，第三電容器負極連接第八二極管陽極、第二電容器負極、變壓器二次繞組另一端，并作為充電電路輸出負極端連接勵磁電路輸入負極端。

一種開關磁阻電機功率變換器的控制方法，其特征是，當開關磁阻電機作為電動機運行時，第一繼電器、第二繼電器、第四繼電器、第六繼電器、第三開關管、第四開關管始終處于斷開狀態(tài)，第三繼電器和第五繼電器始終處于閉合導通狀態(tài)；根據開關磁阻電機的轉子位置信息，需要某相繞組通電時，該相繞組所在功率變換支路的第一開關管和第二開關管閉合導通，通電完畢，該功率變換支路的第一開關管和第二開關管斷開；

當開關磁阻電機作為發(fā)電機運行時，第一繼電器、第二繼電器、第四繼電器、第六繼電器始終處于閉合導通狀態(tài)，第三繼電器和第五繼電器始終處于斷開狀態(tài)；發(fā)電運行期間根據轉子位置需工作的相繞組分為勵磁和發(fā)電兩大階段，勵磁階段時，需工作的相繞組所在的功率變換支路的第一開關管和第二開關管閉合導通，勵磁階段結束時第一開關管和第二開關管關斷并進入發(fā)電階段；當檢測到勵磁電路的三個蓄電池總電量低于下限值時，充電電路投入工作，即第三開關管和第四開關管各自以一定的占空比，按照pwm模式開關控制，通過調節(jié)第三開關管和第四開關管的占空比，調節(jié)充電電路輸出的電壓和電流，以滿足勵磁電路中蓄電池充電需求，待檢測到勵磁電路的三個蓄電池總電量高于上限值時，第三開關管和第四開關管關斷，充電電路停止工作。

本發(fā)明的技術效果主要有：

(1)本發(fā)明的同一套功率變換器電路裝置，根據需要，電動/發(fā)電工況自由切換，適應面廣。

(2)開關磁阻電機的每一相繞組分為了兩個支繞組，實際中往往繞制于對稱的不同定子凸極上，該兩個支繞組并聯，發(fā)電工況時，利于增強勵磁能力，提高發(fā)電能力，電動工況時，增強了供電能力。

(3)第一電容器的設置，使得本發(fā)明的輸出端為三個端子，即功率變換器主電路輸出正極端、負極端、地端，第一電容器與輸出電容器串聯，從而可得到三個不同大小的輸出電源，提高了本發(fā)明的適應性。

(4)第一電容器的設置，在電動工況時，供電結束第一開關管和第二開關管關斷后續(xù)流時，繞組的反向電壓增加了一個第一電容器兩端電壓，從而能加快繞組電流快速降到零，否則在進入繞組電感下降區(qū)域后會有反向轉矩降低開關磁阻電機的效率，另一角度來說，相繞組供電關斷的時刻相對可延后，從而提高了開關磁阻電機作為電動運行時的輸出能力；在發(fā)電工況時，同樣是有利于快速關斷，可延后關斷時刻，增加發(fā)電輸出能力，發(fā)電階段結束關斷第一開關管和第二開關管后，繞組的反向電壓為第一電容器兩端和輸出電容器兩端電壓之和，加快繞組電流降至零。

(5)在發(fā)電工況時，勵磁階段結束，第一開關管關斷，若保持第二開關管閉合導通狀態(tài)，由于此時繞組所受到的反向電壓只有第一電容器給予的，繞組電流相對會維持較大的值，也就是說增加了類似的一個續(xù)流階段，續(xù)流結束第二開關管再關斷進入發(fā)電階段；另外也有利于當第一電容器兩端輸出帶有直流負載時，因為續(xù)流階段也就是第一電容器被充電產生直流電源的階段。

(6)勵磁電路中三個蓄電池的串聯或并聯的自動切換，使得同一套電路適應了電動/發(fā)電兩種工況下自由切換工作的能力，此也是基于作為發(fā)電機勵磁電源電壓的需求要明顯小于作為電動機時供電電壓需求的實際情況，本發(fā)明為相差三倍。

(7)充電電路同時也是一款dc/dc變換器電路，或簡稱直流變壓器，具備隔離功能，提高了可靠性和安全性；勵磁電路勵磁電源的電能由充電電路充電，提高了本發(fā)明應用的可持續(xù)性、可靠性。

附圖說明

圖1所示為本發(fā)明的開關磁阻電機功率變換器電路結構圖。

圖2所示為本發(fā)明的開關磁阻電機定轉子之間位置關系及繞組電感變化圖。

圖1中：1、功率變換器主電路，2、勵磁電路，3、充電電路。

具體實施方式

一種開關磁阻電機功率變換器，結構圖如附圖1所示，由功率變換器主電路1、勵磁電路2、充電電路3組成，功率變換器主電路1與勵磁電路2和充電電路3連接，并輸出，充電電路3與勵磁電路2連接；

本實施例的功率變換器主電路1由3個功率變換支路和輸出電容器cm組成，3個功率變換支路之間并聯連接；每個功率變換支路內部連接并控制開關磁阻電機的一相繞組，每相繞組分為兩個相繞組支路，每個功率變換支路由第一開關管v1/v2/v3、第二開關管v4/v5/v6、第一二極管d1/d2/d3、第二二極管d4/d5/d6、第三二極管d7/d8/d9、第四二極管d10/d11/d12、第五二極管d13/d14/d15、第一電容器c1/c2/c3、第一相繞組支路m1/n1/p1、第二相繞組支路m2/n2/p2組成，其中，第一開關管v1/v2/v3陽極作為功率變換支路即功率變換器主電路1的輸入正極端，第一開關管v1/v2/v3陰極連接第一二極管d1/d2/d3陽極、第二二極管d4/d5/d6陰極、第二相繞組支路m2/n2/p2一端，第二二極管d4/d5/d6陽極連接第一電容器c1/c2/c3負極并作為功率變換支路即功率變換器主電路1的輸入負極端，同時也作為功率變換支路即功率變換器主電路1輸出地端，第一二極管d1/d2/d3陰極連接第三二極管d7/d8/d9陰極、第一相繞組支路m1/n1/p1一端，第三二極管d7/d8/d9陽極連接第二相繞組支路m2/n2/p2另一端、第四二極管d10/d11/d12陽極，第一相繞組支路m1/n1/p1另一端連接第二開關管v4/v5/v6陽極、第四二極管d10/d11/d12陰極、第五二極管d13/d14/d15陽極，第五二極管d13/d14/d15陰極作為功率變換支路即功率變換器主電路1輸出正極端，第二開關管v4/v5/v6陰極連接第一電容器c1/c2/c3正極并作為功率變換支路即功率變換器主電路1輸出負極端，功率變換器主電路1正負極兩端之間連接輸出電容器cm；

勵磁電路2由第一蓄電池x1、第二蓄電池x2、第三蓄電池x3、第一繼電器kt1、第二繼電器kt2、第三繼電器kt3、第四繼電器kt4、第五繼電器kt5、第六繼電器kt6、第六二極管d16組成，第一蓄電池x1正極和第一繼電器kt1一端、第二繼電器kt2一端、第六二極管d16陽極連接，并作為勵磁電路2輸入正極端，第六二極管d16陰極作為勵磁電路2輸出正極端與功率變換器主電路1輸入正極端連接，第一蓄電池x1負極與第三繼電器kt3一端、第四繼電器kt4一端連接并作為勵磁電路2輸入負極端，第三繼電器kt3另一端連接第一繼電器kt1另一端和第二蓄電池x2正極，第二蓄電池x2負極連接第四繼電器kt4另一端和第五繼電器kt5一端、第六繼電器kt6一端，第五繼電器kt5另一端連接第二繼電器kt2另一端和第三蓄電池x3正極，第三蓄電池x3負極連接第六繼電器kt6另一端并作為勵磁電路2輸出負極端與功率變換器主電路1輸入負極端連接；

充電電路3由第三開關管v7、第四開關管v8、變壓器t、第七二極管d17、第八二極管d18、第二電容器c4、第三電容器c5、電感l(wèi)組成，第三開關管v7陰極作為充電電路3輸入負極端連接功率變換器主電路1輸出地端，第三開關管v7陽極連接變壓器t一次繞組a一端，變換器t一次繞組a另一端作為充電電路3輸入正極端連接功率變換器主電路1輸出正極端，變壓器t二次繞組b一端連接第七二極管d17陽極，第七二極管d17陰極連接第二電容器c4正極和第四開關管v8陽極，第四開關管v8陰極連接第八二極管d18陰極和電感l(wèi)一端，電感l(wèi)另一端連接第三電容器c5正極并作為充電電路3輸出正極端連接勵磁電路2輸入正極端，第三電容器c5負極連接第八二極管d18陽極、第二電容器c4負極、變壓器t二次繞組b另一端，并作為充電電路3輸出負極端連接勵磁電路2輸入負極端。

本實施例的開關磁阻電機功率變換器的控制方法，當開關磁阻電機作為電動機運行時，第一繼電器kt1、第二繼電器kt2、第四繼電器kt4、第六繼電器kt6、第三開關管v7、第四開關管v8始終處于斷開狀態(tài)，第三繼電器kt3和第五繼電器kt5始終處于閉合導通狀態(tài)；根據開關磁阻電機的轉子位置信息，需要某相繞組通電時，該相繞組所在功率變換支路的第一開關管v1/v2/v3和第二開關管v4/v5/v6閉合導通，通電完畢，該功率變換支路的第一開關管v1/v2/v3和第二開關管v4/v5/v6斷開；

具體為，根據如附圖2所示開關磁阻電機定轉子相對位置信息，當檢測到某相繞組所在定轉子之間位置關系處于坐標0點附近時，該相繞組需通電，假設為m相繞組，即m1和m2構成的m相繞組，第一開關管v1和第二開關管v4閉合導通，串聯連接的第一蓄電池x1、第二蓄電池x2、第三蓄電池x3的電能經由d16、v1后分為兩個并聯分支即d1-m1和m2-d10后再經過v4-c1回到三個蓄電池x1/x2/x3形成供電回路；如附圖2所示，在θ1和θ2之間即繞組電感最小的lmin區(qū)段根據負載和控制需要閉合v1、v4，在θ3和θ4之間θα左右即繞組電感最大的lmax區(qū)段關斷v1、v4，否則繞組電流進入反向轉矩區(qū)(θ4之后)降低電機效率；接下來根據轉子位置信息，下一相繞組或n相或p相進入工作，則其所在相應功率變換支路的控制模式相同；

在每個功率變換支路停止工作后，以m相繞組為例，m相繞組中的儲能經由回路d4-m2-d7-m1-d13-cm-c1-d4向該回路中的兩個電容器轉移。

當開關磁阻電機作為發(fā)電機運行時，第一繼電器kt1、第二繼電器kt2、第四繼電器kt4、第六繼電器kt6始終處于閉合導通狀態(tài)，第三繼電器kt3和第五繼電器kt5始終處于斷開狀態(tài)；發(fā)電運行期間根據轉子位置需工作的相繞組分為勵磁和發(fā)電兩大階段，勵磁階段時，需工作的相繞組所在的功率變換支路的第一開關管v1/v2/v3和第二開關管v4/v5/v6閉合導通，勵磁階段結束時第一開關管v1/v2/v3和第二開關管v4/v5/v6關斷并進入發(fā)電階段；當檢測到勵磁電路2的各個蓄電池總電量低于下限值時，充電電路3投入工作，即第三開關管v7和第四開關管v8各自以一定的占空比，按照pwm模式開關控制，通過調節(jié)第三開關管v7和第四開關管v8的占空比，調節(jié)充電電路3輸出的電壓和電流，以滿足勵磁電路2中各蓄電池充電需求，待檢測到勵磁電路2的各個蓄電池總容量高于上限值時，第三開關管v7和第四開關管v8關斷，充電電路停止工作；

具體工作過程為：當檢測到某相繞組假設為m相繞組所在定轉子位置關系達到如附圖2所示的θ3位置后，控制第一開關管v1和第二開關管v4閉合導通，進入勵磁階段，路徑為勵磁電路2輸出正極端后與電動機通電運行狀態(tài)相同的回路，再返回勵磁電路2輸出負極端，根據運行中給定相關參數的需要，在到達θ4位置左右后，勵磁階段結束即關斷第一開關管v1和第二開關管v4，進入發(fā)電階段，m1和m2中的儲能沿著m2-d7-m1-d13-cm-c1-d4回路向回路中兩個電容器充電，同時輸出給用電負載，同時要確保在到達θ5左右的位置時m相繞組電流開始下降并且在θ6左右位置降到零，防止進入θ2-θ3區(qū)間的正向轉矩區(qū)降低發(fā)電效率；

當勵磁階段結束，只關斷第一開關管v1，第二開關管v4繼續(xù)保持閉合導通時，由于僅有第一電容器c1提供反向電壓，相對發(fā)電階段繞組受到第一電容器c1和輸出電容器cm電壓之和的情況，電流將相對能維持或上升或緩慢下降的趨勢，此為續(xù)流階段。

無論是在電動機工況還是發(fā)電機工況下，當檢測到勵磁電路2的蓄電池總電量過低，具體為檢測到蓄電池電壓和電流低于下限值時，同時電容器cm和c1兩端總電壓高于充電電路3可工作要求的電壓時，充電電路3開始工作，即向勵磁電路的蓄電池們充電，第三開關管v7和第四開關管v8各自按pwm控制方式工作；第三開關管v7閉合導通后，變壓器t一次側繞組a的電流線性增加儲能，第三開關管v7關斷后，變壓器t一次側繞組a的電流被切斷，其儲能通過二次側繞組b經由第七二極管d17釋放，并部分轉換為第二電容器c4的儲能，當第四開關管v8閉合導通時，來自第二電容器c4及經由第四開關管v8的電能經電感l(wèi)輸出，第四開關管v8關斷時，由于電感l(wèi)的作用，輸出端電流不間斷，并經由第八二極管d18續(xù)流持續(xù)輸出；

設第三開關管v7和第四開關管v8的pwm占空比分別為α1和α2，變壓器t一次側繞組a匝數與二次側繞組b匝數之比為y(繞組b匝數除以繞組a匝數值)，則充電電路3輸出電壓uc5和輸入電壓ucr的關系為：

電動機工況和發(fā)電機工況時由于勵磁電路2的三個蓄電池的串并聯連接方式不同，充電所需電壓和電流也不同，根據這兩種不同情況調整充電電路3的兩個開關管占空比以調整輸出電壓和電流范圍以滿足需求。

本實施例的各個開關管采用igbt或mosfet的全控型電力電子開關器件。