[发明专利]一种开关磁阻电机变流系统及其调控方法

权利要求书

1.一种开关磁阻电机变流系统，由第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第一电感、第二电感、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、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器组成，其技术特征是，所述第一开关管阳极、所述第二开关管阳极、所述第三开关管阳极、以及所述第一电感一端短接，并作为变流系统输入正极端，第一开关管阴极连接所述第一相绕组一端，第二开关管阴极连接所述第二相绕组一端，第三开关管阴极连接所述第三相绕组一端，第一电感另一端连接所述第五开关管阳极和所述第三电容器一端，第一相绕组另一端连接第二相绕组另一端、第三相绕组另一端、所述第四开关管阳极、所述第一二极管阳极、以及所述第一电容器一端，第四开关管阴极连接第五开关管阴极、所述第二电容器一端、以及所述第四电容器一端，并作为变流系统输入负极端和输出负极端，第一二极管阴极连接所述第二电感一端和第二电容器另一端，第一电容器另一端连接第二电感另一端和所述第二二极管阳极，第二二极管阴极连接所述第三二极管阳极和第三电容器另一端，第三二极管阴极连接第四电容器另一端，并作为变流系统输出正极端。

2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机变流系统的调控方法，其技术特征是，当开关磁阻电机作为电动机运行时，根据转子位置信息，结合相绕组电感随角度位置变化情况，需在电感最小区域给该相绕组通电励磁，即当检测到第一相绕组在电感最小区域需通电时，闭合第一开关管和第四开关管供电，产生电动转矩，当检测到需关断第一相绕组即超过最大电感即将进入负转矩区域时，关断第一开关管和第四开关管，第一相绕组工作结束；当检测到第二相绕组在电感最小区域时，闭合第二开关管和第四开关管供电，待检测到转子位置超过最大电感区域时关断第二开关管和第四开关管，第二相绕组工作结束；当检测到第三相绕组在电感最小区域时，闭合第三开关管和第四开关管供电，待检测到转子位置超过最大电感区域时关断第三开关管和第四开关管，第三相绕组工作结束；

具体开通角和关断角的开关时刻，根据开关磁阻电动机对转速和转矩的运行要求而确定；

在开关磁阻电机作为电动机运行时，变流系统中第五开关管始终处于断开状态；

变流系统输入侧的直流电源来自直流微电网；

当开关磁阻电机作为发电机高速运行时，采用角度位置控制和调节第五开关管占空比的复合控制方式，具体控制方法为：

角度位置控制的开关角度，开通角位于电感上升区域，关断角位于电感下降区域，并确保在电感最小区域结束前电流降至最低，当开关磁阻发电机转速不变时，固定开关角度值，固定开关角原则为相绕组最大输出功率对应的角度值；

在作为开关磁阻发电机高速运行期间，第五开关管的PWM开关周期跟随第四开关管的开关周期并相等，并且第五开关管相对第四开关管的相位差总是滞后180电角度，即交错开通，第四开关管的开关状态由转子位置信息和根据转速下最大输出功率的需要而确定；

作为开关磁阻发电机的工作过程为：根据转子位置信息，当第一相绕组需投入工作时，同时闭合第一开关管和第四开关管，进入励磁阶段，变流系统输入的励磁电源将直流电能给第一相绕组励磁，根据转子位置信息需结束励磁时，关断第一开关管和第四开关管，进入发电阶段；当第二相绕组需投入工作时，同时闭合第二开关管和第四开关管，进入励磁阶段，变流系统输入的励磁电源将直流电能给第二相绕组励磁，根据转子位置信息需结束励磁时，关断第二开关管和第四开关管，进入发电阶段；当第三相绕组需投入工作时，同时闭合第三开关管和第四开关管，进入励磁阶段，变流系统输入的励磁电源将直流电能给第三相绕组励磁，根据转子位置信息需结束励磁时，关断第三开关管和第四开关管，进入发电阶段；

在作为开关磁阻发电机励磁和发电的工作过程中，每相绕组的工作都存在相同的五种工作模式，第一相绕组工作时的模式为：

第一模式：第四开关管闭合导通进入励磁阶段时，第五开关管没有关断，继续导通状态时，即第四开关管和第五开关管同时导通时，变流系统存在四个导电回路，分别是：(1)变流系统输入端的励磁电源给第一相绕组充电励磁；(2)励磁电源给第一电感充电；(3)第二电容器向第二电感和第一电容器充电；(4)第四电容器维持输出电能；但当第五开关管占空比小于0.5时，将不存在此工作模式；

第二模式：第四开关管继续导通，即励磁阶段尚未结束，而第五开关管关断时，变流系统存在三个导电回路，分别是：(1)变流系统输入端的励磁电源给第一相绕组充电励磁；(2)励磁电源、第一电感、以及第三电容器一起向第四电容器充电，同时向变流系统输出端输出电能，可见变流系统输出端的发电电压等于励磁电源电压、第一电感、以及第三电容器电压之和；(3)第二电容器向第二电感和第一电容器充电；

第三模式：第四开关管关断，同时第五开关管尚未导通时，第四开关管关断意味着此为第一相绕组工作中进入发电阶段，变流系统存在三个导电回路，分别是：(1)励磁电源和第一相绕组一起向第二电容器充电；(2)第二电感的储能向第一电容器释放给其充电；(3)励磁电源、第一电感、以及第三电容器继续一起向第四电容器充电，同时向变流系统输出端输出电能，与第二模式的第(2)导电回路相同；

第四模式：第四开关管继续关断状态，而交错180度后的第五开关管导通，此时发电阶段尚未结束，导电回路存在四个，分别是：(1)励磁电源向第一电感充电；(2)第四电容器维持输出电能；(3)励磁电源、第一相绕组、以及第一电容器一起向第三电容器充电，可见第三电容器两端电压应明显大于励磁电源电压即励磁电压；(4)第二电容器和第二电感一起向第三电容器充电；

第五模式：该模式的前提是在第四模式下第四开关管和第五开关管开关模式不变，发电阶段尚未结束，随着第二电容器放电而端电压不断下降，出现励磁电压与第一相绕组电压之和大于第二电容器两端电压时，第一二极管将正向导通，导电回路出现新变化，共计五个，分别是：(1)励磁电源向第一电感充电；(2)第四电容器维持输出电能；(3)励磁电源和第一相绕组一起向第二电容器充电；(4)励磁电源、第一相绕组、以及第一电容器一起向第三电容器充电；(5)励磁电源、第一相绕组、以及第二电感一起向第三电容器充电；

第二相绕组和第三相绕组工作时的五种工作模式相同，只需令第二相绕组和第三相绕组分别代替第一相绕组，它们各自串联的第二开关管和第三开关管分别代替第一开关管；可见，根据开关磁阻发电机原理，五种工作模式将循环工作，根据转子位置信息更换工作相绕组后仅有相应的相绕组和与其串联的开关管不同，其余共用；

当调节第五开关管的PWM占空比时，五个工作模式的工作比例时间将产生变化，进而将对输出端电压产生影响；

通过如上工作模式描述，结合开关磁阻电机固有数学模型，可得到如下关系式：

U_F＝[(1+d₁)/(1-d₁)+1/(1-d₂)]*U_L (1)

式(1)中：U_F为变流系统输出端电压，即发电电压；U_L为变流系统输入端即励磁电源电压，即励磁电压；d₁为第四开关管的占空比；d₂为第五开关管的占空比；

由式(1)可见，当需要调节发电电压U_F时，可通过对第五开关管的占空比d₂的调节实现，并且即使励磁电压U_L变化时也能通过调节d₂而维持发电电压U_F稳定不变；

同时可见，由于0d₁1,0d₂1，发电电压大于励磁电压。