本發(fā)明涉及開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)領(lǐng)域，具體涉及一種小功率的、可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)工況的、發(fā)電可多種電能輸出的、靈活多可控參數(shù)的高性能發(fā)電運(yùn)行控制的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
考慮到無(wú)電網(wǎng)到達(dá)的海島、船舶、偏遠(yuǎn)野外通信設(shè)施和工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)等的所需多電源用電，以及偶爾需要的電動(dòng)動(dòng)力，而這類地區(qū)往往風(fēng)能資源豐富；傳統(tǒng)的常采用柴油發(fā)電機(jī)組提供的電能單一，需要燃油，但用電設(shè)備往往多樣化、交直流不等，以及不同電壓等級(jí)的需要等，所以，如果由一套綜合系統(tǒng)，既可以實(shí)現(xiàn)多種電源輸出，還能必要時(shí)提供動(dòng)力，同時(shí)又利用這類地區(qū)豐富的可再生資源---風(fēng)能，則非常具有意義。
開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組、無(wú)永磁體，則可靠性勢(shì)必較高，成本低，必然具有廣闊的應(yīng)用前景。
開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)一般分為勵(lì)磁和發(fā)電兩大階段，傳統(tǒng)的不對(duì)稱半橋型的功率變換器主電路結(jié)構(gòu)即繞組電路結(jié)構(gòu)，往往也可以在兩大階段中間增加一續(xù)流階段，無(wú)壓續(xù)流階段，可使得繞組電流在短時(shí)間內(nèi)快速成長(zhǎng)，利于發(fā)電能力的提高，業(yè)界提出的幾種相對(duì)不對(duì)稱半橋型來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)易的結(jié)構(gòu)，雖然簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)降低了成本等，但往往又無(wú)法實(shí)現(xiàn)續(xù)流階段。
開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)勵(lì)磁階段勵(lì)磁電壓的提高，能提高即強(qiáng)化勵(lì)磁能力，減小勵(lì)磁時(shí)間則增大發(fā)電區(qū)間，最終有利于發(fā)電能力的提高，同時(shí)，發(fā)電階段結(jié)束時(shí)，由于繞組感性負(fù)載作用，繞組電流有一個(gè)下降過(guò)程，不得不要提早關(guān)斷，從而在繞組電感上升之前使得繞組電流降到零，否則將進(jìn)入反向轉(zhuǎn)矩區(qū)，也就是說(shuō)，要必要時(shí)能強(qiáng)化勵(lì)磁，還能關(guān)斷時(shí)快速退磁關(guān)斷，業(yè)界已有的方法幾乎都是將這二者獨(dú)立考慮，各自單獨(dú)的電路結(jié)構(gòu)及其控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果能夠有合二為一的結(jié)構(gòu)及方法，則勢(shì)必有相當(dāng)?shù)囊饬x。
眾所周知，風(fēng)電行業(yè)，mppt(最大功率點(diǎn)跟蹤)控制往往在實(shí)際中是必不可少的，用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)作為發(fā)電機(jī)之后，業(yè)界面臨的一個(gè)重大問(wèn)題就是，發(fā)電電流無(wú)法控制了，而雙饋異步發(fā)電機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)這些風(fēng)電領(lǐng)域常用的發(fā)電機(jī)，其繞組輸出電流即發(fā)電電流能很方便的實(shí)現(xiàn)控制，從而為mppt控制創(chuàng)造了不可少的可控參數(shù)、條件，如果開(kāi)關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的發(fā)電電流即繞組電流能夠得到有效控制，則勢(shì)必為其mppt控制提供可控參數(shù)，并在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用擴(kuò)大影響。
無(wú)電網(wǎng)到達(dá)的如前所述的這些領(lǐng)域，往往需要交流電源、直流電源及不同電壓等級(jí)的電源，即對(duì)多電源多樣化有需求，所以，如果一套發(fā)電系統(tǒng)能夠提供可變壓，也能提供交直流電源的系統(tǒng)，必然有廣闊用武之地。
這些無(wú)電網(wǎng)到達(dá)的地區(qū)，尤其是通信設(shè)施、海島等，往往人也不常出現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)，所以對(duì)智能化、自動(dòng)化要求較高，尤其這類設(shè)施中的儲(chǔ)能裝置，如能自動(dòng)充電，勢(shì)必有意義。
另外，在必要時(shí)候，需要?jiǎng)恿ρb置，即電動(dòng)機(jī)，如果一套開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)能夠同時(shí)作為電動(dòng)機(jī)工況運(yùn)行，一機(jī)多能，則同樣提高了該套系統(tǒng)的適應(yīng)性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
根據(jù)以上的背景技術(shù)，本發(fā)明就提出了一種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能增加續(xù)流階段，可強(qiáng)化勵(lì)磁和退磁，可變發(fā)電電流，交直流多電源輸出，蓄電池自充電，電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)雙工況可運(yùn)行的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)及其控制方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案為：
小功率多功能三相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)，由繞組電路、勵(lì)磁電路、電源電路、變電流電路、隔離與逆變電路、整流電路、充電電路組成，其技術(shù)特征是，所述繞組電路的輸入正負(fù)極兩端與所述勵(lì)磁電路的輸出正負(fù)極兩端一一對(duì)應(yīng)連接，勵(lì)磁電路的輸入和輸出各自的正負(fù)極兩端相同，也一一對(duì)應(yīng)連接所述電源電路的輸出正負(fù)極兩端，繞組電路的輸出正負(fù)極兩端與所述變電流電路的輸入正負(fù)極兩端一一對(duì)應(yīng)連接，變電流電路的輸出正負(fù)極兩端與所述隔離與逆變電路的輸入正負(fù)極兩端一一對(duì)應(yīng)連接，隔離與逆變電路的輸出兩端連接所述整流電路的輸入兩端，整流電路的輸出正負(fù)極兩端與所述充電電路的輸入正負(fù)極兩端一一對(duì)應(yīng)連接，充電電路的輸出正負(fù)極兩端與電源電路的輸入正負(fù)極兩端一一對(duì)應(yīng)連接，隔離與逆變電路輸入負(fù)極端、變電流電路輸入和輸出負(fù)極端、繞組電路輸入和輸出負(fù)極端、勵(lì)磁電路輸入和輸出負(fù)極端、電源電路輸入和輸出負(fù)極端、充電電路輸入和輸出負(fù)極端、整流電路輸出負(fù)極端之間短接；
繞組電路由第一繞組、第二繞組、第三繞組、第一開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管、第三開(kāi)關(guān)管、第四開(kāi)關(guān)管、第一二極管、第二二極管、第三二極管、第一電容器組成，其技術(shù)特征是，所述第一繞組一端、所述第二繞組一端、所述第三繞組一端、所述第四開(kāi)關(guān)管陰極之間連接并作為繞組電路輸入正極端，第一繞組另一端與所述第一開(kāi)關(guān)管陽(yáng)極和所述第一二極管陽(yáng)極連接，第二繞組另一端與所述第二開(kāi)關(guān)管陽(yáng)極和所述第二二極管陽(yáng)極連接，第三繞組另一端與所述第三開(kāi)關(guān)管陽(yáng)極和所述第三二極管陽(yáng)極連接，第一二極管陰極、第二二極管陰極、第三二極管陰極、第四開(kāi)關(guān)管陽(yáng)極、所述第一電容器正極之間連接并作為繞組電路輸出正極端，第一開(kāi)關(guān)管陰極、第二開(kāi)關(guān)管陰極、第三開(kāi)關(guān)管陰極、第一電容器負(fù)極之間連接并作為繞組電路輸入輸出負(fù)極端；
勵(lì)磁電路由第二電容器、第三電容器、第四二極管、第五開(kāi)關(guān)管、第六開(kāi)關(guān)管組成，其技術(shù)特征是，所述第二電容器正極與所述第五開(kāi)關(guān)管陰極連接并作為勵(lì)磁電路輸入輸出正極端，第二電容器負(fù)極與所述第六開(kāi)關(guān)管陰極和所述第四二極管陽(yáng)極連接，第六開(kāi)關(guān)管陽(yáng)極、第四二極管陰極、第五開(kāi)關(guān)管陽(yáng)極、所述第三電容器正極之間連接，第三電容器負(fù)極作為勵(lì)磁電路輸入輸出負(fù)極端；
電源電路由第五二極管、繼電器、蓄電池組成，其技術(shù)特征是，所述第五二極管陰極作為電源電路輸出正極端，第五二極管陽(yáng)極與所述繼電器一端連接，繼電器另一端與所述蓄電池正極連接并作為電源電路輸入正極端，蓄電池負(fù)極作為電源電路輸入輸出負(fù)極端；
變電流電路由第七開(kāi)關(guān)管、第八開(kāi)關(guān)管、第一電感、第六二極管、第七二極管、第四電容器組成，其技術(shù)特征是，所述第七開(kāi)關(guān)管陽(yáng)極作為變電流電路輸入正極端，第七開(kāi)關(guān)管陰極與所述第一電感一端、所述第六二極管陰極連接，第一電感另一端與所述第八開(kāi)關(guān)管陽(yáng)極、所述第七二極管陽(yáng)極連接，第七二極管陰極與所述第四電容器正極連接并作為變電流電路輸出正極端，第四電容器負(fù)極、第八開(kāi)關(guān)管陰極、第六二極管陽(yáng)極之間連接并作為變電流電路輸入輸出負(fù)極端；
隔離與逆變電路由第二電感、第九開(kāi)關(guān)管、第十開(kāi)關(guān)管、變壓器組成，其技術(shù)特征是，所述第二電感一端作為隔離與逆變電路輸入正極端，第二電感另一端連接所述變壓器的一次側(cè)第一繞組一端和一次側(cè)第二繞組一端，所述第九開(kāi)關(guān)管陰極與所述第十開(kāi)關(guān)管陰極連接并作為隔離與逆變電路輸入負(fù)極端，第九開(kāi)關(guān)管陽(yáng)極與變壓器的一次側(cè)第一繞組另一端連接，第十開(kāi)關(guān)管陽(yáng)極與變壓器的一次側(cè)第二繞組另一端連接，變壓器二次側(cè)繞組輸出兩端作為隔離與逆變電路輸出兩端；
整流電路由第十一開(kāi)關(guān)管、第十二開(kāi)關(guān)管、第十三開(kāi)關(guān)管、第十四開(kāi)關(guān)管、第五電容器組成，其技術(shù)特征是，所述第十一開(kāi)關(guān)管陽(yáng)極與所述第十二開(kāi)關(guān)管陰極連接并作為整流電路輸入一端，所述第十三開(kāi)關(guān)管陽(yáng)極與所述第十四開(kāi)關(guān)管陰極連接并作為整流電路輸入另一端，第十一開(kāi)關(guān)管陰極與第十三開(kāi)關(guān)管陰極、所述第五電容器正極連接并作為整流電路輸出正極端，第十二開(kāi)關(guān)管陽(yáng)極與第十四開(kāi)關(guān)管陽(yáng)極、第五電容器負(fù)極連接并作為整流電路輸出負(fù)極端；
充電電路由第十五開(kāi)關(guān)管、第八二極管、第九二極管、第三電感組成，其技術(shù)特征是，所述第十五開(kāi)關(guān)管陽(yáng)極作為充電電路輸入正極端，第十五開(kāi)關(guān)管陰極與所述第八二極管陰極、所述第三電感一端連接，第三電感另一端與所述第九二極管陽(yáng)極連接，第九二極管陰極作為充電電路輸出正極端，第八二極管陽(yáng)極作為充電電路輸入輸出負(fù)極端。
小功率多功能三相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的控制方法，其技術(shù)特征是，
當(dāng)作為開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息，需要第一繞組勵(lì)磁時(shí)第一開(kāi)關(guān)管閉合，第二繞組勵(lì)磁時(shí)第二開(kāi)關(guān)管閉合，第三繞組勵(lì)磁時(shí)第三開(kāi)關(guān)管閉合，勵(lì)磁所需電源分為兩種模式提供：
模式一，第五開(kāi)關(guān)管閉合，第六開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)，此時(shí)僅由第三電容器的儲(chǔ)能作為勵(lì)磁電源向需要?jiǎng)?lì)磁的繞組供電；
模式二，第五開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)，第六開(kāi)關(guān)管閉合，此時(shí)由第二電容器與第三電容器一起作為勵(lì)磁電源向需要?jiǎng)?lì)磁的繞組供電；
根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息，以上勵(lì)磁的繞組在勵(lì)磁階段結(jié)束后，相應(yīng)的勵(lì)磁階段閉合的第一開(kāi)關(guān)管或第二開(kāi)關(guān)管或第三開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)，如果斷開(kāi)前檢測(cè)到該繞組電流低于限制值，則斷開(kāi)后閉合第四開(kāi)關(guān)管，待該繞組電流上升到需要值或者到達(dá)規(guī)定的最長(zhǎng)續(xù)流時(shí)間后再斷開(kāi)第四開(kāi)關(guān)管，進(jìn)入發(fā)電階段，如果勵(lì)磁階段結(jié)束時(shí)檢測(cè)到該繞組電流不低于限制值，則直接進(jìn)入發(fā)電階段；發(fā)電階段產(chǎn)生的電能流入變電流電路；
在發(fā)電階段期間，先保持第五開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)，以及第六開(kāi)關(guān)管閉合，待到需要發(fā)電階段的繞組電流需盡快降到零即結(jié)束時(shí)，第五開(kāi)關(guān)管閉合，第六開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)，使得該繞組電流快速降到零從而避免進(jìn)入反向轉(zhuǎn)矩區(qū)；
變電流電路的工作由第七開(kāi)關(guān)管和第八開(kāi)關(guān)管控制，分為三種開(kāi)關(guān)控制模式：
模式一，第七開(kāi)關(guān)管保持閉合，第八開(kāi)關(guān)管保持?jǐn)嚅_(kāi)，變電流電路的輸出電壓電流與輸入電壓電流相等；
模式二，第八開(kāi)關(guān)管保持?jǐn)嚅_(kāi)，第七開(kāi)關(guān)管進(jìn)行pwm斬波開(kāi)關(guān)控制方式工作，調(diào)節(jié)第七開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)占空比，改變變電流電路輸出端的電壓和電流；
模式三，第七開(kāi)關(guān)管保持閉合，第八開(kāi)關(guān)管進(jìn)行pwm斬波開(kāi)關(guān)控制方式工作，調(diào)節(jié)第八開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)占空比，改變變電流電路輸出端的電壓和電流；該模式下得到比模式一和模式二更大的輸出電壓；
隔離與逆變電路的工作由第九開(kāi)關(guān)管和第十開(kāi)關(guān)管交替開(kāi)關(guān)工作，即第九開(kāi)關(guān)管閉合期間第十開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)，第十開(kāi)關(guān)管閉合期間第九開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)，該兩支開(kāi)關(guān)管占空比均固定為0.5；
整流電路為單相橋式整流電路，四支開(kāi)關(guān)管均為全控型電力電子開(kāi)關(guān)器件，其中第十一開(kāi)關(guān)管與第十四開(kāi)關(guān)管作為一組同時(shí)閉合或斷開(kāi)，第十二開(kāi)關(guān)管與第十三開(kāi)關(guān)管作為另一組同時(shí)閉合或斷開(kāi)，該兩組開(kāi)關(guān)管根據(jù)輸入的交流電電位高低交替工作，即其中一組閉合另一組斷開(kāi)；
充電電路是在檢測(cè)到蓄電池電量低于下限值時(shí)起動(dòng)工作，具體由第十五開(kāi)關(guān)管按照pwm方式進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，否則該開(kāi)關(guān)管保持?jǐn)嚅_(kāi)；通過(guò)調(diào)節(jié)第十五開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)占空比，可以改變給予蓄電池兩端的充電電壓和電流，以滿足蓄電池的需要；待檢測(cè)到蓄電池電量滿電后，第十五開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)并保持，充電電路停止工作；
檢測(cè)到勵(lì)磁電路的第二電容器和第三電容器的儲(chǔ)能低于下限值時(shí)，繼電器閉合，電源電路開(kāi)始工作，即蓄電池向勵(lì)磁電路的第二電容器和第三電容器充電，檢測(cè)到充電滿電后，繼電器斷開(kāi)；
作為開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的初始起動(dòng)時(shí)，首先由蓄電池作為電源，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，繼電器閉合，根據(jù)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息，蓄電池向需要供電的繞組供電產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)蓄電池也向第二電容器和第三電容器充電；待開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)達(dá)到發(fā)電工況最低切入轉(zhuǎn)速后再進(jìn)入發(fā)電機(jī)工況下檢測(cè)、運(yùn)行控制；
當(dāng)作為開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，繼電器閉合，根據(jù)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息，需要第一繞組或第二繞組或第三繞組通電產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，相應(yīng)的第一開(kāi)關(guān)管或第二開(kāi)關(guān)管或第三開(kāi)關(guān)管閉合導(dǎo)通，由蓄電池向需要通電的繞組通電產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩，做電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；在電動(dòng)機(jī)工況運(yùn)行時(shí)，各相繞組續(xù)流產(chǎn)生的多余電能仍將提供給變電流電路，此時(shí)變電流電路的第七開(kāi)關(guān)管保持閉合，第八開(kāi)關(guān)管保持?jǐn)嚅_(kāi)，隔離與逆變電路、整流電路也與發(fā)電機(jī)工況時(shí)一樣工作，充電電路則根據(jù)檢測(cè)到的蓄電池是否缺電狀態(tài)決定是否提供充電工作。
本發(fā)明的技術(shù)效果主要有：
(1)基于本發(fā)明簡(jiǎn)易的繞組電路結(jié)構(gòu)，僅僅增加一開(kāi)關(guān)管(第四開(kāi)關(guān)管)，可實(shí)現(xiàn)必要時(shí)增加的續(xù)流階段，快速提高繞組電流，擴(kuò)充發(fā)電階段時(shí)間，提高發(fā)電輸出能力。
(2)簡(jiǎn)易的勵(lì)磁電路，僅由兩個(gè)電容器、兩個(gè)開(kāi)關(guān)管、一個(gè)二極管組成，可勝任實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁階段的強(qiáng)化勵(lì)磁，以及關(guān)斷截止時(shí)的快速退磁；強(qiáng)化勵(lì)磁使得勵(lì)磁階段繞組電流上升更快，勵(lì)磁區(qū)間更短，勢(shì)必增加了發(fā)電區(qū)間，提高了發(fā)電輸出能力，快速退磁也拓寬了發(fā)電輸出區(qū)間，因?yàn)榘l(fā)電結(jié)束時(shí)可相對(duì)延后關(guān)斷，提高了電能輸出能力。
(3)變電流電路的設(shè)置，雖然增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但是實(shí)現(xiàn)了繞組電流的可調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍寬，為mppt的控制提供了可控參數(shù)，從而勢(shì)必間接提高了發(fā)電系統(tǒng)的電能輸出能力。
(4)繞組電路直接輸出直流電，變電流電路輸出可變的直流電，隔離與逆變電路可輸出可調(diào)頻率和大小的交流電，整流電路又可以輸出可調(diào)的直流電，蓄電池也可以輸出直流電，本發(fā)明的一套系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了交直流及多種、可調(diào)的電源輸出，非常具有實(shí)際意義。
(5)本發(fā)明保持系統(tǒng)正常工作必不可少的儲(chǔ)能裝置只有一套蓄電池，并且該蓄電池可被自動(dòng)充電，提高了系統(tǒng)的無(wú)人化、智能化運(yùn)行水平，適宜于不常有人值守的場(chǎng)合。
(6)同時(shí)，本發(fā)明作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，完全適應(yīng)變速情況，而這是風(fēng)電領(lǐng)域獲取最大風(fēng)能從而產(chǎn)生最大電能的基礎(chǔ)要求。
(7)必要時(shí)，本發(fā)明的裝置可作為恒速運(yùn)行的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，擴(kuò)大了本發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域。
附圖說(shuō)明
圖1所示為本發(fā)明的小功率多功能三相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖。
圖1中：1.繞組電路，2.勵(lì)磁電路，3.電源電路，4.變電流電路，5.隔離與逆變電路，6.整流電路，7.充電電路。
具體實(shí)施方式
附圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例的小功率多功能三相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖，由繞組電路1、勵(lì)磁電路2、電源電路3、變電流電路4、隔離與逆變電路5、整流電路6、充電電路7組成，繞組電路1的輸入正負(fù)極兩端與勵(lì)磁電路2的輸出正負(fù)極兩端一一對(duì)應(yīng)連接，勵(lì)磁電路2的輸入和輸出各自的正負(fù)極兩端相同，也一一對(duì)應(yīng)連接電源電路3的輸出正負(fù)極兩端，繞組電路1的輸出正負(fù)極兩端與變電流電路4的輸入正負(fù)極兩端一一對(duì)應(yīng)連接，變電流電路4的輸出正負(fù)極兩端與隔離與逆變電路5的輸入正負(fù)極兩端一一對(duì)應(yīng)連接，隔離與逆變電路5的輸出兩端連接整流電路6的輸入兩端，整流電路6的輸出正負(fù)極兩端與充電電路7的輸入正負(fù)極兩端一一對(duì)應(yīng)連接，充電電路7的輸出正負(fù)極兩端與電源電路3的輸入正負(fù)極兩端一一對(duì)應(yīng)連接，隔離與逆變電路5輸入負(fù)極端、變電流電路4輸入和輸出負(fù)極端、繞組電路1輸入和輸出負(fù)極端、勵(lì)磁電路2輸入和輸出負(fù)極端、電源電路3輸入和輸出負(fù)極端、充電電路7輸入和輸出負(fù)極端、整流電路6輸出負(fù)極端之間短接；
繞組電路1由第一繞組m、第二繞組n、第三繞組p、第一開(kāi)關(guān)管v1、第二開(kāi)關(guān)管v2、第三開(kāi)關(guān)管v3、第四開(kāi)關(guān)管v4、第一二極管d1、第二二極管d2、第三二極管d3、第一電容器c1組成，第一繞組m一端、第二繞組n一端、第三繞組p一端、第四開(kāi)關(guān)管v4陰極之間連接并作為繞組電路1輸入正極端，第一繞組m另一端與第一開(kāi)關(guān)管v1陽(yáng)極和第一二極管d1陽(yáng)極連接，第二繞組n另一端與第二開(kāi)關(guān)管v2陽(yáng)極和第二二極管d2陽(yáng)極連接，第三繞組p另一端與第三開(kāi)關(guān)管v3陽(yáng)極和第三二極管d3陽(yáng)極連接，第一二極管d1陰極、第二二極管d2陰極、第三二極管d3陰極、第四開(kāi)關(guān)管v4陽(yáng)極、第一電容器c1正極之間連接并作為繞組電路1輸出正極端，第一開(kāi)關(guān)管v1陰極、第二開(kāi)關(guān)管v2陰極、第三開(kāi)關(guān)管v3陰極、第一電容器c1負(fù)極之間連接并作為繞組電路1輸入輸出負(fù)極端；
勵(lì)磁電路2由第二電容器c2、第三電容器c3、第四二極管d4、第五開(kāi)關(guān)管v5、第六開(kāi)關(guān)管v6組成，第二電容器c2正極與第五開(kāi)關(guān)管v5陰極連接并作為勵(lì)磁電路2輸入輸出正極端，第二電容器c2負(fù)極與第六開(kāi)關(guān)管v6陰極和第四二極管d4陽(yáng)極連接，第六開(kāi)關(guān)管v6陽(yáng)極、第四二極管d4陰極、第五開(kāi)關(guān)管v5陽(yáng)極、第三電容器c3正極之間連接，第三電容器c3負(fù)極作為勵(lì)磁電路2輸入輸出負(fù)極端；
電源電路3由第五二極管d5、繼電器kt、蓄電池x組成，第五二極管d5陰極作為電源電路3輸出正極端，第五二極管d5陽(yáng)極與繼電器kt一端連接，繼電器kt另一端與蓄電池x正極連接并作為電源電路3輸入正極端，蓄電池x負(fù)極作為電源電路3輸入輸出負(fù)極端；
變電流電路4由第七開(kāi)關(guān)管v7、第八開(kāi)關(guān)管v8、第一電感l(wèi)1、第六二極管d6、第七二極管d7、第四電容器c4組成，第七開(kāi)關(guān)管v7陽(yáng)極作為變電流電路4輸入正極端，第七開(kāi)關(guān)管v7陰極與第一電感l(wèi)1一端、第六二極管d6陰極連接，第一電感l(wèi)1另一端與第八開(kāi)關(guān)管v8陽(yáng)極、第七二極管d7陽(yáng)極連接，第七二極管d7陰極與第四電容器c4正極連接并作為變電流電路4輸出正極端，第四電容器c4負(fù)極、第八開(kāi)關(guān)管v8陰極、第六二極管d6陽(yáng)極之間連接并作為變電流電路4輸入輸出負(fù)極端；
隔離與逆變電路5由第二電感l(wèi)2、第九開(kāi)關(guān)管v9、第十開(kāi)關(guān)管v10、變壓器t組成，第二電感l(wèi)2一端作為隔離與逆變電路5輸入正極端，第二電感l(wèi)2另一端連接變壓器t的一次側(cè)第一繞組a一端和一次側(cè)第二繞組b一端，第九開(kāi)關(guān)管v9陰極與第十開(kāi)關(guān)管v10陰極連接并作為隔離與逆變電路5輸入負(fù)極端，第九開(kāi)關(guān)管v9陽(yáng)極與變壓器t的一次側(cè)第一繞組a另一端連接，第十開(kāi)關(guān)管v10陽(yáng)極與變壓器t的一次側(cè)第二繞組b另一端連接，變壓器t二次側(cè)繞組c輸出兩端作為隔離與逆變電路5輸出兩端；
整流電路6由第十一開(kāi)關(guān)管v11、第十二開(kāi)關(guān)管v12、第十三開(kāi)關(guān)管v13、第十四開(kāi)關(guān)管v14、第五電容器c5組成，第十一開(kāi)關(guān)管v11陽(yáng)極與第十二開(kāi)關(guān)管v12陰極連接并作為整流電路6輸入一端，第十三開(kāi)關(guān)管v13陽(yáng)極與第十四開(kāi)關(guān)管v14陰極連接并作為整流電路6輸入另一端，第十一開(kāi)關(guān)管v11陰極與第十三開(kāi)關(guān)管v13陰極、第五電容器c5正極連接并作為整流電路6輸出正極端，第十二開(kāi)關(guān)管v12陽(yáng)極與第十四開(kāi)關(guān)管v14陽(yáng)極、第五電容器c5負(fù)極連接并作為整流電路6輸出負(fù)極端；
充電電路7由第十五開(kāi)關(guān)管v15、第八二極管d8、第九二極管d9、第三電感l(wèi)3組成，第十五開(kāi)關(guān)管v15陽(yáng)極作為充電電路7輸入正極端，第十五開(kāi)關(guān)管v15陰極與第八二極管d8陰極、第三電感l(wèi)3一端連接，第三電感l(wèi)3另一端與第九二極管d9陽(yáng)極連接，第九二極管d9陰極作為充電電路7輸出正極端，第八二極管d8陽(yáng)極作為充電電路7輸入輸出負(fù)極端。
本實(shí)施例的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，考慮到變速運(yùn)行風(fēng)力驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電的例子；作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)則考慮為恒速輸出。
本發(fā)明實(shí)施例小功率多功能三相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)，在滿足本發(fā)明控制方法之下，可以實(shí)現(xiàn)作為發(fā)電機(jī)發(fā)電輸出、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出雙能量傳遞，在發(fā)電輸出中也能直接產(chǎn)生三路直流電輸出以及一路交流電輸出，具體的控制方法與過(guò)程等實(shí)施例如下：
當(dāng)作為開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息，當(dāng)?shù)谝焕@組m需通電工作時(shí)，首先是勵(lì)磁階段，即第一開(kāi)關(guān)管v1閉合，如果是第二繞組n勵(lì)磁時(shí)則第二開(kāi)關(guān)管v2閉合，第三繞組p勵(lì)磁時(shí)第三開(kāi)關(guān)管v3閉合，勵(lì)磁所需電源分為兩種模式提供：
模式一，如果采用中低勵(lì)磁電壓電源勵(lì)磁供電，則第五開(kāi)關(guān)管v5閉合，第六開(kāi)關(guān)管v6斷開(kāi)，此時(shí)僅由第三電容器c3的儲(chǔ)能作為勵(lì)磁電源向需要?jiǎng)?lì)磁的繞組供電；比如是第一繞組m勵(lì)磁的話，則沿著c3-v5-m-v1-c3回路勵(lì)磁供電，第二繞組n勵(lì)磁則為c3-v5-n-v2-c3，第三繞組p勵(lì)磁則為c3-v5-p-v3-c3；
模式二，如果需采取強(qiáng)化勵(lì)磁的措施，則第五開(kāi)關(guān)管v5斷開(kāi)，第六開(kāi)關(guān)管v6閉合，此時(shí)由第二電容器v2與第三電容器v3一起作為勵(lì)磁電源向需要?jiǎng)?lì)磁的繞組供電；根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息，如果是第一繞組m勵(lì)磁的話，則沿著c3-v6-c2-m-v1-c3回路強(qiáng)化勵(lì)磁供電，第二繞組n勵(lì)磁則為c3-v6-c2-n-v2-c3，第三繞組p勵(lì)磁則為c3-v6-c2-p-v3-c3；
根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息，以上勵(lì)磁的繞組在勵(lì)磁階段結(jié)束后，相應(yīng)的勵(lì)磁階段閉合的第一開(kāi)關(guān)管v1或第二開(kāi)關(guān)管v2或第三開(kāi)關(guān)管v3斷開(kāi)，如果斷開(kāi)前檢測(cè)到該繞組電流低于限制值，假設(shè)為第一繞組m，則斷開(kāi)第一開(kāi)關(guān)管v1后閉合第四開(kāi)關(guān)管v4，此時(shí)第一繞組m形成m-d1-v4-m的續(xù)流回路，第一繞組m沒(méi)有外在反向發(fā)電電壓，其繞組電流將快速上升，待該繞組電流上升到需要值或者到達(dá)規(guī)定的最長(zhǎng)續(xù)流時(shí)間后再斷開(kāi)第四開(kāi)關(guān)管v4，進(jìn)入發(fā)電階段，如果勵(lì)磁階段結(jié)束時(shí)檢測(cè)到該繞組電流不低于限制值，則直接進(jìn)入發(fā)電階段；發(fā)電階段產(chǎn)生的電能流入變電流電路4；
在發(fā)電階段期間，先保持第五開(kāi)關(guān)管v5斷開(kāi)，以及第六開(kāi)關(guān)管v6閉合，待到需要發(fā)電階段的繞組電流需盡快降到零即結(jié)束時(shí)，第五開(kāi)關(guān)管v5閉合，第六開(kāi)關(guān)管v6斷開(kāi)，使得該繞組電流快速降到零從而避免進(jìn)入反向轉(zhuǎn)矩區(qū)；因?yàn)樵诘谖彘_(kāi)關(guān)管v5斷開(kāi)，第六開(kāi)關(guān)管v6閉合時(shí)，繞組電壓為發(fā)電電壓即第一電容器c1兩端電壓減去第二電容器c2兩端電壓和第三電容器c3兩端電壓，而第五開(kāi)關(guān)管v5閉合第六開(kāi)關(guān)管v6斷開(kāi)后，繞組電壓為發(fā)電電壓減去第五開(kāi)關(guān)管v5兩端電壓，此時(shí)繞組電壓更大，相對(duì)繞組電流方向來(lái)說(shuō)，越大的繞組電壓使得繞組電流降低更快。
變電流電路4的工作由第七開(kāi)關(guān)管v7和第八開(kāi)關(guān)管v8控制，分為三種開(kāi)關(guān)控制模式：
模式一，第七開(kāi)關(guān)管v7保持閉合，第八開(kāi)關(guān)管保持v8斷開(kāi)，變電流電路的輸出電壓電流與輸入電壓電流相等；因?yàn)榇藭r(shí)輸入直流電流直接經(jīng)由v7-l1-d7后輸出；
模式二，第八開(kāi)關(guān)管v8保持?jǐn)嚅_(kāi)，第七開(kāi)關(guān)管v7進(jìn)行pwm斬波開(kāi)關(guān)控制方式工作，調(diào)節(jié)第七開(kāi)關(guān)管v7的開(kāi)關(guān)占空比，改變變電流電路4輸出端的電壓和電流；因?yàn)?，在第七開(kāi)關(guān)管v7閉合時(shí)，電流經(jīng)由v7-l1-d7輸出的同時(shí)向第一電感l(wèi)1充電，第七開(kāi)關(guān)管v7斷開(kāi)后，第一電感l(wèi)1的儲(chǔ)能經(jīng)由d6-l1-d7輸出，通過(guò)調(diào)節(jié)第七開(kāi)關(guān)管v7的占空比，可調(diào)節(jié)變電流電路4輸出側(cè)的電壓和電流；
模式三，第七開(kāi)關(guān)管v7保持閉合，第八開(kāi)關(guān)管v8進(jìn)行pwm斬波開(kāi)關(guān)控制方式工作，調(diào)節(jié)第八開(kāi)關(guān)管v8的開(kāi)關(guān)占空比，改變變電流電路4輸出端的電壓和電流；因?yàn)椋诘诎碎_(kāi)關(guān)管v8閉合時(shí)，輸入端電流沿著v7-l1-v8回路向第一電感l(wèi)1充電，第四電容器4的儲(chǔ)能單獨(dú)向外輸出，當(dāng)?shù)诎碎_(kāi)關(guān)管v8斷開(kāi)時(shí)，輸入端電流加上第一電感l(wèi)1一起向外輸出同時(shí)向第四電容器4充電，相對(duì)模式二，輸出電壓更大，具體由第八開(kāi)關(guān)管v8的占空比決定，輸出電流也改變；
從以上變電流電路4的三種工作模式可以看出，在此工作模式下，變電流電路4等效于一個(gè)電阻，在第七開(kāi)關(guān)管v7和第八開(kāi)關(guān)管v8開(kāi)關(guān)控制下，輸出電壓和電流相對(duì)輸入端電壓和電流可調(diào)節(jié)，尤其是電流能夠調(diào)節(jié)，而其輸入端的電流即為開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的繞組輸出電流，即發(fā)電電流，在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)下的開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，發(fā)電電流如能調(diào)節(jié)改變，勢(shì)必對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)所要的最大功率點(diǎn)跟蹤(mppt)控制增加了一可控參數(shù)，在基于開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的風(fēng)電領(lǐng)域，發(fā)電電流往往面臨無(wú)法控制的問(wèn)題，而本實(shí)施例下，發(fā)電電流可調(diào)，勢(shì)必為其mppt控制提供一可控參數(shù)，增強(qiáng)了mppt控制的靈活性。
隔離與逆變電路5的工作由第九開(kāi)關(guān)管v9和第十開(kāi)關(guān)管v10交替開(kāi)關(guān)工作，即第九開(kāi)關(guān)管v9閉合期間第十開(kāi)關(guān)管v10斷開(kāi)，第十開(kāi)關(guān)管v10閉合期間第九開(kāi)關(guān)管v9斷開(kāi)，該兩支開(kāi)關(guān)管占空比均固定為0.5；結(jié)合附圖1所示變壓器t的一次側(cè)兩個(gè)繞組和二次側(cè)繞組極性可見(jiàn)，此時(shí)變壓器t二次側(cè)繞組c兩端將得到方向交變的交流電，其輸出后再經(jīng)交流濾波器以及調(diào)壓器，可實(shí)現(xiàn)所需交流電源輸出，其交流頻率可調(diào)，即為第九開(kāi)關(guān)管v9和第十開(kāi)關(guān)管v10的開(kāi)關(guān)交變頻率。
隔離與逆變電路5輸出的交流電一個(gè)分支作為整流電路6的輸入，整流電路6為單相橋式整流電路，四支開(kāi)關(guān)管均為全控型電力電子開(kāi)關(guān)器件，其中第十一開(kāi)關(guān)管v11與第十四開(kāi)關(guān)管v14作為一組同時(shí)閉合或斷開(kāi)，第十二開(kāi)關(guān)管v12與第十三開(kāi)關(guān)管v13作為另一組同時(shí)閉合或斷開(kāi)，該兩組開(kāi)關(guān)管根據(jù)輸入的交流電電位方向即輸入的交流電頻率交替工作，即其中一組閉合另一組斷開(kāi)；通過(guò)調(diào)節(jié)整流電路6的四支開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)占空比(開(kāi)通期間采用pwm方式)，調(diào)節(jié)了整流電路6輸出的直流電壓和電流大?。涣硗?，相對(duì)工頻來(lái)說(shuō)，本實(shí)施例的隔離與逆變電路5輸出交流電頻率要高的多，從而高頻整流后電能質(zhì)量更高。
整流電路6的輸出，除直接向外部供應(yīng)直流電之外，同時(shí)作為充電電路7的輸入，充電電路7是在檢測(cè)到蓄電池x電量低于下限值時(shí)起動(dòng)工作，具體由第十五開(kāi)關(guān)管v15按照pwm方式進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，否則該開(kāi)關(guān)管保持?jǐn)嚅_(kāi)；通過(guò)調(diào)節(jié)第十五開(kāi)關(guān)管v15的開(kāi)關(guān)占空比，可以改變給予蓄電池x兩端的充電電壓和電流，以滿足蓄電池的需要；待檢測(cè)到蓄電池x電量滿電后，第十五開(kāi)關(guān)管v15斷開(kāi)并保持，充電電路7停止工作；工作中的機(jī)理為：第十五開(kāi)關(guān)管v15閉合時(shí)，充電電路7輸入端電流直接經(jīng)v15-l3-d9輸出并同時(shí)向第三電感l(wèi)3充電，待第十五開(kāi)關(guān)管v15斷開(kāi)后，第三電感l(wèi)3的儲(chǔ)能經(jīng)由d8-l3-d9續(xù)流輸出。
檢測(cè)到勵(lì)磁電路2的第二電容器c2和第三電容器c3的儲(chǔ)能低于下限值時(shí)，繼電器kt閉合，電源電路3開(kāi)始工作，即蓄電池x經(jīng)由x-kt-d5向勵(lì)磁電路的第二電容器c2和第三電容器c3充電，檢測(cè)到充電滿電后，繼電器kt斷開(kāi)。
另外，作為開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的起動(dòng)時(shí)，首先由蓄電池x作為電源，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，繼電器kt閉合，根據(jù)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息，蓄電池x向需要供電的繞組供電產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)蓄電池x也向第二電容器c2和第三電容器c3充電；待開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)達(dá)到發(fā)電工況最低切入轉(zhuǎn)速(風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)最低轉(zhuǎn)速)后再進(jìn)入發(fā)電機(jī)工況下檢測(cè)、運(yùn)行控制。
以上的運(yùn)行及控制實(shí)例中，均為開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的運(yùn)行控制，本實(shí)施例的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)需作為發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)，根據(jù)需要，可以作為開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行使用，當(dāng)繼電器kt閉合，根據(jù)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息，當(dāng)然是基于開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)起動(dòng)運(yùn)行的位置信息，需要第一繞組m或第二繞組n或第三繞組p通電產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，相應(yīng)的第一開(kāi)關(guān)管v1或第二開(kāi)關(guān)管v2或第三開(kāi)關(guān)管v3閉合導(dǎo)通，由蓄電池x向需要通電的繞組通電產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩，做電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；在電動(dòng)機(jī)工況運(yùn)行時(shí)，各相繞組續(xù)流產(chǎn)生的多余電能(相當(dāng)于發(fā)電機(jī)工況時(shí)的發(fā)電階段，只是根據(jù)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)原理，電動(dòng)機(jī)工況時(shí)的勵(lì)磁供電關(guān)斷時(shí)刻大大延后，續(xù)流發(fā)電輸出電能大大減少)仍將提供給變電流電路4，此時(shí)變電流電路4的第七開(kāi)關(guān)管v7保持閉合，第八開(kāi)關(guān)管v8保持?jǐn)嚅_(kāi)，隔離與逆變電路5、整流電路6也與發(fā)電機(jī)工況時(shí)一樣工作，充電電路7則根據(jù)檢測(cè)到的蓄電池x是否缺電狀態(tài)決定是否提供充電工作，當(dāng)充電電路7輸出的最大電能不足以給蓄電池x充電時(shí)，由于第九二極管d9的作用，蓄電池x中的余能也不會(huì)損失即反向流入充電電路7。