开关磁阻电机反极性升变压功率变换器及其控制方法

本发明涉及电机系统领域，具体涉及一种直升压反极性和变电压控制的四象限开关磁阻电机功率变换器系统及其控制方法。

背景技术：

1、开关磁阻电机是一种非常有应用前景的电机种类，转子上无绕组，定子上分布有数相绕组，他运行时，无论作为电动机还是发电机，不是全部绕组同时通电运行，而是根据定转子之间的相对位置关系决定需要通电的相绕组，作为电动机时，需要在能产生正向电动转矩的区域给对应相绕组通电；作为发电机时，则是在能产生负向转矩即能将负向机械能转化为储能的区域为主给相应相绕组通电，并且，作为发电机运行时，每相绕组工作时至少又分为励磁阶段和发电阶段两大阶段，并分时进行，励磁阶段相绕组吸收电能，发电阶段相绕组发出电能，并且由于在负转矩区域储存有额外除电感特性之外的转化的机械能，所以其输出电能会大于励磁阶段所吸收电能，实现总体正电力输出；而作为电动机时，则是在正向转矩区供电产生动力，但在关断通电后一般需要留一定时间，给予相绕组中剩余储能释放的通路，即作为电动机运行时实际上也是分为两个阶段；总之，除具体通电定转子位置关系不同，能量对比关系不同，任何一台开关磁阻电机均可实现电动或发电运行，但是，这一切都必须依赖其专门的功率变换器的支持，即电机系统领域的变流器，对于开关磁阻电机来说，其功率变换器地位更为重要，没有功率变换器，开关磁阻电机将无法做任何运行。

2、开关磁阻电机应用最为广泛的功率变换器为传统的不对称半桥式结构功率变换器，但随着该领域对系统性能要求和应用场合的复杂性等需求，不对称半桥功率变换器显现出越来越多的弊端，目前陆续产生了一些新型功率变换器结构。

3、一般发电机直接发出的电能电压往往不能满足电网或负载的需求，需要加装专门的升压装置；在开关磁阻电机功率变换器尤其作为发电机运行时，近年来关于利用励磁电压作为新变量的功率变换器受到一定的关注，可有效增加系统性能控制中的选择。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种直接抬高电压并且反极性输出电能，可变励磁发电和变电压调速控制及高升压强化的四象限运行开关磁阻电机功率变换器及其控制方法。

2、技术方案：开关磁阻电机反极性升变压功率变换器，由反极性主电路和升压辅电路组成，反极性主电路输出两端连接升压辅电路输入两端，升压辅电路输出两端连接反极性主电路输入两端。

3、反极性主电路由第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组、第一电容器、第二电容器、第一二极管、第二二极管、以及第一电感组成，第一开关管阳极连接第二开关管阳极和第三开关管阳极，并作为反极性主电路输入正极端，第一开关管阴极连接第一相绕组一端，第二开关管阴极连接第二相绕组一端，第三开关管阴极连接第三相绕组一端，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、第四开关管阳极、第五开关管阳极、以及第一电容器一端，第五开关管阴极连接第二二极管阴极和第一电感一端，第一电感另一端连接第一电容器另一端和第一二极管阳极，第二二极管阳极连接第二电容器一端，并作为反极性主电路输出负极端，第二电容器另一端连接第四开关管阴极和第一二极管阴极，并作为反极性主电路输出正极端和输入负极端；所有开关管为三端全控型电力电子开关器件。

4、升压辅电路由隔离变换器、第六开关管、第七开关管、第三电容器、第四电容器、第五电容器、第六电容器、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第二电感、以及第三电感组成，隔离变换器输入正极端作为升压辅电路输入正极端连接反极性主电路输出正极端，隔离变换器输入负极端作为升压辅电路输入负极端连接反极性主电路输出负极端，隔离变换器输出正极端连接第二电感一端和第三电感一端，第二电感另一端连接第六开关管阳极、第三电容器一端、以及第三二极管阳极，第三电感另一端连接第七开关管阳极、第四电容器一端、以及第四二极管阳极，第三电容器另一端连接第五二极管阴极和第六二极管阳极，第四电容器另一端连接第七二极管阴极和第八二极管阳极，第三二极管阴极连接第四二极管阴极、第五二极管阳极、第七二极管阳极、第五电容器一端、以及第六电容器一端，第六二极管阴极连接第八二极管阴极和第五电容器另一端，并作为升压辅电路输出正极端连接反极性主电路输入正极端，第六电容器另一端连接隔离变换器输出负极端、第六开关管阴极、以及第七开关管阴极，并作为升压辅电路输出负极端连接反极性主电路输入负极端；所有开关管为三端全控型电力电子开关器件；第三电容器和第四电容器相同，第五电容器和第六电容器相同，第二电感和第三电感相同；隔离变换器除具备隔离功能，还根据功率变换器的需要设定合适的输入输出电压变比。

5、开关磁阻电机反极性升变压功率变换器的控制方法，当开关磁阻电机作为发电机运行时，升压辅电路作为开关磁阻发电机运行时各相绕组的励磁电源，根据转子位置信息，当第一相绕组需投入工作时，首先闭合导通第一开关管、第四开关管、以及第五开关管，进入第一相绕组的励磁阶段，励磁电源经第一开关管和第四开关管向第一相绕组供电励磁，同时有第一电容器经第五开关管向第一电感放电，反极性主电路的输出电能依靠第二电容器维持；根据转子位置信息，当励磁阶段需结束时，断开第四开关管和第五开关管，进入第一相绕组的发电阶段，励磁电源和第一相绕组一起，经第一开关管和第一二极管向第一电容器充电，同时，第一电感的储能经第一二极管和第二二极管向反极性主电路输出端输出电能，并向第二电容器充电；根据转子位置信息，发电阶段需结束时，断开第一开关管，第一相绕组工作结束；

6、根据转子位置信息，当第二相绕组需投入工作时，首先闭合导通第二开关管、第四开关管、以及第五开关管，进入第二相绕组的励磁阶段，励磁电源经第二开关管和第四开关管向第二相绕组供电励磁，同时有第一电容器经第五开关管向第一电感放电，反极性主电路的输出电能依靠第二电容器维持；根据转子位置信息，当励磁阶段需结束时，断开第四开关管和第五开关管，进入第二相绕组的发电阶段，励磁电源和第二相绕组一起，经第二开关管和第一二极管向第一电容器充电，同时，第一电感的储能经第一二极管和第二二极管向反极性主电路输出端输出电能，并向第二电容器充电；根据转子位置信息，发电阶段需结束时，断开第二开关管，第二相绕组工作结束；

7、根据转子位置信息，当第三相绕组需投入工作时，首先闭合导通第三开关管、第四开关管、以及第五开关管，进入第三相绕组的励磁阶段，励磁电源经第三开关管和第四开关管向第三相绕组供电励磁，同时有第一电容器经第五开关管向第一电感放电，反极性主电路的输出电能依靠第二电容器维持；根据转子位置信息，当励磁阶段需结束时，断开第四开关管和第五开关管，进入第三相绕组的发电阶段，励磁电源和第三相绕组一起，经第三开关管和第一二极管向第一电容器充电，同时，第一电感的储能经第一二极管和第二二极管向反极性主电路输出端输出电能，并向第二电容器充电；根据转子位置信息，发电阶段需结束时，断开第三开关管，第三相绕组工作结束。

8、当开关磁阻电机作为电动机运行时，升压辅电路作为开关磁阻电动机运行时各相绕组的供电电源，根据转子位置信息，当第一相绕组需投入工作时，首先闭合导通第一开关管、第四开关管、以及第五开关管，进入第一相绕组的第一工作阶段，供电电源经第一开关管和第四开关管向第一相绕组供电产生电动转矩，同时有第一电容器的储能经第五开关管向第一电感放电；根据转子位置信息，当第一工作阶段需结束时，断开第四开关管和第五开关管，进入第一相绕组的第二工作阶段，第一相绕组的剩余储能和供电电源一起经第一开关管和第一二极管向第一电容器释放，同时，第一电感的储能经第一二极管和第二二极管向反极性主电路输出端释放输出，并向第二电容器充电；待下一相绕组需投入工作时，断开第一开关管，第一相绕组工作结束；

9、根据转子位置信息，当第二相绕组需投入工作时，首先闭合导通第二开关管、第四开关管、以及第五开关管，进入第二相绕组的第一工作阶段，供电电源经第二开关管和第四开关管向第二相绕组供电产生电动转矩，同时有第一电容器的储能经第五开关管向第一电感放电；根据转子位置信息，当第一工作阶段需结束时，断开第四开关管和第五开关管，进入第二相绕组的第二工作阶段，第二相绕组的剩余储能和供电电源一起经第二开关管和第一二极管向第一电容器释放，同时，第一电感的储能经第一二极管和第二二极管向反极性主电路输出端释放输出，并向第二电容器充电；根据转子位置信息待下一相绕组需投入工作时，断开第二开关管，第二相绕组工作结束；

10、根据转子位置信息，当第三相绕组需投入工作时，首先闭合导通第三开关管、第四开关管、以及第五开关管，进入第三相绕组的第一工作阶段，供电电源经第三开关管和第四开关管向第三相绕组供电产生电动转矩，同时有第一电容器的储能经第五开关管向第一电感放电；根据转子位置信息，当第一工作阶段需结束时，断开第四开关管和第五开关管，进入第三相绕组的第二工作阶段，第三相绕组的剩余储能和供电电源一起经第三开关管和第一二极管向第一电容器释放，同时，第一电感的储能经第一二极管和第二二极管向反极性主电路输出端释放输出，并向第二电容器充电；根据转子位置信息待下一相绕组需投入工作时，断开第三开关管，第三相绕组工作结束。

11、升压辅电路的控制方法，第六开关管和第七开关管按照pwm方式工作，二者工作频率相同，占空比相同，开通时相位互差180度，即交错开通。

12、当升压辅电路的第六开关管和第七开关管pwm占空比大于0.5时，为升压辅电路工作的第一模式。

13、当升压辅电路的第六开关管和第七开关管pwm占空比小于0.5时，为升压辅电路工作的第二模式。

14、通过升压辅电路的各工作过程中储能元件平衡原理，可得到升压辅电路输入输出电压关系为：

15、

16、式(1)中，ul为升压辅电路输出端电压；d为第六开关管和第七开关管的pwm占空比；uf为隔离变换器输出端电压。

17、本发明的有益效果主要有：

18、本发明的功率变换器，能实现开关磁阻发电机电能反极性输出；同时，通过各相绕组励磁和发电阶段工作过程可见，反极性主电路输出端电压明显大于输入端励磁电源电压和相绕组电压，实现了直接抬升电压输出。

19、升压辅电路工作时，能通过调节第六开关管和第七开关管的pwm占空比调节输出电压，实现开关磁阻发电机的变励磁电压控制，以及作为开关磁阻电动机的变压调速控制；其输出电压总体为升压模式(相对隔离变换器输出端电压)，并且比传统boost电路升压幅度高。