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专利号: 2020107251839
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 发电、变电或配电
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种开关磁阻电机前端集成多端口功率变换器,其特征在于:该变换器由前端集成供电电路和多个桥臂单元构成,桥臂单元的数量与开关磁阻电机的相数相同,每个桥臂单元均与一项电机绕组电感连接,前端集成电路包括1个蓄电池组、1个光伏板电源、2个绝缘栅双极晶体管、1个储能电容和3个续流二极管,每个桥臂包括2个绝缘栅双极晶体管和2个续流二极管在其中;

绝缘栅双极晶体管S1、蓄电池组U1、续流二极管D3和光伏板电源U2顺向串联,两个续流二极管D1和续流二极管D2顺向串联,绝缘栅双极晶体管S1的集电极与蓄电池组U1的正极连接,蓄电池组U1的负极与续流二极管D3的负极连接,续流二极管D3的正极与光伏板电源U2的正极连接,光伏板电源U2的负极和储能电容C的负极均与绝缘栅双极晶体管S2的发射极相连接,续流二极管D1的正极与续流二极管D2的负极相连接,续流二极管D1的负极与绝缘栅双极晶体管S1的发射极相连接形成前端集成电路的正极,续流二极管D2的正极与绝缘栅双极晶体管S2的集电极相连接形成前端集成电路的负极,蓄电池组U1的负极、储能电容C的正极和续流二极管D1的正极之间通过导线相互连通;

每个桥臂单元中两个绝缘栅双极晶体管与电机绕组电感顺向串联,下面用四相开关磁阻电机为例,x表示a、b、c或d相任意绕组进行说明,续流二极管Dx2的负极和绝缘栅双极晶体管Sx1的发射极均与电机绕组电感Lx的流入端相连接,续流二极管Dx1的正极和绝缘栅双极晶体管Sx2的集电极均与电机绕组电感Lx的流出端相连接,续流二极管Dx1的负极和绝缘栅双极晶体管Sx1的集电极均与前端集成电路的正极连接,续流二极管Dx2的正极和绝缘栅双极晶体管Sx2的发射极均与前端集成电路的负极连接。

2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机前端集成多端口功率变换器,其特征在于:当给d→a→b→c相绕组依次通电,开关磁阻电机即会逆着励磁顺序的方向连续旋转,同样,若给b→a→d→c相绕组依次通电,则开关磁阻电机同样会逆着励磁顺序的方向连续旋转,但是与前一种通电顺序转向相反;使用U1、U2和U1+U2分别表示前端集成电路的电压,则每相绕组电感Lx的电压UX包括:U1、U2、U1+U2、0、-U1、-U2、-U1-U2总共七种电压水平,并定义绝缘栅双极晶体管开关状态1为导通,0为关断。

3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机前端集成多端口功率变换器,其特征在于:每个桥臂单元有三种开关状态,分别是励磁状态、斩波续流状态、退磁状态;下面以x表示a、b、c或d相任意绕组进行说明,当开关状态为励磁状态时,x相绕组所在的桥臂单元中的绝缘栅双极晶体管Sx1和绝缘栅双极晶体管Sx2导通,励磁电流从前端集成电路的正极流出,通过绝缘栅双极晶体管Sx1流入电机绕组电感Lx,再从电机绕组电感Lx流出后经过绝缘栅双极晶体管Sx2流入前端集成电路的负极;当开关状态为斩波续流状态时,x相绕组所在的桥臂单元中的绝缘栅双极晶体管Sx1关断,绝缘栅双极晶体管Sx2导通,由于绕组电感上的电流不能发生突变,绕组电流缓慢地减少,在绕组电感Lx的作用下配合续流二极管电路开始续流,绕组电感Lx与绝缘栅双极晶体管Sx2和续流二极管Dx2构成续流回路,续流电流从绕组Lx的流出端经过绝缘栅双极晶体管Sx2和续流二极管Dx2回到绕组Lx的流入端;当开关状态为退磁状态时,x相绕组所在的桥臂单元中的绝缘栅双极晶体管Sx1和绝缘栅双极晶体管Sx2关断,绕组电感Lx与续流二极管Dx1、前端集成电路、续流二极管Dx2构成续流回路,续流电流从绕组电感Lx的流出端经过续流二极管Dx1到达前端集成电路的正极,续流电流再从前端集成电路负极经续流二极管Dx2回到绕组电感Lx的流入端。

4.根据权利要求1、2或3所述的开关磁阻电机前端集成多端口功率变换器,其特征在于:当变换器仅由蓄电池组U1供电时,绝缘栅双极晶体管S1导通,绝缘栅双极晶体管S2关断,下面以d→a→b→c相绕组依次通电为例,对a相绕组电压变化进行说明,a相绕组电感La的电压包括:U1、U1+U2、0、-U1、-U1-U2共五种电压水平;当a相绕组所在的桥臂单元刚刚进入励磁状态时,d相处于退磁状态,d相续流电流流入绕组电感La帮助a相绕组建立励磁电流,此时相绕组电感La的电压水平为U1+U2,d续流电流在流回前端集成电路的同时,经过续流二极管Dd1、绝缘栅双极晶体管Sa1、相绕组电感La、绝缘栅双极晶体管Sa2和续流二极管Dd2回到前一相绕组;当桥臂单元继续处于励磁状态,d相续流电流不足以支持a相绕组建立励磁电流,蓄电池组U1帮助a相绕组建立励磁电流,此时a相绕组电感La的电压水平变为U1,蓄电池组U1、绝缘栅双极晶体管S1、绝缘栅双极晶体管Sa1、相绕组电感La、绝缘栅双极晶体管Sa2和续流二极管D2构成励磁回路;当a相绕组所在的桥臂单元处于斩波续流状态时,a相绕组电感La的电压水平为0;当a相绕组所在的桥臂单元刚刚开始处于退磁状态时,a相绕组电感La的电压水平为-U1-U2,续流电流从绕组La的流出端经过续流二极管Da1、绝缘栅双极晶体管S1、蓄电池组U1、储能电容C、绝缘栅双极晶体管S2和续流二极管Da2回到绕组La的流入端;当b相绕组开始励磁并且相绕组电感La的续流电流不足以帮助b相建立励磁电流时,蓄电池组U1帮助b相建立励磁电流,相绕组电感La的电压水平跟随变为-U1;当相绕组电感La继续退磁续流,并且b相处于斩波续流状态时,a相绕组电感La的电压水平重新变为-U1-U2;其余相电压变化以此类推。

5.根据权利要求1、2或3所述的开关磁阻电机前端集成多端口功率变换器,其特征在于:当变换器仅由光伏板电源U2供电时,绝缘栅双极晶体管S1关断,绝缘栅双极晶体管S2导通,下面以d→a→b→c相绕组依次通电为例,对a相绕组电压变化进行说明,a相绕组电感La的电压包括:U2、U1+U2、0、-U2、-U1-U2共五种电压水平;当a相绕组所在的桥臂单元刚刚进入励磁状态时,d相处于退磁状态,d相续流电流流入绕组电感La帮助a相绕组建立励磁电流,此时相绕组电感Lx的电压水平为U1+U2,d相续流电流在流回前端集成电路的同时,经过续流二极管Dd1、绝缘栅双极晶体管Sa1、相绕组电感La、绝缘栅双极晶体管Sa2和续流二极管Dd2回到d相绕组;当桥臂单元继续处于励磁状态,d相续流电流不足以支持La建立励磁电流,光伏板电源U2帮助La建立励磁电流,此时相绕组电感La的电压水平变为U2,光伏板电源U2、续流二极管D3、续流二极管D1、绝缘栅双极晶体管Sa1、相绕组电感La、绝缘栅双极晶体管Sa2和绝缘栅双极晶体管S2构成励磁回路;当a相绕组所在的桥臂单元处于斩波续流状态时,a相绕组电感La的电压水平为0;当a相绕组所在的桥臂单元刚刚开始处于退磁状态时,a相绕组电感La的电压水平为-U1-U2,续流电流从绕组La的流出端经过续流二极管Da1、绝缘栅双极晶体管S1、蓄电池组U1、储能电容C、绝缘栅双极晶体管S2和续流二极管Da2回到绕组La的流入端;当b相开始励磁并且相绕组电感La的续流电流不足以帮助b相建立励磁电流时,光伏板电源U2帮助b相建立励磁电流,相绕组电感La的电压水平跟随变为-U2;当相绕组电感La继续退磁续流,并且b相处于斩波续流状态时,相绕组电感La的电压水平重新变为-U1-U2;其余相电压变化以此类推。

6.根据权利要求1、2或3所述的开关磁阻电机前端集成多端口功率变换器,其特征在于:当变换器由蓄电池组U1和光伏板电源U2一起供电时,绝缘栅双极晶体管S1和绝缘栅双极晶体管S2导通,下面以x表示a、b、c或d任意绕组进行说明,相绕组电感Lx的电压包括U1+U2、

0、-U1-U2共三种电压水平;当x相绕组所在的桥臂单元处于励磁状态时,相绕组电感Lx的电压水平为U1+U2,蓄电池组U1、光伏板电源U2、续流二极管D3、绝缘栅双极晶体管S1、绝缘栅双极晶体管Sx1、相绕组电感Lx、绝缘栅双极晶体管Sx2和绝缘栅双极晶体管S2构成励磁回路;当x相绕组所在的桥臂单元处于斩波续流状态时,相绕组电感Lx的电压水平为0;当x相绕组所在的桥臂单元处于退磁状态时,相绕组电感Lx的电压水平为-U1-U2,相绕组电感Lx、续流二极管Dx1、绝缘栅双极晶体管S1、蓄电池组U1、储能电容C、绝缘栅双极晶体管S2和续流二极管Dx2构成退磁回路。

7.根据1-6任意权利要求所述的开关磁阻电机前端集成多端口功率变换器,其特征在于:当变换器仅由蓄电池组U1供电、仅由光伏板电源U2供电或由蓄电池组U1和光伏板电源U2一起供电时,蓄电池组实现自充电,下面以x表示a、b、c或d相任意绕组,在相绕组Lx处于退磁状态时,绕组的续流电流会流经蓄电池组U1为其充电,从而有效提高了电能的利用率。

8.根据1-6任意权利要求所述的开关磁阻电机前端集成多端口功率变换器,其特征在于:当由光伏板电源U2为蓄电池组U1充电时,绝缘栅双极晶体管S1关断,绝缘栅双极晶体管S2导通,由于光伏板的功率密度低,仅需控制开关磁阻电机一相绕组所在桥臂的绝缘栅双极晶体管的关断,其余相绕组所在桥臂单元的绝缘栅双极晶体管均处于关断状态,下面以x表示a、b、c或d相任意绕组,当导通绝缘栅双极晶体管Sx1和绝缘栅双极晶体管Sx2时,光伏板电源U2为绕组电感Lx充电,当关断绝缘栅双极晶体管Sx1和绝缘栅双极晶体管Sx2时,开关磁阻电机相绕组的续流电流为蓄电池组U1充电,通过控制绝缘栅双极晶体管Sx1和绝缘栅双极晶体管Sx2的占空比可以控制光伏板为蓄电池组U1充电的电流大小。