專利名稱：電勵磁雙凸極電機可控半波整流發電系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電勵磁雙凸極電機可控半波整流發電系統，屬于特種發電系統。
背景技術：
雙凸極電機屬于一種變磁阻電機，其定子、轉子均為凸極結構，由硅鋼片疊制而成，結構簡單，勵磁元件和電樞繞組均位于定子側，轉子上沒有繞組，電機可靠性高，功率密度高。根據勵磁種類不同，可將雙凸極電機分為永磁雙凸極電機和電勵磁雙凸極電機，永磁雙凸極電機具有結構簡單穩固、繞組端部短、用銅省、功率密度高和效率高等優點，但采用永磁體勵磁無法直接改變磁場強度，作為發電機時存在調壓和故障滅磁困難，限制了永磁雙凸極電機的應用范圍。電勵磁雙凸極電機通過改變勵磁繞組電流，可以方便的調節氣隙磁場強度從而實現寬范圍調壓，而且斷開勵磁電路可以滅磁，實現電機系統故障保護。但由于勵磁電感的存在，勵磁電流控制回路的響應時間常數較大，在負載變化率較大時，電壓調節過程長。在高功率密度應用場合作為發電機使用時，雙凸極電機的反電勢一般為不對稱方波，在整流環節無法應用傳統的可控整流技術(如空間矢量調制技術SVPWM)，一般外接由二極管組成的不控整流電路和濾波器，作為直流發電機使用。不控整流電路是雙凸極發電系統的重要組成部分，傳統的二極管不控整流電路具有結構簡單、造價便宜、可靠性高等諸多優點，但由于發電整流過程中沒有功率因數校正環節，在不同性質負載條件下，相電流和相電壓波形會產生相移，降低了發電機的功率因數和功率密度，并將低次諧波引入發電機繞組，加重了電樞反應，且輸出直流電壓的最低次諧波頻率較低，直接導致直流側濾波器體積大。針對上述問題，本發明力圖將可控整流發電模式引入電勵磁雙凸極電機發電系統，在傳統靠勵磁調壓的電勵磁雙凸極發電系統基礎上，采用可控整流電路，以調節發電機功率因數，提高電機功率密度，削弱電樞電流的波形畸變，減小直流側濾波器體積，提高整個電勵磁雙凸極發電機系統的效率。
發明內容
本發明的目的在于針對上述現有技術的不足，提出一種電勵磁雙凸極電機可控半波整流發電系統。本發明電勵磁雙凸極電機可控半波整流發電系統的具體構成如下，系統由三大部分構成，分別是電勵磁雙凸極發電機、三相可控半波整流電路和發電機控制器。所述電勵磁雙凸極發電機勵磁繞組的勵磁電流由發電機控制器控制，以調節電機磁場，三相定子電樞繞組A、B、C呈星形接法，即A相繞組的一端分別接B相繞組的一端和C相繞組的一端，構成三相繞組的中點0。三相定子電樞繞組A、B、C的另一端分別經三相可控半波整流電路整流輸出，三相可控半波整流電路的下橋臂均為絕緣柵晶體管，上橋臂均為二極管。根據三相繞組的中點0與整流電路的不同接法，可將所述雙凸極電機可控半波整流發電系統拓展為中
3點連接型和中點浮空型，分別如圖3和圖4。與傳統勵磁調壓器不同，發電機控制器不僅可以通過控制勵磁電流調節電壓，還可通過調節可控半波整流電路開關管的占空比控制發電機的電樞電流和電壓。發電機控制器根據所接收的發電機轉子位置信號、三相電樞電流信號和整流電壓信號，產生整流電路三個可控開關器件的驅動信號和勵磁回路開關器件的驅動信號，通過對整流電路和勵磁電路的協調控制，實現電勵磁雙凸極發電系統的可控整流和勵磁調壓調節。與現有技術相比，本電勵磁雙凸極電機可控半波整流發電系統具有如下特點(1)新型電路拓撲有效利用電機本身各相電樞繞組電感，形成了獨立的斬波電路， 在不同性質負載下，可以實現發電機的功率因數校正。(2)發電機控制器可以通過控制整流電路開關器件的占空比，調節各相電樞電流大小，抑制各相電樞電流的波形畸變，減小發電機阻轉矩脈動。(3)將PWM調制技術引入雙凸極整流系統，提高整流電路輸出直流電壓的最低次諧波頻率，可以減小直流側濾波器的容量。(4)發電機控制器通過對整流開關管占空比和勵磁電流的協調控制，可以同時實現發電機電樞電流控制和勵磁調壓控制。
圖1是電勵磁雙凸極電機可控半波整流發電系統結構示意圖。圖2是電勵磁雙凸極電機三相磁鏈與電樞電勢波形示意圖。圖3是電勵磁雙凸極電機可控半波整流發電系統中點連接型拓撲結構示意圖。圖4是電勵磁雙凸極電機可控半波整流發電系統中點浮空型拓撲結構示意圖。圖5是中點連接型拓撲電路工作狀態示意圖。圖6是中點浮空型拓撲電路工作狀態示意圖。上述圖中標號名稱圖2 ΨΑ、ΨΒ、￥c分別代表雙凸極發電機A、B、C相的磁鏈波形，Ea、Eb、Ec分別代表雙凸極發電機A、B、C相的電勢波形，ω為轉子旋轉的電角度。圖3 虛線框1代表電勵磁雙凸極發電機；虛線框2代表三相整流可控半波整流電路；虛線框3代表整流控制器；LA、LB、L。分別代表雙凸極發電機A、B、C相的電樞繞組電感； EA、EB、EC分別代表雙凸極發電機A、B、C相電樞繞組的電勢；點0為雙凸極發電機A、B、C相的電樞繞組星形接法的公共端；Dp D2, D3分別為三相整流可控半波整流電路三個上橋臂的功率二極管；Qi、Q2、Q3分別為三相整流可控整流電路三個下橋臂的絕緣柵晶體管；C為三相整流可控整流電路直流側濾波電容。圖中三相繞組中點0分別與絕緣柵晶體管Qi、Q2、Q3的發射極相連。圖4 虛線框1代表電勵磁雙凸極發電機；虛線框2代表三相整流可控半波整流電路；虛線框3代表整流控制器；LA、LB、L。分別代表雙凸極發電機A、B、C相的電樞繞組電感； EA、EB、EC分別代表雙凸極發電機A、B、C相電樞繞組的電勢；點0為雙凸極發電機A、B、C相的電樞繞組星形接法的公共端；Dp D2, D3分別為三相整流可控半波整流電路三個上橋臂的功率二極管；Qi、Q2、Q3分別為三相整流可控整流電路三個下橋臂的絕緣柵晶體管；C為三相整流可控整流電路直流側濾波電容。圖中三相繞組中點0浮空。
4
圖5 :(a)_A相電勢為正時的整流拓撲工作狀態。La代表雙凸極發電機A相的電樞繞組電感；EA代表雙凸極發電機A相電樞繞組的電勢諷為整流電路的功率二極管誶為整流電路的絕緣柵晶體管；(b)-B相電勢為正時的整流拓撲工作狀態。Lb代表雙凸極發電機B相的電樞繞組電感；EB代表雙凸極發電機B相電樞繞組的電勢；D2為整流電路的功率二極管；Q2為整流電路的絕緣柵晶體管；(C)-C相電勢為正時的整流拓撲工作狀態。Lc代表雙凸極發電機C相的電樞繞組電感；Ee代表雙凸極發電機C相電樞繞組的電勢；D3為整流電路的功率二極管；Q3為整流電路的絕緣柵晶體管；C為三相整流可控整流電路直流側濾波電容。圖6 :(a)_A相電勢為正、B相電勢為負時的整流拓撲工作狀態。LA、LB分別代表雙凸極發電機A、B相的電樞繞組電感；EA、EB代表雙凸極發電機A、B相電樞繞組的電勢諷為整流電路的功率二極管；Qi、Q2為整流電路的絕緣柵晶體管；(b)_B相電勢為正、C相電勢為負時的整流拓撲工作狀態。Lb、Lc分別代表雙凸極發電機B、C相的電樞繞組電感；EB、EC代表雙凸極發電機B、C相電樞繞組的電勢；D2為整流電路的功率二極管；Q2、Q3為整流電路的絕緣柵晶體管；(C)-C相電勢為正、A相電勢為負時的整流拓撲工作狀態。L。、La分別代表雙凸極發電機C、A相的電樞繞組電感；Ec、Ea代表雙凸極發電機C、A相電樞繞組的電勢；D3為整流電路的功率二極管；Q3、Qi為整流電路的絕緣柵晶體管；
具體實施例方式本發明電勵磁雙凸極電機可控半波整流發電系統，由三大部分構成，分別是電勵磁雙凸極發電機、三相可控半波整流電路和發電機控制器。如圖1所示。所述電勵磁雙凸極發電機，其特征在于勵磁繞組的勵磁電流由發電機控制器控制，以調節電機磁場，實現發電機各相繞組的電壓調節。三相定子電樞繞組A、B、C呈星形接法，即A相繞組的一端分別接B相繞組的一端和C相繞組的一端，構成三相繞組的中點0。 由圖2可知，對于所述三相電勵磁雙凸極發電機，相對于中點0，三相繞組的正、負、零電勢交替產生。所述三相可控半波整流電路，其特征在于電路中的Dp D2, D3分別為整流電路三個上橋臂的功率二極管，Qi、Q2、Q3分別為整流電路三個下橋臂的絕緣柵晶體管，D4、D5、D6分別 *Qi、Q2、Q3的反并二極管，01、02、03、04、05、06、01、02、03構成了三相可控半波整流電路。根據三相繞組的中點0與整流電路的不同接法，可將所述雙凸極電機可控半波整流發電系統拓展為中點連接型和中點浮空型。當三相繞組中點0分別與絕緣柵晶體管QpQ2、Q3的發射極相連時，構成中點連接型可控半波整流發電拓撲，定子電樞繞組A的另一端分別接功率二極管D1陽極、絕緣柵晶體管Q1集電極，電樞繞組B的另一端分別接功率二極管D2陽極、 絕緣柵晶體管Q2集電極，電樞繞組C的另一端分別接功率二極管D3陽極、絕緣柵晶體管Q3 集電極，在中點連接型雙凸極電機可控半波整流發電系統中，三相繞組中點0分別與絕緣柵晶體管Qp Q2、Q3的發射極相連，如圖3。以A相為例說明當雙凸極電機A相電勢為正， 由功率管Qp電感La、升壓二極管D1和與其他兩相共用的濾波電容C構成一個boost升壓電路拓撲，電路狀態如圖5-A。圖5-B和圖5-C分別示意了 B、C相電勢為正時，發電系統的
5工作狀態。當三相繞組中點0浮空時，構成中點浮空型可控半波整流發電拓撲，如圖4。以圖6-A為例說明當雙凸極電機A相電勢為正，B相電勢為負時，功率管Q”A相繞組電感La 及B相繞組電感Lb串聯而成的電感、升壓二極管Dp Q2的續流二極管和與其他兩相共用的濾波電容C構成一個boost升壓電路拓撲。A相和B相共同向負載提供能量。圖6-B和圖 6-C分別示意了 B、C相和C、A相同時工作時的發電系統工作狀態。所述發電機控制器，其特征在于，發電機控制器通過對整流管占空比和勵磁電流的協調控制，可以同時實現發電機電樞電流控制和勵磁調壓控制。整流電路中三個絕緣柵晶體管Qi、Q2、Q3的驅動信號由發電機控制器根據所接收的發電機轉子位置信號和三相電樞電流信號產生，以調節各相電樞電流的大小，并使雙凸極發電機相電流跟蹤相電壓的相位， 實現對雙凸極發電機的可控整流和功率因數校正。勵磁電路中晶體管Q4的驅動信號由發電機控制器根據所接收的發電機整流電壓信號產生，通過Q4的開斷，調節勵磁電流，控制磁場強度，實現發電系統的電壓調節。雙凸極電機可控半波整流發電系統的優點(1)新型電路拓撲有效利用了電機本身各相電樞繞組電感，形成了獨立的斬波電路，在不同性質負載下，均可以實現發電機的功率因數校正。(2)發電機控制器可以通過控制整流電路開關器件的占空比，調節各相電樞電流大小與形狀，減小電磁轉矩的脈動。(3)將PWM調制技術引入雙凸極整流系統，提高整流電路輸出直流電壓的最低次諧波頻率，可以減小直流側濾波器的電容量。(4)發電機控制器通過對整流管占空比和勵磁電流的協調控制，可以實現系統的高效率運行。(5)適用于風力發電系統等，對電機功率密度要求較高的場合。
權利要求
1.一種電勵磁雙凸極電機可控半波整流發電系統，其特征在于，三相定子電樞繞組A、 B、C呈星形接法，另一端經三相可控半波整流電路整流輸出，根據三相繞組的中點0與整流電路的不同接法，可將所述雙凸極電機可控整流發電系統拓展為中點連接型和中點浮空型。
2.一種電勵磁雙凸極電機可控半波整流發電系統，其特征在于，發電機控制量由傳統的控制勵磁變為同時控制勵磁和電樞電流，所述發電機控制器根據所接收的發電機轉子位置信號、三相電樞電流信號和整流電壓信號，產生整流電路三個可控開關器件的驅動信號和勵磁回路開關器件的驅動信號，通過對整流電路和勵磁電路的協調控制，實現電勵磁雙凸極發電系統的可控整流和勵磁調壓調節。
3.一種電勵磁雙凸極電機可控半波整流發電系統，其特征在于，雙凸極電機可控半波整流發電拓撲可視為由多個獨立的斬波電路并聯形成的整流系統，適用于三相和多相電勵磁雙凸極發電系統。
全文摘要
一種電勵磁雙凸極電機可控半波整流發電系統，屬于特種發電系統。系統由電勵磁雙凸極發電機、三相可控半波整流電路和發電機控制器構成。所述電勵磁雙凸極電機定子電樞繞組呈星形接法，繞組接三相可控半波整流電路，整流電路下橋臂器件均為絕緣柵晶體管，上橋臂器件均為二極管。根據繞組中點O與整流電路的不同接法，可將所述整流發電系統拓展為中點連接型和中點浮空型。發電機控制器根據電機轉子位置信號、三相電樞電流信號和整流電壓信號，產生整流電路和勵磁回路的開關器件驅動信號，通過對整流電路和勵磁電路的協調控制，實現電勵磁雙凸極發電系統的可控整流和勵磁調壓調節。
文檔編號H02P9/38GK102223129SQ20111016122
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月16日 優先權日2011年6月16日
發明者嚴仰光, 段晴晴, 毛志鑫, 陳冉, 陳志輝, 龔春英 申請人:南京航空航天大學