绕组开路型永磁电机车载起动发电系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公布了一种绕组开路型永磁电机车载起动发电系统及控制方法，所述系统由绕组开路型永磁电机、三相整流桥、三相桥式变换器、切换开关、滤波电容、蓄电池、控制器、电压电流检测电路、驱动电路及负载组成。所述方法绕组开路型永磁电机绕组端部一侧通过三相整流桥和滤波电容构成整流侧给负载供电，另一侧通过三相桥式变换器与蓄电池相连构成逆变控制侧，通过切换开关实现起动、发电运行状态切换，起动控制采用单电流闭环矢量控制，发电运行采用整流侧直流电压、电机相电流双闭环控制，实现输出电压稳定和发电机高效率运行控制。本发明专利技术的绕组开路型永磁电机起动发电系统可以有效地满足车载起动发电机的宽转速运行范围、高功率密度、高效率的要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，属于电机控制领域。
技术介绍
自上世纪90年代起，随着能源危机和环境保护问题的日益严重，世界各国改善环 保的呼声日益高涨，对传统燃料汽车在降低排气污染、节约能源方面提出越来越高的要求， 使得全球汽车工业面临严峻的挑战，传统汽车产业也开始发生结构转型——将新能源与汽 车产业相结合，实现汽车动力系统的新能源化，消除传统能源、环境问题对汽车工业的制 约，发展低碳经济。新型节能减排型混合动力汽车、电动力汽车成为发展的主流。起动/发 电机系统作为混合动力、电动汽车的关键部件，替代了传统汽车的起动机和发电机，集两者 功能于一体，直接安装于发动机曲轴或者通过皮带轮连接，减少了发动机零部件的种类和 数量，减轻了汽车重量，简化了驱动系统的结构，具有结构紧凑、控制性能好、能量利用率高 等优点，能够有效地提升汽车性能。起动/发电一体化技术源于汽车电气系统。上世纪30年，用一台汽车直流发电机 就可以实现起动和发电双功能，但是一直以来车载电气系统中发电机功率较小，作起动机 工作时，起动转矩不够，并且车载电气系统中对动力装置的体积、重量要求并未有严格的限 定要求，使得车载电气系统中起动/发电一体化技术并未受到太多关注。而在对动力装置 体积、重量要求非常苛刻的航空领域，随着飞机性能的提高、机载用电设备的增加，电力电 子技术的发展，上世纪50年代，在飞机低压直流供电系统中将机载有刷直流发电机从单一 的发电型改进为起动、发电双功能，省去了起动装置，减轻了机载设备的重量，有效地提高 了飞机性能。起动/发电技术在航空领域的应用成为机载电气系统技术的一大的飞跃。此 后，随着航空电源供电体制的演变，在现今飞机高压直流、变频交流供电体制中，起动/发 电一体化技术仍为关键技术之一。直到上世纪90年代，随着汽车电子技术的发展，车载用电设备的增加，使得汽车 发电机容量逐渐增大能够满足发动机起动容量的要求，车载起动/发电一体化功能可以实 现。另外环保问题对汽车节能减排提出了更高的要求，利用车载蓄电池、发电机实现电动力 驱动，也成为重要的降低碳排放量的途径。传统的汽车发电机采用爪极式电机，不具备起动功能，难以实现起动/发电一体 化的要求，因此各种具备起动/发电一体化功能的电机开始引起汽车行业的广泛关注。车 载燃油发动机的特性也对起动/发电机系统提出了低速大转矩、宽转速范围、高发电运行效率、高功率重量比等要求。永磁电机具有功率密度高、出力大的突出优点，能够满足低速大转矩、高发电运行 效率、高功率密度的要求，但是存在适应转速范围较窄、弱磁升速和调压控制困难的问题， 为应用于车载起动发电系统必须采用PWM双向变换器实现起动和发电调压控制，但是单一 的PWM变换器仍然存在对发动机适应转速范围窄的问题，难以满足车载燃油发动机的宽转速范围要求。为此世界各国学者针对永磁电机提出了各种改进措施(1)利用永磁电机磁阻转矩扩展其转速范围，采取的方法有电机轴向磁场设计、饱和磁路分析和复合转子设 计等，通过改变永磁电机交、直轴电枢电感，结合矢量控制解耦调制策略，实现永磁电机的 起动弱磁升速、发电调压控制；(2)采用混合励磁方式，针对永磁磁场无法调节的问题，在 永磁电机内部设置励磁绕组，构成混合励磁电机，实现电机气隙磁场调节；(3)特殊结构设 计，设计多绕组、双定子等结构永磁电机，通过开关切换实现各相电枢绕组的串并联，达到 永磁电机输出电压易于调节的目的。但是上述永磁电机通过电机设计、混合励磁、特殊结构设计等方法，虽然达到了调 节电机磁场的目的，但是附加的代价是一定程度上牺牲了自身的功率密度、效率等性能，降 低了永磁电机应用于车载起动/发电机系统的优越性。因此设计一种新型的永磁电机，既 能保证永磁电机的优点，又能改善其发电调压控制特性，成为车载起动/发电机系统亟待 解决的问题。传统的三相电机绕组内部均通过星形或者三角形方式连接，星形连接方式的三相 绕组可以消除绕组中同相位的三次谐波和负载不对称时绕组中的零序电流分量，改善电能 品质，因此三相电机大多采用星形连接方式，永磁电机亦是如此。但是交流电机各相绕组分 开之后，采用特殊的控制方式也能够正常工作。1989年日本学者ISAO TAKAHASHI在异步电 机磁场定向控制的基础上，首次提出一种绕组开路型异步电机两端连接两套逆变器，通过 各逆变器协调控制提高异步电机的转矩响应速度和频带范围，使得绕组开路型交流电机结 构开始获得人们的认可。此后众多学者在高压、大电流应用场合，研究采用两套功率变换器 驱动绕组开路型异步电机控制策略。与传统的并联或多电平变换器驱动方式相比，变换器 成本增加不多，性能可以得到有效地提高。国内清华大学李永东教授也在2003年申请了关 于异步电机双端供电变频调速驱动装置专利，基本思路也是将绕组开路型异步电机应用于 高压、大容量场合。一直以来国内、外学者针对绕组开路型电机类型的研究均是集中在异步 电机驱动方面，研究内容涉及双变换器的协调控制策略、多电平变换器控制以及矩阵式变 换器驱动等。直到2008年，韩国学者Seimg-Ki Sul首次提出绕组开路型永磁电机，并将其 应用于分布式并网发电系统，绕组开路型发电机一端并网，另外一侧通过PWM变换器与各 种直流电源相连，研究了发电机在零速-起动-同步速运行条件下的系统功率控制策略，通 过PWM变换器控制，使永磁发电机等效成电流源实现并网。由于并网过程要求发电机输出 频率与电网频率严格同步，对系统原动机输出转速有着严格的限定，导致系统适用的范围 受到限制，并且没有对该型绕组开路型发电机独立运行特性进行分析，尤其是作为发电机 在转速变化时如何实现调压控制。将传统电机绕组中点打开，不改变电机内部结构，能够保证永磁电机高功率密度、 高效率等优点，构成绕组开路型永磁电机，通过外部功率变换器设计，实现起动运行，并解 决其宽转速范围发电调压控制问题，将对永磁电机应用于车载起动/发电系统具有重要的眉、ο
技术实现思路
本专利技术的目的即在绕组开路型永磁电机的基本工作原理基础上，提出一种新型车 载永磁电机起动发电系统及控制方法，使其满足车载起动发电机的宽转速运行范围、高功率密度、高效率的要求。本专利技术为实现上述目的，采用如下技术方案本专利技术绕组开路型永磁电机车载起动发电系统，由绕组开路型永磁电机、三相整流桥、三相桥式变换器、切换开关、滤波电容、蓄电池、控制器、电压电流检测电路、驱动电路 及负载组成；其中绕组开路型永磁电机绕组端部一侧依次串接切换开关、三相整流桥和滤 波电容构成整流侧给负载供电，另一侧通过三相桥式变换器与蓄电池相连构成逆变控制 侧，实现起动和发电调压控制；绕组开路型永磁电机转轴上设置位置传感器，绕组开路型永 磁电机绕组整流侧设置电压传感器，绕组开路型永磁电机三相绕组设置电流传感器，所述 位置传感器、电压传感器和电流传感器的输出端分别与控制器的信号采集输入端连接，控 制器的控制信号输出端接三相桥式变换器的控制端。绕组开路型永磁电机车载起动发电系统的控制方法如下绕组开路型永磁电机绕组端部一侧通过整流侧给负载供电，另一侧通过逆变控制 侧实现起动和发电调压控制；起动过程合上切换开关S，整流侧三相绕组短路形成星形中点，即将绕组开路型 永磁电机重构成传统的永磁电机，控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种绕组开路型永磁电机车载起动发电系统，其特征在于由绕组开路型永磁电机、三相整流桥、三相桥式变换器、切换开关、滤波电容、蓄电池、控制器、电压电流检测电路、驱动电路及负载组成；其中绕组开路型永磁电机绕组端部一侧依次串接切换开关、三相整流桥和滤波电容构成整流侧给负载供电，另一侧通过三相桥式变换器与蓄电池相连构成逆变控制侧实现起动和发电调压控制；绕组开路型永磁电机转轴上设置位置传感器，整流侧设置电压传感器，绕组开路型永磁电机三相绕组设置电流传感器，所述位置传感器、电压传感器和电流传感器的输出端分别与控制器的信号采集输入端连接，控制器的控制信号输出端接三相桥式变换器的控制端。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：魏佳丹，周波，韩楚，邓清唐，陈长春，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]