CN101013851B - 用于对超导线圈充电和放电的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于对超导线圈(12)充电和放电的系统和方法。该系统包括耦合在低压总线(20)和高压总线(18)之间的升压变换器(16)，以及耦合在高压总线和线圈之间的反向变换器。该系统被配置为对线圈进行充电和放电，而在极性反向的同时不反向电流，并且仅在必要的时候才提供高电压。该系统还包括在放电过程中耗散过多能量的装置(42)。该方法包括脉宽调制升压变换器的固态开关，从而从低电压中获得高电压，并且然后切换反向调节器的固态开关，从而以非电流反向、极性反向方式对线圈充电或放电。

Description

用于对超导线圈充电和放电的系统和方法
技术领域
本发明一般涉及用于诸如超导线圈的高电感、低阻抗负载的电源。本发明可以例如与场激励器一起用于发电机，并且尤其用于具有诸如超导体机器的大的激磁绕组电感的机器。
背景技术
高电感、低阻抗机器要求高电压，以实现快速的励磁电流响应。这些高电压典型地只对于简短的周期是必需的，并且在不必这样做时避免施加高电压是有利的。此外，在某些应用中只有低的直流电压是可用的，并因此需要从低的直流电压源中产生用于负载的高电压。
传统的相控闸流晶体管场激励器非常笨重并且相对缓慢。在现有技术中需要改进的方案，用于激励包括超导线圈和绕组的发电机。
发明内容
本发明提供有效的、小型紧凑并且重量轻的场激励器，使得能够从单个低电压源中获得可变的电压电平。此外，提供仅在需要快速电流变化时才切换到高电压的减少开关损耗的方案。在大多数的稳态操作过程中使用较低的电压总线，从而减小应力并且增加效率。
提供一种对超导体线圈进行充电和放电的轻质量且有效的场激励器，其具有低的开关损耗。这种设置包括与二象限反向(buck)(降压)变换器串联的升压(boost)变换器。该升压变换器将低电压转换成高电压。依据特定时间上线圈的特定需要，能够将一定范围的电压电平提供给超导体线圈。升压变换器和反向变换器一起工作，从而提供恰当的电压电平给超导体负载。例如，如果要求快速的励磁响应，可产生高电压，而如果不需要高电压，则可从电源提供低电压。此外，可以将线圈放电而不改变电流的方向。
本发明具有几个重要的优点。首先，轻质量并且紧凑设计允许其用于其中空间有限并且重量是需要考虑的应用中，例如用于航空器上。此外，仅使用低电压源或总线来提供高电压给线圈的能力在仅有低电压源例如航空器直流总线是可利用的地方是有益的。本发明还在输出电压中提供非常低的纹波(ripple)(脉动)，以防止线圈的熄灭(quenching)，消除了附加滤波器的需要，由此减小了尺寸和重量。最后，减小了开关损耗，使得电路更加有效。
公开了提供附加效用的几种结构。一种结构用于反向变换器的冗余度，这进一步减小了输出中的纹波。这种冗余度还提供了某个程度的安全性，其中如果一个反向变换器出现故障，则其他的变换器仍然能工作，以提供恰当的电压电平给线圈。另一种结构提供施加到线圈上的电压的总体与精细控制。这可以通过将高压升压器桥接器(bridge)与低电压电源桥接器堆叠而实现。又一种结构允许多电平场激励器再生电池，或者将多余的功率返回到电源总线上。应该知道，这些结构仅是代表性的结构，并且本发明可以具有未专门在本文中描述的许多其他的结构和应用。
附图说明
本发明的这些和其他特征、方面以及优点在参考附图阅读下面的详细描述时更加容易理解，其中在所有附图中相同的字符代表相同的部件，其中：
图1示意性示出根据本发明的各方面的采用升压变换器和反向变换器对超导线圈进行充电和放电的场激励器；
图2示意性示出根据本发明的各方面的被配置为对超导线圈进行充电和放电的示例性冗余电路；
图3示意性示出根据本发明的各方面的被配置为提供多个电压电平以对超导线圈进行充电和放电的示例性电路；
图4示意性示出根据本发明的各方面的被配置为提供多个电压电平以对超导线圈进行充电和放电以及再生电源的示例性开关电路；和
图5示意性示出根据本发明的各方面的包括堆叠桥接器以及直流/直流转换器以将低压转换成高压的示例性电路。
具体实施方式
图1示意性示出用于为超导线圈12提供激励电流的电源电路10。该电路10包括升压变换器16以及反向变换器18。升压变换器16被配置为将低直流电压转换成高直流电压。该低电压直流电源被提供在低压直流总线20上，而高压直流电源被输出在高压直流总线22上。
升压变换器16包括电感器24和固态开关26。开关26耦合在直流总线两端，并且典型地可以在脉宽调制状态(形式)中进行切换，从而将来自低压总线20的电功率转换成施加到高压直流总线22的较高电压，如下所述。电容器30与固态开关26并联电耦合，并存储较高的电压。二极管28防止电流从高压直流总线22回流返回到升压变换器16。
反向变换器包括第一反向变换器固态开关32、第二反向变换器固态开关34以及一对耦合在开关周围的回扫二极管36，38。根据第一和第二反向变换器固态开关32，34的切换来对线圈进行充电或者放电。如本领域技术人员将意识到的，在所示实施例中，反向变换器是二象限变换器，这表示：第一和第二反向变换器开关是以非电流反向而以电压极性反向方式进行切换。
在正常操作期间，升压变换器16耦合到直流电源14上。在附图中，该直流电源14被表示为电池，但是其可以是任何低电压源。如所示的，控制器112被电连接，以便给升压变换器16的开关26的栅级以及给反向变换器18的开关32和34提供控制信号，从而提供激励线圈12所需要的电压。尤其，控制器112进行的升压固态开关26的脉宽调制(PWM)在电容器30中为高压直流总线22建立期望的高电压。当对线圈12充电时，电容器30放电，以提供电压给反向变换器。
为了将全部高电压提供给线圈，控制器112一起切换第一反向变换器固态开关32和第二反向变换器固态开关34。如果第一和第二反向变换器固态开关中的任何一个对于另一个开关的每个循环开关切换重复地关断和接通，那么减小了提供给线圈12的电压的电平。此外，控制器112可以交替开关切换第一和第二反向变换器固态开关，以分布开关损耗。线圈12的励磁电流可采用公知的电流滞后频带控制技术或者以任何其他合适的技术进行控制。
第一和第二反向变换器固态开关32，34还用于对线圈12放电。这可以通过控制器112以减小施加到线圈12上的电压的方式切换它们来实现。线圈12试图维持恒定电流，并且线圈12两端的极性反向。然而，如上所述，自反向变换器18的电流流动的方向并不反向。
当线圈12放电时，电容器30充电。如果电容器不能处理该放电，那么控制器112可接通固态开关40，这允许与线圈12并联连接的制动电阻器42以热的形式耗散掉过量功率。尤其，开关40例如可以是闸流晶体管，其在这样的放电周期期间可以被接通，从而利用通过电阻器42的阻性损耗而耗散掉电荷。在正常操作或者充电周期期间，可利用与开关26，32和34相同的控制器112进行控制的闸流晶体管40被设置在非导通状态，这样制动电阻器42不从该电路消耗功率。
利用上述的场激励器电路10提供各种好处。例如，场激励器电路10可以使高电压从低电压源中产生。从低电压中产生高电压具有几种好处。首先，这允许在仅有低电压可利用的地方对超导线圈进行励磁激励。其次，可仅在需要时产生高电压，从而减小了电路及其元件上的应力以及开关损耗。
此外，升压变换器固态开关26在高频(例如，100kHz)被切换，这允许升压电感器16是小的，从而减小了场激励器的尺寸和重量。与传统的闸流晶体管控制场激励器电路相比，较轻的重量和较小的尺寸提供明显的好处。反向变换器固态开关还由控制器112在高频(例如，100kHz)进行切换。这在输出电压中提供更快的响应和非常低的纹波。纹波减少了电路的效率并且可能引起线圈的熄灭。最后，控制器112可以交替方式切换反向变换器固态开关。这种切换分布(散)开关损耗，从而通过防止开关累积过多的热能而降低开关损耗。
应注意，尽管这里已经参考使用闸流晶体管作为可控开关，但本发明也可采用和控制其他开关，例如，GTO，IGBT等等。这种类型的某些开关可提供它们可被随意关断的附加优点，而不要求电流衰减为零。这样可以允许控制在已经启动功率开关之后不久被再次接入。利用超导线圈，依据用于对它进行放电的电阻值，电流衰减到零可以要求某些延迟。
图2示出了冗余激励器电路44，除了该场激励器具有冗余反向变换器48之外，与图1所示的激励器类似。冗余反向变换器48包括第一和第二冗余固态开关50，52以及第一和第二冗余回扫二极管54，56。接口电抗器46允许冗余反向变换器48与第一反向变换器并行操作。在正常操作过程中，控制器112操作两个反向变换器彼此异相180度。为清楚起见，将控制器112连接到开关的线已被省略。
冗余激励器电路44不仅维持图1所述配置结构的所有优点，还进一步减小纹波。如上所述，这增加了效率并且减小了线圈12中熄灭的可能性。此外，冗余激励器电路44可以更适合于其中系统位于特定可靠性要求的某些应用。在这种情况下，冗余性允许一个反向变换器失效，而另一个继续工作。与两个反向变换器异相180度工作相比，一个反向变换器失效将增加线圈中的纹波。这种增加的纹波可用作一个反向变换器不再正确操作的指示符。
图3示出了多电平场激励器电路58。多电平场激励器电路58包括高电压升压器桥接器60和低电压源桥接器62。多电平场激励器电路允许线圈12被供以高压总线22的电压电平和低压总线20的电压电平之间必需的任何电压电平。正如在其他结构中，升压变换器用于实现高压总线22的高电压电平。
高电压升压器桥接器60耦合到高压总线22、低压总线20以及低电压电源桥接器62上。高电压升压器桥接器包括第一升压固态开关64、放电固态开关66以及第一和第二升压回扫二极管68，70。低电压电源桥接器62耦合到低压总线20、线圈12以及高电压升压器桥接器上。低电压源桥接器包括第一电源固态开关72、第二电源固态开关74以及第一和第二电源回扫二极管76，78。正如在其他结构中，控制器112连接到各种固态开关的栅极，然而，为清楚起见，省略了将控制器112与各种开关连接的线路。
如上所述，多电平场激励器电路58可用于给线圈12提供高压总线22和低压总线20的电压电平之间的任何电压电平。为了给线圈12提供最大电压电平，控制器112接通升压固态开关64，同时第一和第二电源固态开关72，74接通。高电压升压器桥接器60的放电固态开关66保持关断。存在多种途径来实现高电压电平和低电压电平之间的电压电平。提供给线圈12的电压电平的总体控制可通过控制器112PWM切换升压固态开关64来实现，同时切换第一和第二电源固态开关72，74为导通。精细控制可通过控制器112PWM切换第一和第二电源固态开关72，74来实现。关键是提供给线圈12的电压通过控制器112切换各种固态开关来控制，并取决于特定时间上的负载。
放电固态开关66和第一升压回扫二极管68用于对线圈12放电。为了对线圈12放电，控制器112接通放电固态开关66，并关断升压固态开关64以及第一和第二电源固态开关72，74。励磁线圈然后能够消耗到电容器30。再一次，不用改变电流的方向而进行放电。只有线圈12上的极性改变。
如上所述，线圈12还可用于被放电到与线圈并联连接的制动电阻器42上。多电平激励器电路58另外包括可选择的耗散电阻器80以及耗散固态开关82。可在电容器30不能吸收线圈12放电时的电荷时使用耗散电阻器80。当耗散固态开关82由控制器112设置在导通状态中时，耗散电阻器80以热的形式耗散过量的电荷。
多电平激励器电路58提供诸如纹波减小、低尺寸和重量以及减小开关损耗的上述好处。另外，多电平激励器电路58允许对提供给线圈12的电压进行精细控制和总体控制。这种对电压的总体控制和精细控制的一个好处是：因为将仅在必要时才使用高电压，因此减小了元件磨损和破坏。
图4示出了再生电路。再生电路84的功能和结构与多电平激励器电路58相同，不同之处是：再生电路84具有再生固态开关86和再生固态回扫二极管88。再生固态开关86和再生回扫二极管88并联耦合到升压变换器上，并用作反向变换器，以便将来自高压总线22的电压减小到电源或者系统总线的电平。当线圈12放电时，发生再生。
图5示出了采用直流/直流变换器90来将低电压变换成高电压的多电平激励器。直流/直流变换器90耦合在低压总线20和高压总线22之间。堆叠桥接器是反向变换器、高压总线变换器92和低压总线变换器94，每个都具有一对固态开关和各自的回扫二极管。这些开关的栅极连接到控制器112。为清楚起见，将控制器112连接到栅极的线路已经被省略。如前所述，这些开关由控制器112进行PWM切换，以便为线圈12提供必要的电压。例如，为了给线圈12提供来自高压总线的全部高电压，控制器112将所有的固态开关设置在导通状态。为了放电到电容器30，控制器112将第一高压总线固态开关96和第二高压总线固态开关98设置在非导通状态，同时第一低压总线固态开关104和第二低压固态开关106设置在导通状态。电流从线圈通过两个低压总线变换器固态开关和低压总线回扫二极管并且通过第一高压总线回扫二极管100流到直流-链路电容器30。
这种结构提供了与上述电路相同的许多好处。例如，如果直流/直流变换器是双向的，那么它可用于再生系统总线。另外，可从低压电源/总线中实现高电压，并且根据当时的需要可提供一定范围的电压给线圈。
尽管这里仅示出了和描述了本发明的某些特定特征，但是本领域技术人员可进行许多变形和改变。因此，应该理解，所附权利要求旨在覆盖所有的这样的落入本发明的真正精神内的修改和改变。
部件列表
10 场激励器电路
12 线圈
14 直流电源
16 升压变换器
18 反向变换器
20 低压直流总线
22 高压直流总线
24 电感器
26 固态开关
28 正向偏压二极管
30 电容器
32 第一反向变换器固态开关
34 第二反向变换器固态开关
36 第一反向变换器回扫二极管
38 第二反向变换器回扫二极管
40 闸流晶体管
42 制动电阻器
44 冗余激励器电路
46 接口电抗器
48 冗余反向变换器
50 第一冗余固态开关
52 第二冗余固态开关
54 第一冗余回扫二极管
56 第二冗余回扫二极管
58 多电平场激励器
60 高电压升压器桥接器
62 低电压源桥接器
64 高电压固态开关
66 放电固态开关
68  第一高电压升压器桥接器回扫二极管
70  第二高电压升压器桥接器回扫二极管
72  第一低电压源桥接器固态开关
74  第二低电压源桥接器固态开关
76  第一低电压源桥接器回扫二极管
78  第二低电压源桥接器回扫二极管
80  功率耗散电阻器
82  功率耗散固态开关
84  再生多电平激励器电路
86  再生固态开关
88  再生回扫二极管
90  直流/直流变换器
92  高压总线反向变换器
94  低压总线反向变换器
96  第一高压总线固态开关
98  第二高压总线固态开关
100 第一高压总线回扫二极管
102 第二高压总线回扫二极管
104 第一低压总线固态开关
106 第二低压总线固态开关
108 第一低压总线回扫二极管
110 第二低压总线回扫二极管
112 控制器

Claims (24)

1.一种用于对超导线圈充电并使其放电的系统，包括：
升压变换器，耦合到低压总线和高压总线上，并被配置为将电压从低电压升压到高电压；
耦合在高压总线两端的储能元件；
冗余二象限反向变换器，耦合到高压总线上，该反向变换器包括接口电抗器及并联的固态开关对以及相应的回扫二极管；以及
控制器，向升压变换器和冗余二象限反向变换器提供控制信号，使得以非电流反向、极性反向模式切换该固态开关，从而选择地从储能元件对该超导线圈充电和将该超导线圈放电到储能元件。
2.如权利要求1所述的系统，其中升压变换器包括电感器和固态开关。
3.如权利要求2所述的系统，其中升压变换器中的电感器与电源串联耦合，而升压变换器中的固态开关与电源并联耦合。
4.如权利要求1所述的系统，还包括与超导线圈并联耦合的制动元件。
5.如权利要求4所述的系统，其中制动元件包括与可控开关串联的电阻器。
6.一种用于对超导线圈充电并使其放电的系统，包括：
升压变换器，耦合到低压总线和高压总线上，并被配置为将电压从低电压升压到高电压；
耦合在高压总线两端的储能元件；
低电压源桥接器，耦合到低压总线，并包括一对开关和回扫二极管；
高电压升压器桥接器，耦合到高压总线和低电压源桥接器，并包括一对固态开关和相应的回扫二极管；以及
控制器，以非电流反向、极性反向模式切换低电压源桥接器的一对开关和高电压升压器桥接器的一对固态开关，从而选择地在低电压和高电压之间从储能元件对该超导线圈充电，并将该超导线圈放电到储能元件。
7.如权利要求6所述的系统，其中升压变换器包括电感器和固态开关。
8.如权利要求7所述的系统，其中升压变换器中的电感器与电源串联耦合，而升压变换器中的固态开关与电源并联耦合。
9.如权利要求7所述的系统，还包括与超导线圈并联耦合的制动元件。
10.如权利要求9所述的系统，其中制动元件包括与可控开关串联的电阻器。
11.一种用于对超导线圈充电并使其放电的系统，包括：
升压变换器，耦合到低压总线和高压总线上，并被配置为将电压从低电压升压到高电压；
反向变换器，耦合到升压变换器及耦合到高、低压总线，并被配置为将能量返回系统总线；
耦合在高压总线两端的储能元件；
低电压源桥接器，耦合到低压总线，并包括一对开关和回扫二极管；
高电压升压器桥接器，耦合到高压总线和低电压源桥接器，并包括一对固态开关和相应的回扫二极管；以及
控制器，以非电流反向、极性反向模式切换低电压源桥接器中的一对开关和高电压升压器桥接器中的一对固态开关，从而选择地在低电压和高电压之间从储能元件对该超导线圈充电，并将该超导线圈放电到储能元件。
12.如权利要求11所述的系统，其中升压变换器包括电感器和固态开关。
13.如权利要求12所述的系统，其中升压变换器中的电感器与电源串联耦合，而升压变换器中的固态开关与电源并联耦合。
14.如权利要求11所述的系统，还包括与超导线圈并联耦合的制动元件。
15.如权利要求14所述的系统，其中制动元件包括与可控开关串联的电阻器。
16.一种用于对超导线圈充电并使其放电的系统，包括：
直流/直流变换器，耦合到低压总线和高压总线上，并被配置为将低电压变换为高电压；
耦合在高压总线两端的储能元件；
第一二象限反向变换器，耦合到高压总线上，该第一二象限反向变换器包括一对固态开关对以及各自的回扫二极管；
第二二象限反向变换器，耦合到低压总线上，该第二二象限反向变换器包括第二对固态开关对以及相应的回扫二极管；以及
控制器，以非电流反向、极性反向模式切换第一二象限反向变换器和第二二象限反向变换器，从而选择地对该超导线圈充电以及使该超导线圈放电。
17.如权利要求16所述的系统，其中直流/直流变换器是双向的，并被配置为再生系统总线。
18.如权利要求16所述的系统，其中升压变换器包括电感器和固态开关。
19.如权利要求18所述的系统，其中升压变换器中的电感器与电源串联耦合，而升压变换器中的固态开关与电源并联耦合。
20.如权利要求16所述的系统，还包括与超导线圈并联耦合的制动元件。
21.如权利要求20所述的系统，其中制动元件包括与可控开关串联的电阻器。
22.一种用于对超导线圈充电并使其放电的方法，包括：
对升压开关进行脉宽调制，以便从相对低电压中生成高电压，该升压开关形成升压变换器的一部分；
接通低电压源桥接器的第一固态开关和第二固态开关，该低电压源桥接器耦合到超导线圈、低压总线以及高电压升压器桥接器；以及
对高电压升压器桥接器的第一固态开关进行脉宽调制，从而利用期望电压对超导线圈充电，该高电压升压器桥接器耦合到高压总线、低压总线以及低电压源桥接器；
接通高电压升压器桥接器的第二固态开关，从而以非电流反向、极性反向方式将超导线圈放电到储能元件，其中该储能元件耦合在高压总线两端；和
通过来自控制器的控制信号，对接通低电压源桥接器的第一固态开关和第二固态开关以及接通高电压升压器桥接器的第二固态开关进行控制。
23.如权利要求22所述的方法，还包括将放电固态开关进行接通，同时使超导线圈放电，其中放电固态开关与电阻器串联耦合且与储能元件并联。
24.如权利要求22所述的方法，还包括放电的时候将制动可控开关进行接通，其中制动可控开关与电阻器串联，且与超导线圈并联。
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