CN102723891A

CN102723891A - 一种基于超导常导混合脉冲变压器的脉冲功率电源

Info

Publication number: CN102723891A
Application number: CN2012102287100A
Authority: CN
Inventors: 王豫; 吴锐; 严仲明; 桂志兴; 段晚晴
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2012-10-10

Abstract

本发明公开了一种基于超导常导混合脉冲变压器的脉冲功率电源，超导常导混合脉冲变压器的原副边线圈采用异名端串联结构；当电源充电开关闭合时，初始电源给串联的原副边线圈充电；当电源充电开关断开后，原边超导线圈中的一部分能量向电容器转移，另一部分通过互感感应至副边常导线圈，再由副边常导线圈对负载放电。转移完毕后，电容器的电压达到最大值，当闭合放电开关，电容器对原边超导线圈反向充电的过程中再次对负载放电，完成第二次脉冲输出。本发明集储能、放电一体化，能够在短时间内输出大电流脉冲，具有体积小、重量轻、能量转换效率高的优点，有广泛的应用前景和巨大的经济效益。

Description

一种基于超导常导混合脉冲变压器的脉冲功率电源

所属技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域中的脉冲电流发生装置，特别涉及一种基于超导常导混合脉冲变压器的脉冲功率电源。

背景技术

脉冲功率技术产生于20世纪30年代，是一种研究能量储存、压缩、转换和传输的技术，它首先把能量缓慢地储存起来，再进行形态变换、压缩和调节，最后在极短的时间内将能量快速释放给负载，从而得到各种高幅值、大功率、陡前沿的脉冲。脉冲功率技术以高电压、大电流、高功率、强脉冲为特点，在国防科研和工业民用领域都有着重要的科学意义与应用价值。在军事上，可以为核聚变、强流粒子束加速器、电磁推进技术以及微波武器等装置提供大功率脉冲电源；在工业上，可以运用微波功率雷达高速脉冲技术对地下资源的性质和分布状况进行勘查；在环保上，可以应用脉冲电场产生的静电场除尘和分解有毒化合物；在医疗上，可以采用体外冲击波技术治疗尿路结石和胆结石。总之，作为一门新兴的科学技术，脉冲功率技术具有十分广阔的应用前景。

在脉冲功率电源中，储能元件的储能密度和脉冲成形技术最为关键，尤其对于脉冲功率电源的小型化、轻量化和实用化要求，其储能元件的高储能密度更加重要。随着超导技术的不断发展与成熟，超导储能电感因其储能密度比电容器高1～2个数量级，且具有储能时间长、损耗小、效率高等优势，已在脉冲功率技术中展现了良好的应用前景。

传统的超导储能脉冲功率电源大多为互不耦合的储能电感串联充电并联放电模式，该模式下的脉冲输出需要断路开关实现，但储能电感放电瞬间会在断路开关两端产生高幅值的电压脉冲，容易造成断路开关损坏，从而影响整个装置的正常工作。另外，如果要获得更高幅值的电流脉冲，则需要很多储能电感模块叠加，模块越多，系统规模越大，控制系统越复杂，不利于脉冲功率装置小型化和轻量化的应用要求。

发明内容

鉴于现有技术的缺点，本发明的目的是设计一种新型的基于超导常导混合脉冲变压器的脉冲功率电源电路，与以往脉冲变压器原副边线圈仅靠互感联系的非接触结构相比，该模式下的原副边线圈串联结构有利于提高电流脉冲幅值、消除储能电感中的残余电流，具有体积小、损耗低、能量转换效率高、控制系统简单和断路开关要求低的特点。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种基于超导常导混合脉冲变压器的脉冲功率电源，主要包括初始电源装置、可控开关、电容器、超导常导混合脉冲变压器、二极管和负载；所述的初始电源装置由直流电流源和电源保护电阻组成；可控开关包括一个电源充电开关和一个放电开关，充电开关连接在所述初始电源装置一端；放电开关与电容器串联后跨接在初始电源装置两端；所述超导常导混合脉冲变压器与初始电源装置呈并联连接，原副边线圈异名端串联；三个二极管分别串联在超导常导混合脉冲变压器的原边线圈、副边线圈和负载回路中。

所述的超导常导脉冲变压器的原边线圈采用高温超导带材绕制，耦合系数控制在0.85-0.9范围内，具有储能密度大、损耗小、储存能量时间长的优点；但由于高温超导带材的临界电流只有几百安，不具备输出上千安大电流脉冲的能力，因此副边线圈采用导电好、载流能力强的铜带作为材料；原副边线圈的异名端串联，整个超导常导混合脉冲变压器放置在低温容器中，利用液氮冷却(77K)，既能保证高温超导带材处于超导态，又能降低铜的电阻率，从而减小损耗，提高整个系统的能量转换效率。

所述的可控开关均为大功率IGBT开关。

所述的电容器与原副边线圈组成的串联支路并联。

所述的负载由电阻和电感组成。

本发明的有益结果在于：1.超导储能电感的储能密度高，能够有效降低脉冲功率电源装置的体积。2.整个脉冲功率电源装置集储能、放电一体化，采用超导常导混合脉冲变压器原副边线圈串联结构既能提高电流脉冲幅值，又能完成脉冲成形。3.由于电容器的作用，电源开关断路瞬间不会出现高幅值的电压脉冲，降低了系统对断路开关的要求。4.通过对中间延时时间的控制，可以得到不同宽度的双电流脉冲，有利于增强输出脉冲的调控性，以满足负载的不同需要。本发明具有体积小、损耗低、能量转换效率高、控制系统简单、电流脉冲幅值大和断路开关要求低的特点，可以应用于轨道炮能源补给或强电流脉冲电源的技术领域。

附图说明

图1为本发明实施例应用于储能、放电一体化的电路原理图

图中，1为直流电流源IDC和电源保护电阻R_g，2为电源开关S₁，3为放电开关S₂，4为超导常导混合脉冲变压器，5为超导常导混合脉冲变压器的原边超导线圈，6为超导常导混合脉冲变压器的副边常导线圈，7为电容器C，8为电容器保护电阻R_f，9为阻感负载R_d、L_d，10为原边线圈回路的二极管D₁，11为副边线圈回路的二极管D₂，

图2为应用本发明时，超导常导混合脉冲变压器原边超导线圈的电流波形，横坐标为时间(ms)，纵坐标为电流(A)；

图3为应用本发明时，负载的电流波形，横坐标为时间(ms)，纵坐标为电流(A)；

图4为应用本发明时，电容器的电压波形，横坐标为时间(ms)，纵坐标为电压(V)；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如附图1所示，首先闭合电源开关S₁，初始电源装置给超导常导混合脉冲变压器相互耦合的原副边线圈串联充电，由于二极管D₃的单向导电性，负载不受电源充电阶段的影响；当原副边线圈串联支路的电流达到预定值后保持恒定；断开电源开关S₁，原边超导线圈中的一部分能量向电容器转移，另一部分通过互感感应至副边常导线圈，再由副边常导线圈向负载放电(忽略副边常导线圈自身能量向负载转移)；当原边超导线圈中的电流衰减至零时，电容器的电压达到最大值，延时导通放电开关S₂，电容器向原边超导线圈反向充电的过程中再次向负载放电；当电容器电压衰减至零时，原边超导线圈的电流达到反向最大值，接着原边超导线圈中的能量通过电容器保护电阻R_f、二极管D₂、放电开关S₂向负载持续放电直至能量释放完毕。

实施例如图1所示，电路的相关参数如下：

理想直流电流源：I₀=200A；电源保护电阻R_g=5Ω；

超导常导混合脉冲电压器的原边超导线圈的自感：L_p=15.75mH；

超导常导混合脉冲电压器的副边常导线圈的自感：L_s=10.7μH；

原边超导线圈和副边常导线圈的互感：M＝353μH；耦合系数k＝0.86；

电容器的电容：C=51μF；电容器保护电阻R_f=2Ω

阻抗负载：R_d=1mΩ，L_d=0.1μH；

如图2所示，0-20ms内，初始电源给超导常导混合脉冲变压器相互耦合的原副边线圈串联充电，充电电流达到预定值200A后保持恒定；t=20ms时断开电源开关S₁，原边超导线圈中的电流开始衰减；延时10ms，即t=40ms时闭合放电开关S₂，电容器向原边超导线圈反向充电，原边超导线圈中的电流达到最大值后，通过电容器保护电阻R_f、二极管D₂、放电开关S₂向负载持续放电直至能量释放完毕。

如图3所示，电容器电压在达到最大值1.8kV后保持恒定，在t=40ms时电压开始衰减。

如图4所示，负载在t=30ms时第一次输出电流脉冲，幅值约为6.38kA；在t=40ms时负载通过放电开关S₂、电容器保护电阻R_f和二极管D₂第二次输出电流脉冲，此次电流脉冲在第一次基础上进行叠加，幅值约为5.72kA。

为了增强输出脉冲的调控性，通过调整中间延时时间，可以得到不同宽度的双电流脉冲，以满足负载的不同需要。

本发明所述的基于超导常导混合脉冲变压器的脉冲功率电源，上述针对较佳实施例的描述过于具体，本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种基于超导常导混合脉冲变压器的脉冲功率电源，其特征在于，主要包括初始电源装置、可控开关、电容器、超导常导混合脉冲变压器、二极管和负载；所述的初始电源装置由直流电流源和电源保护电阻组成；可控开关包括一个电源充电开关和一个放电开关，充电开关连接在所述初始电源装置一端；放电开关与电容器串联后跨接在初始电源装置两端；所述超导常导混合脉冲变压器与初始电源装置呈并联连接，原副边线圈异名端串联；三个二极管分别串联在超导常导混合脉冲变压器的原边线圈、副边线圈和负载回路中。

2.根据权利要求1所述之脉冲功率电源，其特征在于，所述超导常导脉冲变压器的原边线圈采用高温超导带材绕制，副边线圈采用铜带绕制，原副边线圈异名端串联，耦合系数在0.85-0.9范围内。

3.根据权利要求2所述之脉冲功率电源，其特征在于，所述常导常导混合脉冲变压器放置在低温容器内，利用液氮冷却。

4.根据权利要求1所述之脉冲功率电源，其特征在于，所述可控开关均为大功率IGBT开关。

5.根据权利要求1所述之脉冲功率电源，其特征在于，所述电容器与原副边线圈组成的串联支路并联。

6.根据权利要求1所述之脉冲功率电源，其特征在于，所述负载由电阻和电感组成。