CN104734555B - 一种超导电感电容混合储能脉冲功率电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导电感电容混合储能脉冲功率电源，包括初始充电电源、可控开关、储能电容器、非线性电阻、三绕组脉冲变压器、二极管和负载；本发明结构将超导电感储能和电容储能有效结合，并利用三绕组脉冲变压器将能量进行快速压缩和释放；电容器集储能和限压两种功能并且通过LC振荡回路加速了能量向负载传递的速率和效率；压敏电阻使原边超导线圈中的剩余电流快速衰减，提升了能量传递效率。

Description

一种超导电感电容混合储能脉冲功率电源

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，特别涉及一种利用超导电感电容混合储能的大电流脉冲发生装置。

背景技术

脉冲功率技术是目前国际上热门的高科技技术之一，它将相对较长时间内存储的能量在短时间内完成压缩和整形，以期在负载上得到各种高幅值、陡前沿、短时间的电脉冲。近年来，随着脉冲功率技术的蓬勃发展，它已经渗透到我们日常生活的方方面面。在军事方面，它可以应用在电磁发射、大功率微波、卫星推进和受控激光核聚变等装置中；在工业领域，它可以用于驱动激光器完成切割与焊接等工作、处理废气废水以及食品保鲜；在医用领域，脉冲功率技术可以驱动加速器以产生X射线治疗癌症患者，用作心脏起搏器，用NO吸入疗法治疗呼吸系统疾病以及粉碎结实等。总之，它在国防科研、高新技术研究和民用工业等领域中有着越来越广泛的重要应用。

根据不同的储能类型，脉冲功率装置主要分为电感储能型和电容储能型两种方式。

电感储能是以磁场形式储存的，具有储能密度高、体积小等优点，但是能量释放过程中用到的断路开关的技术困难较大，能量转换的效率较低。但是，随着超导技术的发展，其具有储能密度高、损耗小、效率高等优势，将在脉冲功率领域中具有重要的应用前景。电容储能是以电场形式储存的，具有结构简单、技术成熟等优点，但是其储能密度低、漏电流大，不适合长期储存。

目前，在需要脉冲强电流的场合中，有两种主要的放电模式。第一种是电容对降压升流型脉冲变压器放电模式(如附图1所示)；第二种是电感储能型MEATGRINDER电路(如附图2所示)。但是，这两种传统电路都有其固有缺点：第一种电路中负载上为了防止产生反向电流，原边绕组中的电流下降率不能过大，由于变压器的隔直通交特性，导致原边绕组回路中的较多的剩余能量不能传递到负载侧；第二种电路是借助级间互感向负载传递能量，为了限制断路开关上的过电压引入了电容，但是，随着系统储能等级的增加，必须选用大电容以限制开关电压，这不仅降低了能量向负载侧传递的速率还增加了装置体积和重量。另外，上述两种电路电感绕组由于采用铜材料绕制，不可避免的存在发热损耗和载流能力低的问题，不利于系统的小型化、轻量化和高效化。

发明内容

鉴于现有技术的缺点，本发明的目的是设计一种超导电感电容混合储能脉冲功率电源，将上述两种电路有效结合在一起，并设计了新型的脉冲变压器结构和外围电路，增加了装置的储能密度和能量传递的速率和效率。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种超导电感电容混合储能脉冲功率电源，其特征在于，包括初始充电电源、可控开关、储能电容器、压敏电阻、三绕组脉冲变压器、二极管和负载；其中，初始充电电源1由直流电流源和保护电阻构成；可控开关包括电感充电开关2、电容放电开关4和负载侧开关14；具有原边绕组和采用自耦方式与负载连接的两副边绕组变压器8的原边绕组分别与初始充电电源1、储能电容器3和压敏电阻6构成三个并联回路；电容放电开关4串联在储能电容器3上；互为反向的充电二极管5和续流二极管7分别串联在储能电容器3和压敏电阻6的支路上，电容放电开关4与充电二极管5并联；变压器两副边支路分别串联有方向相反的整流二极管(12和13)和一个负载侧开关14。。

所述三绕组脉冲变压器的原副边绕组紧密耦合，耦合系数在0.85以上，原边绕组采用高温超导带材绕制，副边绕组可以采用铜带或超导带材绕制；所述脉冲变压器整体置于可以使超导线圈处于超导态的低温容器中。

所述储能电容器采用自愈式高压脉冲电容器。

所述可控开关中，电感充电开关和电容放电开关采用全控开关，可以为IGBT、IGCT、MOSFET等全控型半导体开关；负载开关采用半控开关，可以为GTO等半控型半导体开关。

所述压敏电阻采用ZnO电阻，应根据通流水平和超导绕组承受的最高电压进行选择。

本发明的有益结果在于：1.电源采用超导电感电容混合储能，并且两储能模块共用一个充电电源，其中，电容的能量由超导电感提供，大大节省了装置的体积和重量，降低了装置的损耗；2.电容集储能和整形双重作用，开始放电时，原边超导绕组在电容预充电电压下放电，加速了原边绕组能量向负载传递的效率和速率，限制了放电开关上的电压；3.脉冲变压器副边采用耦合双次边绕组结构，并且通过在负载端串联整流二极管和负载开关，使得原边绕组电流的任意变化都能在负载上产生相同方向的电流；4.由于压敏电阻的加入，使得原边超导绕组中的剩余电流迅速衰减，进一步提高了装置的效率并且节省了放电的时间。

附图说明：

图1是电容对降压升流型脉冲变压器放电模式原理图。

图2是单级电感储能MEATGRINDER电路原理图。

图3是本发明提出的脉冲功率电源的电路原理图。

图中1.初始充电电源，2.电感充电开关S1，3.储能电容器C，4.电容放电开关S2，5.充电二极管D1，6.压敏电阻R，7.续流二极管D2，8.三绕组脉冲变压器TX，9.原边绕组Lp，10.副边绕组Ls1，11.副边绕组Ls2，12.整流二极管D3，13.整流二极管D4，14.负载侧开关S3，15.负载Load。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明作进一步描述。

图3中1.初始充电电源，2.电感充电开关S1，3.储能电容器C，4.电容放电开关S2，5.充电二极管D1，6.压敏电阻R，7.续流二极管D2，8.三绕组脉冲变压器TX，9.原边绕组Lp，10.副边绕组Ls1，11.副边绕组Ls2，12.整流二极管D3，13.整流二极管D4，14.负载开关S3，15.负载Load。

图3中开关S1、S2为全控开关，可以采用IGBT、IGCT、MOSFET等全控半导体开关；S3为半控开关，可以采用GTO等半控半导体开关；压敏电阻R选择ZnO电阻，应根据通流水平和超导绕组承受的最高电压进行选择。

图3中三绕组脉冲变压器的原副边绕组的耦合系数应在0.8以上。

图3中超导电感和电容占电源的总储能可根据具体要求进行调节。

以下结合附图，详细介绍本发明提出的混合储能脉冲功率电源的工作过程，可以分为以下六个阶段。

第一阶段，充电开关S1导通，放电开关S2、负载开关S3关闭，初始充电电源对脉冲变压器原边绕组Lp充电，当电感上的电流达到要求时，关断充电开关S1，进入第二阶段。

第二阶段，关断充电开关S1，三绕组脉冲变压器TX的原边超导绕组Lp经二极管D1对电容C进行充电，电容C上的电压可以通过改变Lp的电流进行调节，由于开关S2和S3没有导通，超导电感Lp中的能量全部存储到电容中。当超导电感Lp中的电流下降到零时，进入第三阶段。

第三阶段，再次导通充电开关S1，初始充电电源再次向原边超导绕组Lp充电，充电电流值可调。当需要向负载放电时，进入第四阶段。

第四阶段，触发导通负载开关S3和电容放电开关S2，关断充电开关S1，原边超导绕组Lp对预充电电容C放电，原边绕组电流的突变会在副边绕组中产生感应电压，副边绕组Ls1中产生的感应电流经整流二极管D3和开关S3对负载放电，由于整流二极管D4的阻断作用，副边绕组Ls2中没有感应电流。当超导绕组Lp中的电流下降到零时，进入第五阶段。

第五阶段，电容C经开关S2向超导原边绕组反向放电，副边绕组Ls1中产生的感应电流向负载放电。当检测到电容C上的电压下降到零时，关断开关S2，进入第六阶段。

第六阶段，超导原边绕组Lp中的剩余电流全部通过压敏电阻R，由于压敏电阻的稳压特性使超导绕组Lp在接近恒压下放电，副边绕组Ls3中产生的感应电流经二极管D4向负载放电，由于整流二极管D3的作用，副边绕组Ls2中没有感应电流。最后，超导原边绕组Lp中的电流在R的作用下迅速衰减到零，放电结束。

采用本发明的基本结构，在实际实施中可有多种等同的变化，但凡是根据发明的技术方案及其发明构思，加以等同替换与改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种超导电感电容混合储能脉冲功率电源，其特征在于，包括初始充电电源(1)、可控开关、储能电容器C(3)、压敏电阻R(6)、三绕组脉冲变压器TX(8)、整流二极管D3(12)、整流二极管D4(13)和负载(15)；其中，初始充电电源(1)由直流电流源和保护电阻构成；可控开关包括电感充电开关S1(2)、电容放电开关S2(4)和负载侧开关S3(14)；三绕组脉冲变压器TX(8)的原边绕组Lp(9)分别与初始充电电源(1)、储能电容器C(3)和压敏电阻R(6)构成三个并联回路；电容放电开关S2(4)串联在储能电容器C(3)上；互为反向的充电二极管D1(5)和续流二极管D2(7)分别串联在储能电容器C(3)和压敏电阻R(6)的支路上，电容放电开关S2(4)与充电二极管D1(5)并联；三绕组脉冲变压器TX(8)的两副边绕组Ls1(10)、Ls2(11)采用自耦方式与负载(15)连接，两副边绕组Ls1(10)、Ls2(11)支路分别串联有方向相反的整流二极管D3(12)、整流二极管D4(13)和一个负载侧开关S3(14)；所述超导电感电容混合储能脉冲功率电源的工作过程，分为以下六个阶段：

第一阶段，电感充电开关S1(2)导通，电容放电开关S2(4)、负载侧开关S3(14)关闭，初始充电电源(1)对三绕组脉冲变压器TX(8)原边绕组Lp(9)充电，当原边绕组Lp(9)上的电流达到要求时，关断电感充电开关S1(2)，进入第二阶段；

第二阶段，关断电感充电开关S1(2)，三绕组脉冲变压器TX(8)的原边绕组Lp(9)经充电二极管D1(5)对储能电容器C(3)进行充电，储能电容器C(3)上的电压通过改变原边绕组Lp(9)的电流进行调节，由于电容放电开关S2(4)和负载侧开关S3(14)没有导通，原边绕组Lp(9)中的能量全部存储到储能电容器C(3)中；当原边绕组Lp(9)中的电流下降到零时，进入第三阶段；

第三阶段，再次导通电感充电开关S1(2)，初始充电电源(1)再次向原边绕组Lp(9)充电，充电电流值可调；当需要向负载(15)放电时，进入第四阶段；

第四阶段，触发导通负载侧开关S3(14)和电容放电开关S2(4)，关断电感充电开关S1(2)，原边绕组Lp(9)对储能电容器C(3)放电，原边绕组Lp(9)电流的突变会在副边绕组Ls1(10)中产生感应电压，副边绕组Ls1(10)中产生的感应电流经整流二极管D3(12)和负载侧开关S3(14)对负载(15)放电，由于整流二极管D4(13)的阻断作用，副边绕组Ls2(11)中没有感应电流；当原边绕组Lp(9)中的电流下降到零时，进入第五阶段；

第五阶段，储能电容器C(3)经电容放电开关S2(4)向原边绕组Lp(9)反向放电，副边绕组Ls1(10)中产生的感应电流向负载(15)放电；当检测到储能电容器C(3)上的电压下降到零时，关断电容放电开关S2(4)，进入第六阶段；

第六阶段，原边绕组Lp(9)中的剩余电流全部通过压敏电阻R(6)，由于压敏电阻R(6)的稳压特性使原边绕组Lp(9)在接近恒压下放电，副边绕组Ls2(11)中产生的感应电流经整流二极管D4(13)向负载(15)放电，由于整流二极管D3(12)的作用，副边绕组Ls1(10)中没有感应电流；最后，原边绕组Lp(9)中的电流在压敏电阻R(6)的作用下迅速衰减到零，放电结束。

2.根据权利要求1所述的脉冲功率电源，其特征在于，三绕组脉冲变压器TX(8)的原、副边绕组紧密耦合，原边绕组Lp(9)采用高温超导带材绕制，副边绕组Ls1(10)、Ls2(11)采用铜带或超导带材绕制；所述三绕组脉冲变压器TX(8)整体置于使超导线圈处于超导态的低温容器中。

3.根据权利要求1所述的脉冲功率电源，其特征在于，所述压敏电阻R(6)采用ZnO压敏电阻。

4.根据权利要求1所述的脉冲功率电源，其特征在于，所述可控开关中，电感充电开关S1(2)和电容放电开关S2(4)采用全控开关，为IGBT、IGCT、MOSFET全控型半导体开关；负载侧开关S3(14)采用半控开关，为GTO半控型半导体开关。