CN105958857B - 一种利用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源 - Google Patents

Abstract

一种利用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源，属于脉冲功率技术领域。其特征在于：包括超导脉冲变压器，在超导脉冲变压器的原边设置有初级电源，初级电源的输出端通过可控开关S1同时连接转换支路、续流支路以及超导脉冲变压器原边绕组的两端，在转换支路与初级电源之间还连接有能量回收支路；在超导脉冲变压器的副边，副边绕组的一端连接负载控制支路的一端，副边绕组的另一端同时连接至少一组超导储能电感充电支路以及切换支路的一端，负载控制支路、超导储能电感充电支路以及切换支路的另一端连接于一处。本利用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源，采用多模块的超导储能电感，将更多能量释放给负载，同时解决了开关切换瞬间的过电压问题。

Description

一种利用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源

技术领域

一种利用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源，属于脉冲功率技术领域。

背景技术

脉冲功率技术是把慢存储起来的能量进行快速压缩、转换，最后有效地释放给负载的技术。脉冲功率技术经过半个多世纪的发展，已经从高新技术、国防科研领域逐渐向工业、民用领域延伸。在现有技术中，脉冲功率技术中的储能方式主要分为电感储能和电容储能，电容储能具有结构简单、技术成熟等优点，但是其储能密度低、体积大、漏电流大，不适合长期储存。

高温超导储能电感有储能密度高、损耗小、体积小、效率高等优势，在脉冲功率领域中具有重要的应用前景，但是能量释放过程中用到的断路开关的技术困难较大，同时，受限于高温超导材料临界特性的影响，超导储能磁体直接对负载放电难以达到系统对脉冲电流的要求，并且储能电感和放电时间很难进行调和，因此需要采用超导储能脉冲变压器进行脉冲放大。

在现有技术中，申请号为201510055727.4的中国专利公开了一种超导电感电容混合储能脉冲功率电源，提出了一种超导电感电容混合储能脉冲功率放电电路，该放电电路中电感和电容同时储能，并且共用一个初始电源，通流下的原边超导储能电感在对储能电容器进行放电，加速了原边电感中的电流变化率，接着储能电容向原边电感放电，从而在副边绕组中感应出大电流脉冲，但是该电路需要断路开关，并且由于负载电感的存在，采用的断路开关不仅会在切断大电流瞬间发生电弧现象，还会在电感上产生高峰值的过电压脉冲，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的体积和重量。为了对剩余能量进行回收，张培星，高温超导磁储能脉冲功率电源系统设计，西南交通大学，2015，5，将上述电路的压敏电阻换成了二极管，剩余能量储存在电容中供给下次发射，但剩余能量储存在电容中，漏电流大，不适合长期储存；同时没有解决断路开关的过电压问题。

在现有技术中，吴锐，程志，桂志兴，李海涛，严仲明，王豫，基于高温超导混合脉冲变压器工作模式的电流过零断路研究，低温物理学报，2012，34（5）：342-346，提出了一种基于混合脉冲变压器（HPPT）工作模式的新型开关断路方法，该方法采用电流过零瞬时断路方式换流，即使用一个外部电路，把流过开关的电流抵消至零，然后瞬时断开开关，使得开关断路时不致承受高幅值的过电压，解决直接截流断路方法会产生大电弧影响关断损耗，在断路瞬间产生高峰值的过电压脉冲问题，但是该电路有以下几个`问题：（1）它是利用超导脉冲功率变压器原边绕组的失超而使电感中电流快速衰减，从而在脉冲变压器副边绕组感应出脉冲电流。但是，如果需要获得大脉冲电流输出，则需要非常大的失超电阻，这对超导的材料特性和失超触发技术提出了非常高的要求，并且反复利用超导电感失超会使超导电感的使用寿命减小。（2）外部电路流过开关的电流抵消至零，在原理上是可以达到的，但在实际工程上是很难达到的。（3）储能电感是单模块形式，储存的能量有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种通过多组超导储能电感充电支路引入了多模块的超导储能电感，将更多能量释放给负载，同时通过利用超导脉冲变压器解决了切换电路切换瞬间过电压问题的用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该利用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源，其特征在于：包括超导脉冲变压器，在超导脉冲变压器的原边设置有初级电源，初级电源的输出端通过可控开关S1同时连接转换支路、续流支路以及超导脉冲变压器原边绕组的两端，在初级电源与续流支路和转换支路之间还连接有能量回收支路；

在超导脉冲变压器的副边，副边绕组的一端连接负载控制支路的一端，副边绕组的另一端同时连接至少一组超导储能电感充电支路、切换支路的一端以及接地端，负载控制支路、超导储能电感充电支路以及切换支路的另一端连接于一处。

优选的，所述的初级电源由直流电压源E1和电阻R1串联组成，直流电压源E1的正极串联电阻R1之后连接可控开关S1的一端，可控开关S1的另一端同时连接所述的转换支路、续流支路以及超导脉冲变压器原边绕组的一端，直流电压源E1的负极、转换支路、续流支路以及超导脉冲变压器原边绕组的另一端接地。

优选的，所述的转换支路包括电容器C1以及二极管D1，电容器C1的一端连接所述的可控开关S1，电容器C1的另一端连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极接地，所述的能量回收支路连接在电容器C1和二极管D1之间。

优选的，所述的续流支路包括二极管D2和可控硅TH2，二极管D2的阳极连接所述的可控开关S1，二极管D2的阴极连接可控硅TH2的阳极，可控硅TH2的阴极接地，所述的能量回收支路连接在二极管D2和可控硅TH2之间。

优选的，所述的能量回收支路包括可控硅TH1，可控硅TH1的阴极连接所述的初级电源的输出端，可控硅TH1的阳极同时连接在转换支路和续流支路上。

优选的，所述的负载控制支路包括二极管D3、负载以及可控开关S2，二极管D3的阴极连接在所述的超导脉冲变压器的副边绕组，阳极串联负载后连接可控开关S2的一端，可控开关S2的另一端连接所述的超导储能电感充电支路以及切换支路；负载由电阻R4以及电感L3串联组成。

优选的，所述的切换支路为连接在超导脉冲变压器副边绕组以及所述的负载控制支路、超导储能电感充电支路之间的可控开关S3，在可控开关S3的两端还连接有防止电压突变的电容C2。

优选的，所述的超导储能电感充电支路包括二极管、超导储能电感以及初级电源，二极管的阳极连接所述的超导脉冲变压器的副边绕组，二极管的阴极串联电感之后连接初级电源的输出负极，初级电源的输出正极连接所述的负载控制支路以及切换支路；初级电源由直流电压源与电阻串联组成。

优选的，在所述的超导脉冲变压器中，原边绕组采用B系或Y系高温超导带材绕制而成，副边绕组采用常导材料绕制而成。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、通过本申请的利用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源，通过多组超导储能电感充电支路引入了多模块的超导储能电感，将更多能量释放给负载，同时通过切换电路解决了切换瞬间过电压的问题。

2、本申请的利用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源，采用改进的电感电容混合模式，不需超导脉冲变压器原边超导电感的失超在脉冲变压器副边绕组感应出脉冲电流，同时，剩余能量不是存在电容中而是回馈到电源，起到节能作用。

3、在超导脉冲变压器的副边，采用由储能电感和初级电压源串联组成的超导储能电感充电支路，利用超导脉冲变压器副边感应的电流方向与超导储能电感的电流方向相反，当流过切换支路中可控开关的电流接近于零时，瞬时断开可控开关迫使电流换路，解决了开关断开瞬间的过电压问题，并通过在切换开关两端并联小容量电容，进一步限制了实际工程应用时电流不平衡产生的电压。

4、采用多个模块超导储能电感充电模式，开关断开瞬间，并联放电，将更多的能量释放给负载，同时具有体积小、损耗低、能量转换效率高、断路开关要求低等优点。

5、在本申请的利用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源中，采用储能密度高的超导储能电感进行储能，能够有效降低脉冲功率电源装置的体积。

6、通过在超导脉冲变压器的原边绕组中设置转换支路，通过在转换支路中设置电容器，一方面由于电容电压不能突变，因此限制超导原边线圈两端的电压不会过高；第二方面由于电容器和超导电感组成振荡支路，电容器快速升高和下降的过程都能在副边线圈中快速感应电流；三是负载断开后，超导脉冲变压器副边剩余能量通过互感作用传递到原边，接着转移到转换支路中的电容内，然后触发能量回收晶闸管，回馈到初级电源。

7、超导脉冲变压器的副边绕组采用超导储能电感和电压源与变压器副边绕组串联，采用开关电流断流技术，避免断路开关两端出现大电弧，减小了开关元件在断开过程中的损耗；有效抑制了储能电感或开关两端的过电压脉冲，保证储能电感正常运行；有效提高能量转移效率，为负载输送更多的能量；开关两端并联电容，是进一步限制实际工程应用时电流不平衡产生的电压。

附图说明

图1为利用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源电路原理图。

图2~图6为利用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源工作过程电流示意图。

具体实施方式

图1~6是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~6对本发明做进一步说明：

如图1所示，利用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源，包括超导常导混合的高温超导脉冲变压器（以下简称脉冲变压器）B1以及分别连接在脉冲变压器B1原边绕组和副边绕组的原边回路和副边回路，脉冲变压器B1的原边绕组为采用B系或Y系高温超导带材绕制而成的超导电感L1，副边绕组为采用常导材料（如铜）绕制而成的常导电感L2。在正常工作中，脉冲变压器B1整体置于使超导线圈处于超导态的低温容器中，利用液氮冷却。

在脉冲变压器B1的原边，包括由电阻R1以及直流电压源E1串联组成的初级电源，初级电源与连接在其两端的转换支路、续流支路以及脉冲变压器B1的原边绕组分别形成回路。直流电压源E1的输出负极接地，输出正极串联电阻R1之后连接可控开关S1的一端，可控开关S1的另一端同时连接：用于换流的电容器C1的一端、用于续流的二极管D2的阳极以及超导电感L1的一端；电容器C1的另一端连接二极管D1的阴极，二极管D2的阴极连接可控硅TH2的阳极，二极管D1的阳极、可控硅TH2的阴极以及超导电感L1的另一端接地。在初级电源的输出端与续流支路、转换支路之间还连接有用于形成能量回收支路的可控硅TH1，可控硅TH1的阳极同时连接在二极管D2与可控硅TH2之间以及电容器C1与二极管D1之间，可控硅TH1的阴极连接在初级电源的正极输出端与可控开关S1之间。

电容器C1与二极管D1串联组成上述的转换支路，二极管D2与可控硅TH2串联组成上述的续流支路。在脉冲变压器B1的原边回路中，可控开关S1由大功率的IGBT开关实现，可控开关S1以及可控硅TH1~TH2均通过控制器（图中未画出）实现其工作状态的控制。

在脉冲变压器B1的副边，脉冲变压器B1的一端连接二极管D3的阴极，二极管D3的阳极串联由电阻R4和电感L3串联组成的负载之后连接可控开关S2的一端；脉冲变压器B1的另一端同时连接可控开关S3以及两组超导储能电感充电支路的一端以及接地端，可控开关S2~S3的另一端以及两组超导储能电感充电支路的另一端连接在一处，在可控开关S3的两端还同时并联有电容C2。通过设置二极管D3，可以防止负载中出现反向电流。

两组超导储能电感充电支路中的其中一组由二极管D4、超导储能电感L4以及一组初级电源串联组成，该初级电源由直流电压源E2和电阻R2串联组成。二极管D4的阳极与脉冲变压器B1的副边绕组相连，二极管D4的阴极串联超导储能电感L4后连接直流电压源E2的输出负极，直流电压源的输出正极串联电阻R2之后连接可控开关S2和S3。另外一组超导储能电感充电支路由二极管D5、超导储能电感L5以及由直流电压源E5和电阻R3串联组成，其在支路中的连接方式与上一组超导储能电感充电支路相同，即：二极管D5的阳极与脉冲变压器B1的副边绕组相连，二极管D5的阴极串联超导储能电感L5后连接直流电压源E3的输出负极，直流电压源的输出正极串联电阻R3之后连接可控开关S2和S3。通过在两组超导储能电感充电支路中分别设置二极管D4和二极管D5，可以防止两组超导储能电感充电支路中的直流电压源E2和直流电压源E3中出现不一致的环流。

在实际使用中，也可以根据需要设置其他数量的超导储能电感充电支路，在脉冲变压器的副边回路中，可控开关S2~S3同样由大功率的IGBT开关实现，其工作状态由控制器进行控制。

具体工作过程及工作原理如下：

本利用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源在工作时，包括如下几个阶段：

第一阶段：控制可控开关S1闭合，可控开关S1闭合之后，由直流电压源E1和电阻R1串联组成的初级电源通过可控开关S1与脉冲变压器B1的原边绕组（超导电感L1）之间形成回路，此时初级电源对超导电感L1充电。

闭合可控开关S3，在两组超导储能电感充电支路中，由直流电压源E2和电阻R2串联组成的初级电源对超导储能电感L4充电，由直流电压源E3和电阻R3串联组成的初级电源对超导储能电感L5充电，如图2所示。

第二阶段：当超导电感L1电流达到设定值时，将可控开关S1断开，同时将可控开关S2闭合。由于脉冲变压器B1的耦合系数小于1，因此超导电感L1中的能量一部分通过互感耦合到脉冲变压器B1的常导电感L2，然后传递给负载，另一部分通过二极管D1向电容器C1放电，如图3所示。

第三阶段：当超导电感L1中的电流降低到零时，电容器C1上的电压达到最大值，此时控制可控硅TH2导通，电容器C1向超导电感L1反向放电，超导电感L1中的电流在电容器C1作用下反向增大，能量进一步通过脉冲变压器B1的互感作用传递到脉冲变压器B1的副边绕组（常导电感L2）上，如图4所示。

第四阶段：流经可控开关S3的电流分别为：变压器副边L2感应电流和储能电感L4、L5的电流，由于流经可控开关S3的两个电流方向相反，开关S3上的两反向电流逐渐抵消；如图4所示。

第五阶段：当流过可控开关S3的电流接近于零时，瞬时断开可控开关S3迫使电流换路，此时储能电感L4和L5同时开始向负载放电，从而完成高幅值的脉冲电流输出。由于在工程上开关S3的电流抵消至零是很难达到的，因此在可控开关S3两端并联的电容器C2进一步限制了电压的突变。当电容器C1上的电压为零时，超导电感L1中的电流经D2和可控硅续流TH2进行续流，如图5所示。

第六阶段：先闭合可控开关S3，副边储能电感的电流可以通过闭合的开关S3形成回路，第一方面剩余的能量还在电感中，第二方面初级电源又开始给电感继续充电，起到节能作用。然后断开可控S2，断开负载后，脉冲变压器B1副边剩余的能量通过互感传递给脉冲变压器B1原边，并通过二极管D1给电容器C1充电，如图6所示。然后触发能量回收晶闸管TH1导通，通过电容器C1将能量直接回馈给初级电源。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种利用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源，其特征在于：包括超导脉冲变压器，在超导脉冲变压器的原边设置有初级电源，初级电源的输出端通过可控开关S1同时连接转换支路、续流支路以及超导脉冲变压器原边绕组的两端，在初级电源与续流支路和转换支路之间还连接有能量回收支路；

在超导脉冲变压器的副边，副边绕组的一端连接负载控制支路的一端，副边绕组的另一端同时连接至少一组超导储能电感充电支路、切换支路的一端以及接地端，负载控制支路、超导储能电感充电支路以及切换支路的另一端连接于一处；

所述的切换支路为连接在超导脉冲变压器副边绕组以及所述的负载控制支路、超导储能电感充电支路之间的可控开关S3，在可控开关S3的两端还连接有防止电压突变的电容C2。

2.根据权利要求1所述的利用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源，其特征在于：所述的初级电源由直流电压源E1和电阻R1串联组成，直流电压源E1的正极串联电阻R1之后连接可控开关S1的一端，可控开关S1的另一端同时连接所述的转换支路、续流支路以及超导脉冲变压器原边绕组的一端，直流电压源E1的负极、转换支路、续流支路以及超导脉冲变压器原边绕组的另一端接地。

3.根据权利要求1或2所述的利用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源，其特征在于：所述的转换支路包括电容器C1以及二极管D1，电容器C1的一端连接所述的可控开关S1，电容器C1的另一端连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极接地，所述的能量回收支路连接在电容器C1和二极管D1之间。

4.根据权利要求1或2所述的利用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源，其特征在于：所述的续流支路包括二极管D2和可控硅TH2，二极管D2的阳极连接所述的可控开关S1，二极管D2的阴极连接可控硅TH2的阳极，可控硅TH2的阴极接地，所述的能量回收支路连接在二极管D2和可控硅TH2之间。

5.根据权利要求1所述的利用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源，其特征在于：所述的能量回收支路包括可控硅TH1，可控硅TH1的阴极连接所述的初级电源的输出端，可控硅TH1的阳极同时连接在转换支路和续流支路上。

6.根据权利要求1所述的利用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源，其特征在于：所述的负载控制支路包括二极管D3、负载以及可控开关S2，二极管D3的阴极连接在所述的超导脉冲变压器的副边绕组，阳极串联负载后连接可控开关S2的一端，可控开关S2的另一端连接所述的超导储能电感充电支路以及切换支路；负载由电阻R4以及电感L3串联组成。

7.根据权利要求1所述的利用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源，其特征在于：所述的超导储能电感充电支路包括二极管、超导储能电感以及初级电源，二极管的阳极连接所述的超导脉冲变压器的副边绕组，二极管的阴极串联电感之后连接初级电源的输出负极，初级电源的输出正极连接所述的负载控制支路以及切换支路；初级电源由直流电压源与电阻串联组成。

8.根据权利要求1所述的利用超导脉冲变压器的电感储能脉冲电源，其特征在于：在所述的超导脉冲变压器中，原边绕组采用B系或Y系高温超导带材绕制而成，副边绕组采用常导材料绕制而成。