CN110880883B - 一种具有能量回收的电感储能脉冲电源 - Google Patents

一种具有能量回收的电感储能脉冲电源 Download PDF

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Abstract

一种具有能量回收的电感储能脉冲电源，属于脉冲功率技术领域。包括一次侧和二次侧，一次侧和二次侧之间通过高温超导脉冲变压器耦合，其特征在于：所述的负载包括负载电阻和负载电感，负载、开关与副边绕组电感的两端形成放电回路；在二次侧的放电回路中还连接有能量回收电路，能量回收电路的储能电容、可控开关与负载形成续流回路。在本用于脉冲电源剩余能量回收的电路中，通过设置能量回收电路，并通过能量回收电路中的储能电感、可控开关与负载形成续流回路，通过续流回路回收剩余能量，为下一个充放电周期的电流提供了续流，同时增加放电电流陡度，缩短了放电时间。

Description

一种具有能量回收的电感储能脉冲电源
技术领域
一种具有能量回收的电感储能脉冲电源，属于脉冲功率技术领域。
背景技术
脉冲功率技术作为一门新兴学科，主要研究如何将能量经济可靠的储存起来，并有效的将储存的能量转移至负载上，因此它有着高电压、大电流、高功率、强脉冲的特点。脉冲功率技术经过半个多世纪的发展，已经在现代科学和技术中的十几个领域用着很大的应用空间，尤其在电磁发射领域，脉冲功率技术已经成为电磁武器的基础。脉冲功率技术作为当代高新技术领域的重要组成部分，其应用空间逐渐从国防科技和高新技术领域向民用工业领域拓展，并逐渐在民用以及工业领域发挥越来越大的作用。
在脉冲功率技术中，一般采用电容或电感作为储能元件，其中电容作为储能元件已经相对成熟，但是电容存在储能密度较低的缺陷。相比于电容储能，电感储能具有较高的储能密度和较快的放电速度，对于实现脉冲电源的轻量化、小型化和模块化具有重要的意义。但是电感储能脉冲电源在放电结束后，电感线圈中留有较多的剩余能量，在总能量中占据很大一部分比例，影响能量的利用效率。
当使用电感作为储能元件的脉冲功率电源应用在电磁发射领域时，当电磁轨道炮发射后，如果剩余能量过多，会在发射轨道上产生电弧，影响电磁发射的速度以及放射轨道的距离。现阶段对于剩余能量回收电路的研究较少。
在申请号为201710639713.6，专利名称为“脉冲电源电路、脉冲电源、电磁发射装置和脉冲电源电路的控制方法”的中国专利中提出了一种电磁发射用电感储能型脉冲电源电路结构，在该技术方案中通过能量转换电容复用，收集剩余能量并用于下一周期使用，提高了能量的利用率。但是该技术方案电路换流过程较为繁琐、且控制复杂度较高；设计中的负载为假设的纯电阻负载，只能实现对电路电感及其漏感的剩余能量回收，不能回收感性负载中的剩余能量。
在申请号为201810064971.0，专利名称为“一种多模块模式的超导储能重复频率脉冲电源”的中国专利所公开的技术方案中，可以对剩余能量进行回收并应用于下一个充放电周期内，并且可以通过单向可控支路和单向导通支路，在下一个充放电周期的充电命令来临之前形成续流。但是该技术方案同样存在电路的阻断过程比较缓慢，放电电流陡度较缓的技术问题，从而影响放电时间。
因此设计一种增加放电电流陡度、减少阻断时间的脉冲功率电源，对缩短轨道距离、提高电磁炮的发射速度具有重要意义。
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，提供一种通过设置能量回收电路，并通过能量回收电路中的储能电感、可控开关与负载形成续流回路，通过续流回路回收剩余能量，为下一个充放电周期提供续流，同时增加放电电流陡度，缩短放电时间的用于脉冲电源剩余能量回收的电路。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本具有能量回收的电感储能脉冲电源，包括一次侧和二次侧，一次侧和二次侧之间通过高温超导脉冲变压器耦合，在一次侧设置有用于对高温超导脉冲变压器的原边绕组电感充电的直流电压源，在二次侧中设置有负载，其特征在于：所述的负载包括负载电阻和负载电感，负载与开关串联后连接在高温超导脉冲变压器的副边绕组电感的两端形成放电回路；
在二次侧的放电回路中还连接有能量回收电路，在能量回收电路中，储能电容、可控开关以及储能电感串联后连接在副边绕组电感两端，还设置有第一二极管，第一二极管一端连接负载，另一端连接在储能电容与可控开关之间，使负载与储能电感、可控开关形成续流回路。
优选的，在所述二次侧的放电回路中还串联有缓冲电感，缓冲电感一端连接副边绕组的异名端，另一端同时连接负载和能量回收电路。
优选的，在所述二次侧的放电回路中还串联有第二二极管，第二二极管的阴极连接副边绕组的同名端，第二二极管的阳极同时连接所述开关和能量回收电路。
优选的，在所述的一次侧设置有电源开关，直流电压源、原边绕组电感以及电源开关串联组成充电回路，原边绕组电感的同名端和非同名端之间并联有用于漏感能量回收和反馈充电的桥式电路。
优选的，其特征在于：所述的桥式电路包括脉冲电容器、两个二极管：二极管D1~D2以及两个可控开关：可控开关Th1~Th2，二极管D1以及可控开关Th2串联形成并联在高温超导脉冲变压器原边绕组的第一条回路，可控开关Th1以及二极管D2串联形成并联在高温超导脉冲变压器原边绕组的第二条回路，脉冲电容器一端连接在第一条回路的二极管D1以及可控开关Th2之间，另一端连接在第二条回路的可控开关Th1以及二极管D2之间。
优选的，所述的可控开关为晶闸管。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
1、在本用于脉冲电源剩余能量回收的电路中，通过在副边绕组冲设置能量回收电路，不仅可以吸收耦合电感的副边电感及其漏感的剩余能量，并且可以实现对感性负载中的剩余能量的回收，并通过能量回收电路中的储能电感、可控开关与负载形成续流回路，为下一个充放电周期提供续流
2、在放电过程中，储能电容通过二极管回收感性负载中的剩余能量，可快速阻断负载侧高幅值电流，增加放电电流陡度，缩短放电时间，因此当应用到电磁发射领域时，减少了电路中的剩余能量，避免在发射轨道上产生电弧，同时有效的提高了电磁发射的速度，缩短了放射轨道的距离。
附图说明
图1为具有能量回收的电感储能脉冲电源原理图。
图2~图4为具有能量回收的电感储能脉冲电源工作原理示意图。
图5为具有能量回收的电感储能脉冲电源负载电流曲线图。
具体实施方式
图1~5是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~5对本发明做进一步说明。
一种具有能量回收的电感储能脉冲电源，包括一次侧和二次侧，在一次侧电路中，包括直流电压源、电源开关、脉冲电容器、可控开关以及二极管，其中可控开关、二极管均设置有两个，并与脉冲电容器组成桥式电路。在二次侧中，包括二极管、可控开关、电源开关、缓冲电感、能量回收电路和负载。一次侧和二次侧通过高温超导脉冲变压器耦合，可控开关可通过晶闸管或者IGBT实现。
如图1所示，直流电压源Us的正极串联电源开关S1之后同时连接可控开关Th1、二极管D1的阴极以及高温超导脉冲变压器原边绕组L1的同名端。直流电压源Us的负极同时连接二极管D2、可控开关Th2的阳极以及高温超导脉冲变压器原边绕组L1的异名端。可控开关Th1的阳极连接二极管D2的阴极，二极管D1的阳极连接可控开关Th2的阴极，脉冲电容器C1的正极连接在可控开关Th1与二极管D2之间，负极连接在二极管D1与可控开关Th2之间。
高温超导脉冲变压器副边绕组L2的同名端与二极管D3的阴极连接，二极管D3的阳极分别与储能电感C2的负极和开关S2的一端连接，开关S2的另一端同时连接二极管D4的阳极和负载电阻Rload的一端，负载电阻Rload的另一端串联负载电感Lload后同时连接缓冲电感Lrr、储能电感Lr的一端，缓冲电感Lrr的另一端连接副边绕组L2的异名端，储能电感Lr的另一端连接可控开关Th3的阴极，可控开关Th3的阳极同时连接储能电感C2的正极和二极管D4的阴极。其中，储能电容C2、可控二极管Th3和储能电感Lr组成上述的能量回收电路，负载电阻Rload和负载电感Lload组成上述的负载。
具体工作过程及工作原理如下：
步骤a，闭合电源开关S1，以使直流电压源Us为电感L1充电至预设电流上限值；
闭合电源开关S1之后，直流电压源Us经过电源开关S1与高温超导脉冲变压器的原边绕组电感L1形成回路并对L1进行充电，在达到预充电流后，每组单模块超导储能连续脉冲功率电源充电结束，见图2以及图5所示波形中的区段“A”。
步骤b，原边绕组电感L1中的电流达到预设充电电流上限值后关断电源开关S1，在高温超导脉冲变压器的一次侧中，原边绕组电感L1经过各自模块内的二极管D1~D2对脉冲电容器C1放电，由脉冲电容器C1将原边漏感能量进行回收，同时脉冲电容器起到了限压的作用，使原边超导绕组在放电瞬间不会出现高幅值电压脉冲，降低了系统对电源开关的功率要求。
闭合开关S2，在高温超导脉冲变压器的二次侧，在互感的作用下，在副边绕组电感L2中产生大电流脉冲，大电流脉冲通过缓冲电感Lrr、负载、开关S2以及二极管D3形成放电回路对负载放电，见图3以及图5所示波形中的区段“B”。
步骤c，当负载电阻Rload和负载电感Lload电流脉冲幅值达到最高值并开始下降时（见图5所示波形中的区段“C”），闭合可控开关Th3，储能电容C2给储能电感Lr充电，将储能电容C2中的能量转移到储能电感Lr中，同时储能电感Lr、负载电阻Rload、负载电感Lload、二极管D4和可控二极管Th3形成续流回路，见图4所示以及图5所示波形中的区段“D”。
步骤d，当储能电感Lr中的电流在续流过程中衰减至零后，关断可控开关Th3，见图5所示波形中的区段“E”、区段“F”。
步骤e，关断开关S2，脉冲电源对负载放电结束，耦合电感L2以及负载中的剩余能量通过二极管D3、D4集中转移至储能电容C2中，见图5所示波形中的区段“G”。如果收到继续工作指令，返回步骤a，如果未收到工作指令，执行步骤f；
步骤f，工作结束，见图5所示波形中的区段“H”。
在上述的工作过程及工作原理步骤中，通过控制不同可控开关的导通关断时间来控制电路的工作状态。其中，可控开关的导通关断时间可以通过单片机程序设置实现控制。
同时由上述可知，在本用于脉冲电源剩余能量回收的电路中，在二次侧由于设置有能量回收电路，储能电容C2中的能量能够通过可控二极管Th3转移到储能电感Lr中，储能电感Lr、负载电阻Rload和负载电感Lload可以通过二极管D4和可控二极管Th3形成续流回路，不仅可以吸收耦合电感的副边电感及其漏感的剩余能量，并且可以实现对感性负载中的剩余能量的回收，因此当应用到电磁发射领域时，减少了电路中的剩余能量，避免在发射轨道上产生电弧，提高了电磁发射的速度以及放射轨道的距离。如图5所示，所述能量回收电路回收剩余能量，为下一个充放电周期提供续流，同时增加放电电流陡度，缩短放电时间。
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 (6)

1.一种具有能量回收的电感储能脉冲电源，包括一次侧和二次侧，一次侧和二次侧之间通过高温超导脉冲变压器耦合，在一次侧设置有用于对高温超导脉冲变压器的原边绕组电感充电的直流电压源，在二次侧中设置有负载，其特征在于：所述的负载包括负载电阻和负载电感，负载与开关串联后连接在高温超导脉冲变压器的副边绕组电感的两端形成放电回路；
在二次侧的放电回路中还连接有能量回收电路，在能量回收电路中，储能电容、可控开关以及储能电感串联后连接在副边绕组电感两端，还设置有第一二极管，第一二极管一端连接负载，另一端连接在储能电容与可控开关之间，使负载与储能电感、可控开关形成续流回路。
2.根据权利要求1所述的具有能量回收的电感储能脉冲电源，其特征在于：在所述二次侧的放电回路中还串联有缓冲电感，缓冲电感一端连接副边绕组的异名端，另一端同时连接负载和能量回收电路。
3.根据权利要求1所述的具有能量回收的电感储能脉冲电源，其特征在于：在所述二次侧的放电回路中还串联有第二二极管，第二二极管的阴极连接副边绕组的同名端，第二二极管的阳极同时连接所述开关和能量回收电路。
4.根据权利要求1所述的具有能量回收的电感储能脉冲电源，其特征在于：在所述的一次侧设置有电源开关，直流电压源、原边绕组电感以及电源开关串联组成充电回路，原边绕组电感的同名端和非同名端之间并联有用于漏感能量回收和反馈充电的桥式电路。
5.根据权利要求4所述的具有能量回收的电感储能脉冲电源，其特征在于：所述的桥式电路包括脉冲电容器、两个二极管：二极管D1~D2以及两个可控开关：可控开关Th1~Th2，二极管D1以及可控开关Th2串联形成并联在高温超导脉冲变压器原边绕组的第一条回路，可控开关Th1以及二极管D2串联形成并联在高温超导脉冲变压器原边绕组的第二条回路，脉冲电容器一端连接在第一条回路的二极管D1以及可控开关Th2之间，另一端连接在第二条回路的可控开关Th1以及二极管D2之间。
6.根据权利要求1或5所述的具有能量回收的电感储能脉冲电源，其特征在于：所述的可控开关为晶闸管。
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