CN112713798A - 一种脉冲功率电源、gw级功率行波磁场产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲功率电源、GW级功率行波磁场产生装置及方法，其中，GW级功率行波磁场产生装置包括多个级联的脉冲模组；每个脉冲模组均包括N个并联的电气参数相同的脉冲功率电源；各脉冲功率电源分别作为N相连接到所述脉冲模组对应的定子负载上；该脉冲功率电源能输出正负半波电流幅值相等、电流频率一定且高次谐波较小的交流电流，产生输出功率稳定的电磁场，输出功率稳定。各脉冲模组被预设时序的驱动信号触发后，按照预设时序放电，保持前级脉冲模组所产生的单级行波磁场穿过对应的定子负载时，后级脉冲模组接收到驱动信号进行放电，在每个定子负载上形成稳定的向前推进的行波磁场，即GW级功率行波磁场，从而能够承载大载荷的快速运输。

Description

一种脉冲功率电源、GW级功率行波磁场产生装置及方法

技术领域

本发明属于高电压电工电器和脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种脉冲功率电源、GW级功率行波磁场产生装置及方法。

背景技术

大载荷快速运输系统是指数吨至数十吨重的在和加速到每秒上百乃至上千米的速度的运输系统，例如电磁弹射、磁升运器、电磁巨炮。大载荷快速运输系统一般由脉冲功率电源能源系统和直线电机能量转换系统构成。由于其载荷质量大、加速度高、速度快，因此需要产生稳定且相当大的推力。由于推力性能主要受电磁负荷的影响这就要求电源系统能提供更高的电压、更大的电流和可选频率更宽的电流，直线电机能产生稳定且相当大的推力。

脉冲功率电源技术能在较长的时间用相对较小的功率将电能储存起来，根据需要瞬态释放，实现能量在时间尺度上的压缩和功率的倍增。脉冲功率电源技术在国防领域和基础学科领域有着广泛的应用，这些应用主要包括：电磁发射、可控核聚变、大功率激光、强磁场等，世界上很多国家的科研机构都投入大量资源进行脉冲功率电源技术的研究。脉冲功率电源是大载荷快速运输领域的核心能源装置，能提供用于适应驱动磁场要求和时序的能量，具备提供稳态或瞬态电流的能力，具有高功率、大电流连续脉冲输出能力，脉宽毫秒至秒量级。脉冲功率电源最常用的储能形式是电化学储能、电场储能、磁场储能和惯性储能四种方式。其中电容储能技术最为成熟，相应的充放电技术与开关技术也相对成熟，应用最为广泛，尤其是自愈式金属膜电容器技术的成熟，使得电容器储能密度大为提高，不但成为试验研究用大功率放电平台脉冲功率源的主流方案，而且成为未来工程应用的主要电源方案之一。

现有用于大载快速运输的电源方案主要包括大功率电网供电方案和脉冲发电机方案。这两种方案均以PWM整流为基础产生驱动电机的三项交流电。大功率电网供电方案采用拉专线建变电站用电网能量进行供电的方式，但由于负载功率太高，运输系统工作时会影响整个电网的安全运行。脉冲发电机方案是以原动机拖动储能并以多台脉冲发电机并联发电，由于高压半导体开关器件的开关频率存在上限，会导致输出电流波动，输出功率不稳定，导致动子的推力和加速度产生波动影响动子运动状态，并且该方案系统效率较低，无法快速运输大载荷。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种脉冲功率电源、GW级功率行波磁场产生装置及方法，其目的在于解决现有技术存在输出功率不稳定，无法快速运输大载荷的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种脉冲功率电源，包括：储能电容器、半导体开关组件和调波电感；

储能电容器包括主储能电容器和补偿电容器；半导体开关组件包括主晶闸管、副晶闸管、主二极管和副二极管；调波电感包括主调波电感和补偿电感；

其中，主储能电容器的负极端和补偿电容器的正极端共地；主储能电容器的正极端分别与主晶闸管的阳级端、副晶闸管的阳极端以及主二极管的阴极端相连；主晶闸管的阴极端分别与主调波电感的第一功率端、主二极管的阳极端以及副二极管的阴极端相连；副晶闸管的阴极端与补偿电容器的负极端相连；副二极管的阳极端与补偿电感的第一功率端相连；主调波电感的第二功率端与补偿电感的第二功率端相连，并作为输出端连接到负载。

进一步优选地，上述脉冲功率电源的放电过程包括：1)主晶闸管接收驱动信号后开通，主储能电容器开始放电形成交流电流的正向电流；2)当交流电流从0增至正向最大值后又降为0时，副晶闸管接收驱动信号后开通，补偿电容器作为能量补充进行同步放电形成交流电流的负向电流。

第二方面，本发明提供了一种GW级功率行波磁场的产生装置，包括：多个级联的脉冲模组；

脉冲模组包括N个并联的电气参数相同的本发明第一方面所提供的脉冲功率电源；各脉冲功率电源分别作为N相连接到脉冲模组对应的定子负载上；脉冲模组在驱动信号的作用下，产生N相交流电流向脉冲模组对应的定子负载供电，产生单级行波磁场；

各脉冲模组被预设时序的驱动信号触发后，按照预设时序放电，保持前级脉冲模组所产生的单级行波磁场穿过对应的定子负载时，后级脉冲模组接收到驱动信号进行放电，在每个定子负载上形成稳定的向前推进的行波磁场，即GW级功率行波磁场。

进一步优选地，电气参数包括：主储能电容器的电容量、主调波电感的电感值、补偿电容器的电容量和补偿电感的电感值。

进一步优选地，第i级脉冲模组中各脉冲功率电源的主储能电容电容量

主调波电感

其中，1≤i≤M，1≤l≤N，M为脉冲模组的个数，f_i为第i级脉冲模组所对应的定子负载通过电流的频率，I_m为第i级脉冲模组所对应的定子负载通过电流的幅值，R_i为第i级脉冲模组所对应的定子负载的等效电阻值，

为第i级脉冲模组所对应的定子负载的等效电感值，U_0i为第i级脉冲模组主电容预设充电电压，可根据脉冲模组输出的效率调整。

进一步优选地，各脉冲功率电源中补偿电容的预设充电电压设置为电流经过半个周期后变为零时主电容两端的电压；

补偿电容器的电容量以及补偿电感的电感值设置为使对应脉冲功率电源输出的电流负向幅值达到-I_m、且电流频率保持不变时所对应的参数值。

进一步优选地，第i级脉冲模组主电容预设充电电压U_0i设置为电源输出电流正向幅值达到I_m时所对应的电压。

第三方面，本发明提供了一种GW级功率行波磁场的产生装置的控制方法，包括：

通过控制各级脉冲模组中的各脉冲功率电源的各晶闸管的开通时间，来控制对应的电容器的放电时间，进而控制各级脉冲模组向对应的定子负载供电，产生单级行波磁场的时间，以使前级脉冲模组所产生的单级行波磁场穿过对应的定子负载时，后级脉冲模组接收到驱动信号进行放电，从而在每个定子负载上形成稳定的向前推进的行波磁场，即GW级功率行波磁场。

进一步优选地，在第t(i,l)时刻，将驱动信号发送至第i级脉冲模组中的第l个脉冲功率电源的主晶闸管的触发极，使主晶闸管开通，主储能电容器开始进行放电，形成交流电流；在第t′(i,l)时刻，将驱动信号发送至第i级脉冲模组中的第l个脉冲功率电源的副晶闸管的触发极，使副晶闸管开通，补偿电容器开始进行放电，形成交流电流；从而在第i级脉冲模组中产生N相交流电流，以向对应的定子负载供电，产生单级行波磁场；

其中，i＝1,2,…,M，l＝1,2,…,N，M为脉冲模组的个数，N为脉冲模组中脉冲功率电源的个数。

进一步优选地，第l个脉冲功率电源的主晶闸管触发时刻为：

其中，f_i为第i级脉冲模组所对应的定子负载通过电流的频率。

进一步优选地，第l个脉冲功率电源的副晶闸管触发时刻为：

其中，f_i为第i级脉冲模组所对应的定子负载通过电流的频率。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供了一种脉冲功率电源，包括储能电容器、半导体开关组件和调波电感，其中储能电容器包括主电容器和补偿电容器作为储能元件。当半导体开关接收到驱动信号时，主电容器和补偿电容器完成正半波与负半波放电。该脉冲电源能输出正负半波电流幅值相等、电流频率一定且高次谐波较小的交流电流，产生输出功率稳定的电磁场，输出功率稳定。

2、本发明提供了一种GW级功率行波磁场的产生装置，包括多个级联的脉冲模组，每个脉冲模组包括N个并联的电气参数相同的本发明第一方面所提供的脉冲功率电源，当多级脉冲模组按照预设时序进行放电时，能产生MA级别的N相交流电流，进而在每个定子负载上形成稳定的向前推进的行波磁场，形成GW级功率行波磁场，从而能够承载大载荷的快速运输。

3、由于电源实际放电过程中电流时存在衰减的，故在确定本发明所提供的GW级功率行波磁场的产生装置中的电气参数时，对于正向电流的衰减，采用提高电容器的充电电压，但不改变其他电气元件的方法，使电源的输出电流得到提高，但不会对电流的输出频率产生影响，以补偿了正向电流的衰减；对于负向电流的衰减，采用调整电路拓扑的方案。在电流经过半个周期后，此时电容器两端的电压为反向最大值，电路中的电流为0，投入并联在电源电容旁的补偿电容和和并联在调波电感旁的电感来补偿电流的衰减；通过上述方法以补偿电源实际放电过程中电流，使电流尽可能接近标准正弦波。

4、本发明提供了一种GW级功率行波磁场的产生装置的控制方法，通过对各级脉冲模组中的各脉冲功率电源的各晶闸管的开通时间进行控制，以使前级脉冲模组所产生的单级行波磁场穿过对应的定子负载时，后级脉冲模组接收到驱动信号进行放电，从而在每个定子负载上形成稳定的向前推进的行波磁场，即GW级功率行波磁场，能够以较为简单的控制方法产生GW级功率行波磁场，以承载大载荷的快速运输。

5、本发明所提供的GW级功率行波磁场的产生装置的控制方法，由于脉冲模组需输出相位差相同的N相交流电流，故在确定本发明所提供的GW级功率行波磁场的产生装置中驱动信号时，需保证当动子通过第i级脉冲模组所对应的定子负载时，各相电源均有电流输出且电角度为2π/N。此时可保证脉冲模组输出推力稳定、功率稳定的行波磁场。

6、本发明所提供的GW级功率行波磁场的产生装置的控制方法，采用N级脉冲电源依次以“正-负”轮换的方式放电，即当该级脉冲电源输出“负峰值-正峰值”的交流电流时，下一级与前一级脉冲电源输出“正峰值-负峰值”的交流电流。因此N级脉冲电源的放电时刻相差为1/(2Nf_i)。此时能保证脉冲电源输出的能量大部分作用于动子，提高脉冲功率电源的输出效率。

附图说明

图1是本发明实施例1所提供的RLC串联振荡回路的基本电路拓扑图；

图2是本发明实施例1所提供的脉冲功率电源的结构示意图；

图3是本发明实施例2所提供的GW级功率行波磁场的产生装置结构示意图；

图4是本发明实施例2所提供的定子负载的等效电路模型；

图5是本发明实施例4所提供的脉冲模组的一相脉冲功率电源的输出电流波形；

图6是本发明实施例4所提供的电容储能型脉冲功率电源在0-1s时间范围内的输出波形图；

图7是本发明实施例4所提供的采用电容储能型脉冲功率电源的直线电机的输出曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了解决大载荷快速运输的技术难题，本发明提供了一种产生GW级功率行波磁场的方法，通过建立电容储能型脉冲功率电源拓扑，实现了兆安级N相交流电流的稳定输出，并且在多级脉冲模组按照预设时序放电时，能够产生GW级功率行波磁场。

实施例1、

针对大载荷快速运输的需求，本发明分析得出产生行波磁场的基本要求：(1)电源可输出电流频率可选、幅值可调的正弦N相交流电；(2)为保证载荷运输过程中的稳定性，电源输出的电流要求尽可能等幅，直流偏置较小。首先，本发明选择了一种RLC串联型电源，RLC串联振荡回路的基本电路拓扑如图1所示，C为脉冲电容器，T为晶闸管开关，D为二极管，晶闸管开关和二极管反向并联作为电源电路的开关，L为回路总电感，包括电源回路的调波电感和负载等效电感，R为回路总电阻，包括电源回路的电阻和负载等效电阻。初级储能装置通过高压充电单元对脉冲成形单元中的高压脉冲电容器充电。在半导体开关接收到电路驱动信号后，电容器通过半导体开关对调波电感和负载进行放电，形成负载所需的接近等幅正弦振荡波。当电气参数配置为接近无阻尼状态时，脉冲电源可输出幅值、频率可调的正弦振荡波。但是，该类型电源在实际工作过程中存在如下问题：1、电源内杂散电阻不可能完全忽略；2、电源需要向运输载荷提供能量完成加速过程。因此，当电气参数配置接近无阻尼状态时，电源需要储存足够多的能量保证由于杂散电阻和负载消耗的能量不至于影响到输出电流的正负幅值，此时该电源系统的体积十分庞大、并且整体效率非常低，无法实现工程应用。

为了解决上述问题，本发明提出了一种脉冲功率电源，具体为一种电容储能型脉冲功率电源，如图2所示，包括：储能电容器、半导体开关组件和调波电感；

储能电容器包括主储能电容器C₁和补偿电容器C₂；半导体开关组件包括主晶闸管T₁、副晶闸管T₂、主二极管D₁和副二极管D₂；调波电感包括主调波电感L₁和补偿电感L₂；

其中，主储能电容器的负极端和补偿电容器的正极端共地；主储能电容器C₁的正极端分别与主晶闸管T₁的阳级端、副晶闸管T₂的阳极端以及主二极管D₁的阴极端相连；主晶闸管T₁的阴极端分别与主调波电感L₁的第一功率端、主二极管D₁的阳极端以及副二极管D₂的阴极端相连；副晶闸管T₂的阴极端与补偿电容器C₂的负极端相连；副二极管D₂的阳极端与补偿电感L₂的第一功率端相连；主调波电感L₁的第二功率端与补偿电感L₂的第二功率端相连，并作为输出端连接到负载。

上述脉冲功率电源的放电过程包括：1)主晶闸管接收驱动信号后开通，主储能电容器开始放电形成交流电流的正向电流；2)当交流电流从0增至正向最大值后又降为0时，副晶闸管接收驱动信号后开通，补偿电容器作为能量补充进行同步放电形成交流电流的负向电流。

上述脉冲功率电源储能电容器包括主电容器和补偿电容器作为储能元件。当主晶闸管接收到驱动信号时，主电容器开始正半波放电。由于电源向负载输入了能量，因此电流会逐渐衰减，产生其它频率的谐波。当正半波电流减小为0时，副晶闸管收到驱动信号，补偿电容器参与负半波放电，给电源补充能量，与此同时补偿调波电感调制电流波形使电流频率不发生变化。因此该脉冲电源能输出正负半波电流幅值相等、电流频率一定且高次谐波较小的交流电流，产生输出功率稳定的电磁场。

当N个相同电气参数的脉冲功率电源按照预设时序放电时，产生电角度相隔360°/N的N相交流电流向负载定子供电，每段定子上形成稳定的行波磁场。行波磁场沿着定子延伸的方向运动，运动速度与该定子需通过电流的电流频率相关。

实施例2、

一种GW级功率行波磁场的产生装置，如图3所示，包括：多个级联的脉冲模组，分别记为脉冲模组1、脉冲模组2、......、脉冲模组M。

脉冲模组包括N个并联的电气参数相同的本发明实施例1所提供的脉冲功率电源；各脉冲功率电源分别作为N相连接到脉冲模组对应的定子负载上；脉冲模组在驱动信号的作用下，产生N相交流电流向脉冲模组对应的定子负载供电，产生单级行波磁场；

各脉冲模组被预设时序的驱动信号触发后，按照预设时序放电，保持前级脉冲模组所产生的单级行波磁场穿过对应的定子负载时，后级脉冲模组接收到驱动信号进行放电，在每个定子负载上形成稳定的向前推进的行波磁场，即GW级功率行波磁场。

具体的，定子负载的等效电路模型如图4所示，其中，

为等效负载定子侧两端的输入电压，

为电源输入定子侧的电流，R₁、X_1σ(x)分别为定子侧的等效电阻和等效感抗，X_m(x)为漏抗，R′₂、X′_2σ(x)分别为转子侧等效到定子侧的等效电阻和等效感抗，

为输出的电磁功率的等效电阻。

根据负载要求，脉冲电源需提供一个频率随时间变化、在不考虑空气阻力的条件下幅值几乎不变的电流波形。具体参数计算如下：

假定载荷以加速度a匀速直线运动，则有t时刻：

x＝v²/2a

其中，a为载荷的加速度，v为t时刻载荷的运动速度，x为载荷t时刻时的位移，则通过定子负载的电流的电频率可以由载荷的位移等参数表示：

S_i＝(i-1)L_stator

其中L_stator为单个定子的长度，S_i为运载器刚离开第i级脉冲模组所对应的定子负载时的位移，f_i(x)为载荷(动子)在运动过程中位移为x时该定子负载所连接的脉冲功率电源的电流输出电频率，s为额定滑差率，τ为定子极距。基于这一点，由于每个定子的供电电源的电频率是固定的，故定子应同的电频率变化的电流采用了离散化的处理，每段定子的电源输出设置为固定频率，但每个定子连接的电源输出频率各有不同，取：x＝iL_stator＝2iτ，将位移带入电流频率的公式中可以得出每个定子所连接的脉冲功率电源的电流输出电频率为：

故同时可求出等效负载中的各感抗对应的电感，分别为：

L_1σi(x)＝X_1σi(x)/2πf_i(x)

L_mi(x)＝X_mi(x)/2πf_i(x)

L_2σi(x)＝X_2σi(x)/2πf_i(x)

等效负载电路为T型等值电路，为方便计算，现将其等效电路转化为适合电源参数计算的U型等效电路，即一个电阻与电感串联的电路。由以下公式可得：

R_load＝R₁+Re(jX_m(R′₂/s+jX′_2σ(x))/(jX_m+R′₂/s+jX′_2σ(x)))

X_load＝X_1σ(x)+Im(jX_m(R′₂/s+jX′_2σ(x))/(jX_m+R′₂/s+jX′_2σ(x)))

对于二阶R-L-C串联电路欠阻尼回路，第i级脉冲模组所对应的定子负载对应的电源电路的相关电参数计算式如下：

其中，U_0i为第i级脉冲模组主电容预设充电电压，C_i为第i级脉冲模组中各脉冲功率电源的主储能电容电容量，i_Li为第i级脉冲模组所对应的定子负载的单相电流，R_i为第i级脉冲模组所对应的定子负载的等效电阻值，L_i′为第i段脉冲模组的主调波电感和定子负载等效电感的总和。

由于载荷通过第i级脉冲模组所对应的定子负载的时间约为该定子电源模块工作一个周波的时间，在这里，我们假设电流在一个周期内衰减不明显，即

变化较小，又由于在每个定子负载中对应的等效阻抗是一定的，所以电频率也不会发生变化，于是可以根据上述关系式求得：

故可以由此求得电源部分的电参数，暂时忽略掉电源部分的杂散参数，仅计算电容器的电容量、调波电感的电感值、以及直线电机等效负载的阻抗，故可以得出以下参数：

于是可以求得第i个电源模块的调波电感L_i为：

其中，1≤i≤M，1≤l≤N，M为脉冲模组的个数，

为定子负载的等效电感。据此可以计算出每段定子连接的脉冲电容器型电源的相关参数。

进一步地，由于电源实际放电过程中电流时存在衰减的，故采用了以下方法来补偿电流使电流尽可能接近标准正弦波：①对于正向电流的衰减，采用提高电容器的充电电压，但不改变其他电气元件的方法。具体为：将第i级脉冲模组主电容预设充电电压U_0i设置为电源输出电流正向幅值达到I_m时所对应的电压。采用这种方法可以使电源的输出电流得到提高，但不会对电流的输出频率产生影响，故补偿了正向电流的衰减。②对于负向电流的衰减，采用调整电路拓扑的方案。在电流经过半个周期后，此时电容器两端的电压为反向最大值，电路中的电流为0，可以投入并联在电源电容旁的补偿电容和和并联在调波电感旁的电感来补偿电流的衰减，配合补偿电容、电感的参数使得电流频率与幅值满足要求即可。具体为：将补偿电容器的电容量以及补偿调波电感的电感值设置为使对应脉冲功率电源输出的电流负向幅值达到-I_m、且电流频率保持不变时所对应的参数值。

实施例3、

一种GW级功率行波磁场的产生装置的控制方法，包括：

通过控制各级脉冲模组中的各脉冲功率电源的各晶闸管的开通时间，来控制对应的电容器的放电时间，进而控制各级脉冲模组向对应的定子负载供电，产生单级行波磁场的时间，以使前级脉冲模组所产生的单级行波磁场穿过对应的定子负载时，后级脉冲模组接收到驱动信号进行放电，从而在每个定子负载上形成稳定的向前推进的行波磁场，即GW级功率行波磁场。

本实施例中的GW级功率行波磁场的产生装置为实施例2中所述的GW级功率行波磁场的产生装置。

具体的，在第t(i,l)时刻，将驱动信号发送至第i级脉冲模组中的第l个脉冲功率电源的主晶闸管的触发极，使主晶闸管开通，主储能电容器开始进行放电，形成交流电流；在第t′(i,l)时刻，将驱动信号发送至第i级脉冲模组中的第l个脉冲功率电源的副晶闸管的触发极，使副晶闸管开通，补偿电容器开始进行放电，形成交流电流，从而在第i级脉冲模组中产生N相交流电流，以向对应的定子负载供电，产生单级行波磁场；其中，i＝1,2,…,M，l＝1,2,…,N，M为脉冲模组的个数，N为脉冲模组中脉冲功率电源的个数。具体的，第l个脉冲功率电源的主晶闸管触发时刻为：

其中，f_i为第i级脉冲模组所对应的定子负载通过电流的频率。

第l个脉冲功率电源的副晶闸管触发时刻为：

其中，f_i为第i级脉冲模组所对应的定子负载通过电流的频率。

当动子运动到第i+1级脉冲模组所对应的定子负载时，动子运动的总时长为

由于此时需保证定子上各相电源输出电流的电角度相差2π/N。此时第i+1级脉冲模组所对应的定子负载通过电流的频率为f_(i+1)，若使其中偶数级脉冲功率电源的主电容充负电则可使N级脉冲电源的主晶闸管的开通时刻相差1/(2Nf_(i+1))。因此主晶闸管的触发时刻为

副晶闸管的开通时刻为同一脉冲电源主晶闸管开通时刻的半周期后，因此副晶闸管的触发时刻为

实施例4、

下面结合实施例2中所述的GW级功率行波磁场的产生装置并配合实施例3中所述的GW级功率行波磁场的产生装置的控制方法，以一个具体实施方式对本发明中产生GW级功率行波磁场的方法进行说明。

本实施例以大载荷快速运输的实际工况为例进行电容储能型脉冲功率电源参数设计与仿真验证，其中运载负载质量为10吨，目标速度为520m/s，载荷动子可承受的最大加速度为150m/s²，加速完成后负载和直线电机分离。驱动负载的直线电机采用异步电机方案，定子采用分段馈电的形式，分别由各自的脉冲电源模块供电。

以电磁发射系统采用全程150m/s²的额定加速度匀加速运动为例，当速度达到520m/s时，运载器与直线电机分离，进入轨道。驱动系统的参考设计参数如表1所示：

表1

当线圈匝数为1匝时，直线电机等效回路中的各阻抗计算公式如下：

R₁＝0.000021Ω

R′₂＝0.000036Ω

其中，在该电机模型中额定滑差率固定为s＝0.002，由此可得到二次侧折算到定子侧的等效电阻为

此时绕组应通过峰值电流为250kA，电频率受控的三相交流电，此时相电流与相电压分别为185.5kA和2.02kV。

以最后一个定子负载为例，计算电源参数如下：

主电容器：15.65kV，5.228703mF；主调波电感：10.7026μH；补偿电容器：13.94kV，0.95mF；补偿电感：30μH。电源输出电流波形图如图5所示，其中，横坐标表示时间(单位为秒)，纵坐标表示电流(单位为10⁵A)；从图中可以看出，负载电流的正向与负向峰值基本上维持在250kA，并且在补偿后电流频率也没有发生变化。对该输出波形进行快速傅里叶分析，电源输出电流波幅值为245.3kA，THD＝1.83％，其中三次谐波分量相对较大，为1.59％。但该电流波形的谐波分量对电机的性能没有影响。

以加速度150m/s²恒加速运动的方式计算系统电源参数，脉冲模组的个数M为936，动子运动到963m时速度达到520m/s²，用时3.672s，与轨道分离。计算结果如图6和图7所示，其中，图6为本实施例中电容储能型脉冲功率电源在0-1s时间范围内的输出波形，从上至下依次为A、B、C三相电流波形和电流频率随时间的变化曲线；图7为本实施例中采用电容储能型脉冲功率电源的直线电机的输出曲线，从上至下依次为A相输出电流、A相产生电磁力、总推力(含空气阻力)、动子速度、动子加速度、动子位移。负载加速度一直以接近150m/s²，但并没有超过150m/s²。总推力和加速度都存在一定的脉动，但脉动较小不会影响到电机的正常工作。

通过建立新型脉冲功率电源拓扑和电源参数计算与修正策略，本发明产生了GW级功率行波磁，为大载荷的快速运输提供了一种稳定可靠的实行方案。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脉冲功率电源，其特征在于，包括：储能电容器、半导体开关组件和调波电感；

所述储能电容器包括主储能电容器和补偿电容器；所述半导体开关组件包括主晶闸管、副晶闸管、主二极管和副二极管；所述调波电感包括主调波电感和补偿电感；

所述主储能电容器的负极端和所述补偿电容器的正极端共地；所述主储能电容器的正极端分别与所述主晶闸管的阳级端、所述副晶闸管的阳极端以及所述主二极管的阴极端相连；所述主晶闸管的阴极端分别与所述主调波电感的第一功率端、所述主二极管的阳极端以及所述副二极管的阴极端相连；所述副晶闸管的阴极端与所述补偿电容器的负极端相连；所述副二极管的阳极端与所述补偿电感的第一功率端相连；所述主调波电感的第二功率端与所述补偿电感的第二功率端相连，并作为输出端连接到负载。

2.根据权利要求1所述的脉冲功率电源，其特征在于，所述脉冲功率电源的放电过程包括：1)主晶闸管接收驱动信号后开通，主储能电容器开始放电形成交流电流的正向电流；2)当交流电流从0增至正向最大值后又降为0时，副晶闸管接收驱动信号后开通，补偿电容器作为能量补充进行同步放电形成交流电流的负向电流。

3.一种GW级功率行波磁场的产生装置，其特征在于，包括：多个级联的脉冲模组；

所述脉冲模组包括N个并联的电气参数相同的如权利要求1或2所述的脉冲功率电源；各所述脉冲功率电源分别作为N相连接到所述脉冲模组对应的定子负载上；所述脉冲模组在驱动信号的作用下，产生N相交流电流向所述脉冲模组对应的定子负载供电，产生单级行波磁场；

各所述脉冲模组被预设时序的驱动信号触发后，按照预设时序放电，保持前级脉冲模组所产生的单级行波磁场穿过对应的定子负载时，后级脉冲模组接收到驱动信号进行放电，在每个定子负载上形成稳定的向前推进的行波磁场，即GW级功率行波磁场。

4.根据权利要求3所述的GW级功率行波磁场的产生装置，其特征在于，所述电气参数包括：主储能电容器的电容量、主调波电感的电感值、补偿电容器的电容量和补偿电感的电感值。

5.根据权利要求4所述的GW级功率行波磁场的产生装置，其特征在于，第i级脉冲模组中各脉冲功率电源的主储能电容电容量

主调波电感

其中，1≤i≤M，1≤l≤N，M为脉冲模组的个数，f_i为第i级脉冲模组所对应的定子负载通过电流的频率，I_m为第i级脉冲模组所对应的定子负载通过电流的幅值，R_i为第i级脉冲模组所对应的定子负载的等效电阻值，

为第i级脉冲模组所对应的定子负载的等效电感值，U_0i为第i级脉冲模组主电容预设充电电压。

6.根据权利要求5所述的GW级功率行波磁场的产生装置，其特征在于，各脉冲功率电源中补偿电容的预设充电电压设置为电流经过半个周期后变为零时主电容两端的电压；

补偿电容器的电容量以及补偿电感的电感值设置为使对应脉冲功率电源输出的电流负向幅值达到-I_m、且电流频率保持不变时所对应的参数值。

7.根据权利要求5所述的GW级功率行波磁场的产生装置，其特征在于，第i级脉冲模组主电容预设充电电压U_0i设置为电源输出电流正向幅值达到I_m时所对应的电压。

8.一种权利要求3-7任意一项所述的GW级功率行波磁场的产生装置的控制方法，其特征在于，包括：

通过控制各级脉冲模组中的各脉冲功率电源的各晶闸管的开通时间，来控制对应的电容器的放电时间，进而控制各级脉冲模组向对应的定子负载供电，产生单级行波磁场的时间，以使前级脉冲模组所产生的单级行波磁场穿过对应的定子负载时，后级脉冲模组接收到驱动信号进行放电，从而在每个定子负载上形成稳定的向前推进的行波磁场，即GW级功率行波磁场。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，在第t(i,l)时刻，将驱动信号发送至第i级脉冲模组中的第l个脉冲功率电源的主晶闸管的触发极，使主晶闸管开通，主储能电容器开始进行放电，形成交流电流；在第t′(i,l)时刻，将驱动信号发送至第i级脉冲模组中的第l个脉冲功率电源的副晶闸管的触发极，使副晶闸管开通，补偿电容器开始进行放电，形成交流电流；从而在第i级脉冲模组中产生N相交流电流，以向对应的定子负载供电，产生单级行波磁场；

其中，i＝1,2,…,M，l＝1,2,…,N，M为脉冲模组的个数，N为脉冲模组中脉冲功率电源的个数。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，第l个脉冲功率电源的主晶闸管触发时刻为：

第l个脉冲功率电源的副晶闸管触发时刻为：

其中，f_i为第i级脉冲模组所对应的定子负载通过电流的频率。

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