CN116247960A - 一种无环流电抗器的有环流四象限大功率电源电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无环流电抗器的有环流四象限大功率电源电路，涉及核聚变实验装置，包括发电机、负载组件和若干组成电路，上述组成电路包括：变压器，上述变压器的原边绕组与发电机连接；若干并联的变流器组，上述变流器组与变压器的副边绕组连接；上述负载组件与组成电路连接；上述组成电路包括变压器和变流器组，上述变压器的原边绕组与发电机连接，发电机为组成电路供电，变压器用于进行电压匹配并提供多脉波的移相；上述变压器的副边绕组与变流器组连接，变压器的副边绕组为与之连接的变流器组供电；利用上述变压器的原边绕组和副边绕组的阻抗，降低有环流切换期间的环流幅值，在不设置环流电抗器的情况下，实现有环流四象限运行。
Description
技术领域
本发明涉及核聚变实验装置，具体涉及一种无环流电抗器的有环流四象限大功率电源电路。
背景技术
托克马克装置被认为可能实现受控核聚变的有效途径之一，国内外都开展了基于托克马克装置的受控核聚变相关研究，中国环流器2号M装置(HL-2M)的中心螺线管(CS)线圈为击穿并维持等离子体电流提供大部分的伏秒数，其最大电流将达到±220kA，为充分利用线圈的电流能力、满足放电需求，需研制一套额定电流达到±240kA的四象限大功率脉冲电源。
美国的DIII-D装置的OH电源提供正、负两个方向的600V/220kA供电，具体实现方式为先闭合S1和S2，在OH电源电流过零后，分开S1和S2，电流流向60mΩ电阻，最后再快速闭合S3和S4，电源即可实现OH电源的反向通电，开关在切换时的典型时间为20～30ms，在开关切换时无法控制装置内等离子体。
国际热核试验聚变堆(ITER)装置的CS电源采用有环流四象限运行方式，增加了4台环流电抗器用于在有环流切换期间限制环流幅值，实现该环流电抗器一般采用铁芯电抗器，铁芯截面必须保证足够的磁通密度用于避免在大电流期间铁芯饱和；该环流电抗器的绕组一般由铜导体制作，必须保证足够的电流密度用于避免温升过高，导致制成的电抗器重量可达数吨，且造价高。
发明内容
本发明目的在于提供一种无环流电抗器的有环流四象限大功率电源电路，所要解决的技术问题是在不设置环流电抗器的情况下，降低有环流切换期间的环流幅值，实现有环流四象限运行。
本发明通过下述技术方案实现：
一种无环流电抗器的有环流四象限大功率电源电路，包括发电机、负载组件和若干组成电路，
上述组成电路包括：
变压器，上述变压器的原边绕组与发电机连接；
若干并联的变流器组，上述变流器组与变压器的副边绕组连接；
上述负载组件与组成电路连接。
上述组成电路包括多个，上述发电机与组成电路连接，组成电路与负载组件连接，形成环流通路；
上述组成电路包括变压器和变流器组，上述变压器的原边绕组与发电机连接，发电机为组成电路供电，变压器用于进行电压匹配并提供多脉波的移相；
上述变压器的副边绕组与变流器组连接，变压器的副边绕组为与之连接的变流器组供电；
利用上述变压器的原边绕组和副边绕组的阻抗以及上述发电机定子绕组的等效阻抗，降低有环流切换期间的环流幅值，在不设置环流电抗器的情况下，实现有环流四象限运行。
进一步的，上述变流器组包括正组变流器和反组变流器，上述正组变流器与反组变流器反向并联。
上述正组变流器与反组变流器反向并联，向负载组件供电，部分电流在正组变流器和反组变流器流动，而不经过负载组件，形成环流。
进一步的，上述变压器包括一个上述原边绕组和若干上述副边绕组，每个副边绕组连接一个变流器组。
上述变压器的每个副边绕组为一个变流器组供电，一个变压器包括多个副边绕组，便于大功率功能的实现。
进一步的，上述变压器通过真空断路器与发电机连接。
进一步的，该电源电路至少设置有2的倍数个上述组成电路，使得负载平衡且实现有环流切换。
多个组成电路均投入使用，便于输出较大电流。
进一步的，每个上述组成电路至少设置有一个变流器组。
进一步的，每个上述组成电路设置有2的倍数个变流器组。
上述变压器的副边绕组与变流器组一对一连接，上述变压器包括2的倍数个副边绕组，上述变压器的副边绕组之间无电气连接，降低了有环流切换期间的环流幅值；
上述发电机产生的电流通过变压器的两个副边绕组之间的30°相位差，产生两组6脉波直流，产生的两组脉波直流存在30°的相位差；将两组6脉波直流合在一起，得到周期为360°的一个12脉波，实现12脉波输出。
进一步的，上述负载组件包括隔离开关和负载线圈，上述负载线圈通过隔离开关与变流器组连接。
进一步的，该电源电路包括第一组成电路和第二组成电路，上述发电机包括第一Y绕组和第二Y绕组，
上述第一组成电路与第一Y绕组连接，上述第二组成电路与第二Y绕组连接。
上述第一组成电路与第二组成电路分别由发电机的第一Y绕组和第二Y绕组供电，环流通路中不仅包含了变压器的原边绕组和副边绕组，还包含了发电机的第一Y绕组和第二Y绕组，且上述第一Y绕组和第二Y绕组无电气连接，利用上述变压器的原边绕组和副边绕组以及发电机的第一Y绕组和第二Y绕组的阻抗，降低了有环流切换期间的环流幅值。
进一步的，上述隔离开关的一端与第一组成电路的变流器组连接，上述隔离开关的另一端与第二组成电路的变流器组连接。
上述隔离开关用于控制负载线圈接入组合电路。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
上述组成电路包括多个，上述发电机与组成电路连接，组成电路与负载组件连接，形成环流通路；
上述组成电路包括变压器和变流器组，上述变压器的原边绕组与发电机连接，发电机为组成电路供电，变压器用于对电压进行匹配并提供多脉波的移相；
上述变压器的副边绕组与变流器组连接，变压器的副边绕组为与之连接的变流器组供电；
环流通路中包含了变压器的原边绕组和副边绕组，利用上述变压器的原边绕组和副边绕组的阻抗以及发电机定子绕组的等效阻抗，降低有环流切换期间的环流幅值，在不设置环流电抗器的情况下，实现有环流四象限运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为实施例1提供的有环流四象限大功率电源电路图；
图2为组成电路图；
图3为负载组件电路图；
图4为实施例2提供的有环流四象限大功率电源电路图；
图5为实施例2提供第一种环流流向示意图；
图6为实施例2提供第二种环流流向示意图；
图7为实施例2提供第三种环流流向示意图；
图8为实施例2提供第四种环流流向示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
10-发电机，11-第一Y绕组，12-第二Y绕组，20-组成电路，201-变压器，202-变流器组，203-真空断路器，21-第一组成电路，22-第二组成电路，23-第三组成电路，24-第四组成电路，30-负载组件，31-隔离开关，32-负载线圈。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
HL-2M装置的CS电源除了提供击穿和维持等离子体电流的伏秒数，还提供建立等离子体位形的平衡分量，如果采用DIII-D的开关切换方案，20-30ms的切换时间会导致此段时间无法控制装置内等离子体，这是不可接受的；如果采用ITER方案设置环流电抗器，将大大增加电抗器的设备投资和占地面积，因此本发明创新的提出一种用于核聚变实验装置的无限流电抗器的有环流四象限大功率电源拓扑，在不设置大电流限流电抗器的情况下，实现大功率四象限电源的有环流换向。
实施例1
本实施例1提供一种无环流电抗器的有环流四象限大功率电源电路，如图1～图3所示，包括发电机10、负载组件30和若干组成电路20，
上述组成电路20包括：
变压器201，上述变压器201的原边绕组与发电机10连接；
若干并联的变流器组202，上述变流器组202与变压器201的副边绕组连接；
上述负载组件30与组成电路20连接。
上述组成电路20包括多个，上述发电机10与组成电路20连接，组成电路20与负载组件30连接，形成环流通路；
上述组成电路20包括变压器201和变流器组202，上述变压器201的原边绕组与发电机10连接，发电机10为组成电路20供电，变压器201用于进行电压匹配并提供多脉波的移相；
上述变压器201的副边绕组与变流器组202连接，变压器201的副边绕组为与之连接的变流器组202供电；
利用上述变压器201的原边绕组和副边绕组的阻抗，降低有环流切换期间的环流幅值，在不设置环流电抗器的情况下，实现有环流四象限运行。
具体的实施例，上述变流器组202包括正组变流器和反组变流器，上述正组变流器与反组变流器反向并联。
上述正组变流器与反组变流器反向并联，向负载组件30供电，部分电流在正组变流器和反组变流器流动，而不经过负载组件30，形成环流。
具体的实施例，上述变压器201包括一个上述原边绕组和若干上述副边绕组，每个副边绕组连接一个变流器组202。
上述变压器201的每个副边绕组为一个变流器组202供电，一个变压器201包括多个副边绕组，便于大功率功能的实现。
具体的实施例，上述变压器201通过真空断路器203与发电机10连接。
具体的实施例，该电源电路至少设置有2的倍数个上述组成电路20，每个上述组成电路20至少设置有一个变流器组202，使得负载平衡且实现有环流切换。
多个组成电路均投入使用，便于输出较大电流；在环流切换期间，只有两个分别与第一Y型绕组和第二Y型绕组连接的任意组成电路投入使用，其余组成电路暂不使用。
具体的实施例，每个上述组成电路20设置有2的倍数个变流器组202。
上述变压器201的副边绕组与变流器组202一对一连接，上述变压器201包括2的倍数个副边绕组，上述变压器201的副边绕组之间无电气连接，降低了有环流切换期间的环流幅值；
上述发电机10产生的电流通过变压器201的两个副边绕组之间的30°相位差，产生两组6脉波直流，产生的两组脉波直流存在30°的相位差；将两组6脉波直流合在一起，得到周期为360°的一个12脉波，实现12脉波输出。
具体的实施例，上述负载组件30包括隔离开关31和负载线圈32，上述负载线圈32通过隔离开关31与变流器组202连接。
具体的实施例，该电源电路包括第一组成电路21和第二组成电路22，上述发电机10包括第一Y绕组11和第二Y绕组12，
上述第一组成电路21与第一Y绕组11连接，上述第二组成电路22与第二Y绕组12连接。
上述第一组成电路21与第二组成电路22分别由发电机10的第一Y绕组11和第二Y绕组12供电，环流通路中不仅包含了变压器201的原边绕组和副边绕组，还包含了发电机10的第一Y绕组11和第二Y绕组12，且上述第一Y绕组11和第二Y绕组12无电气连接，利用上述变压器201的原边绕组和副边绕组以及发电机10的第一Y绕组11和第二Y绕组12的阻抗，降低了有环流切换期间的环流幅值。
具体的实施例，上述隔离开关31的一端与第一组成电路21的变流器组连接，上述隔离开关31的另一端与第二组成电路22的变流器组连接。
上述隔离开关31用于控制负载线圈32接入组合电路。
实施例2
本实施例2提供另一种无环流电抗器的有环流四象限大功率电源电路，如图4所示，包括1个双星形移相30°发电机10、4个组成电路20、1个隔离开关31和1个负载线圈32；
上述双星形移相30°发电机10包括第一Y绕组11和第二Y绕组12；
4个上述组成电路20分别为第一组成电路21、第二组成电路22、第三组成电路23和第四组成电路24，每个组成电路20均包括1个变压器201和2个变流器组202，每个上述变压器201均包括两个副边绕组，每个副边绕组连接一个变流器组202；
上述第一组成电路21和第三组成电路23中变压器201的原边绕组通过真空断路器203均与第一Y绕组11连接，上述第二组成电路22和第四组成电路24中变压器201的原边绕组通过真空断路器203均与第二Y绕组12连接；
上述组成电路20之间相互并联，并联后的组成电路20与隔离开关31连接，上述负载线圈32通过隔离开关31与组成电路20连接。
具体的实施例，2个上述变流器组202分别为第一变流器组202和第二变流器组202，上述变压器201的两个副边绕组分别连接第一变流器组202和第二变流器组202。
具体的实施例，每个上述变流器组202中的第一变流器组202包括1个正组变流器P1和1个反组变流器N1，上述正组变流器P1和反组变流器N1反向并联；每个上述变流器组202中的第二变流器包括1个正组变流器P2和1个反组变流器N2，上述正组变流器P2和反组变流器N2反向并联；
上述第一变流器组202与第二变流器组202并联：上述正组变流器P1与正组变流器P2并联，上述正组变流器P1与反组变流器N2并联，上述反组变流器N1与正组变流器P2并联，上述反组变流器N1与反组变流器N2并联。
在有环流切换期间，环流的流向如图5～图8所示，环流通路包含变压器201T1的原边绕组和副边绕组、变压器201T4的原边绕组和副边绕组、双星形移相30°发电机10的第一Y绕组11、双星形移相30°发电机10的第二Y绕组12，且上述双星形移相30°发电机10的第一Y绕组11和第二Y绕组12无电气连接，上述变压器201T1的两个副边绕组无电气连接，上述变压器201T4的两个副边绕组无电气连接，利用上述环流通路中的各绕组的阻抗，大幅降低有环流切换器件的环流幅值，采用这种拓扑结构无需设置环流电抗器，也能实现有环流四象限运行，利用本发明研制的CS电源，额定电流可达到±240kA。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无环流电抗器的有环流四象限大功率电源电路，其特征在于，包括发电机(10)、负载组件(30)和若干组成电路(20)，
所述组成电路(20)包括：
变压器(201)，所述变压器(201)的原边绕组与发电机(10)连接；
若干并联的变流器组(202)，所述变流器组(202)与变压器(201)的副边绕组连接；
所述负载组件(30)与组成电路(20)连接。
2.根据权利要求1所述的一种无环流电抗器的有环流四象限大功率电源电路，其特征在于，所述变流器组(202)包括正组变流器和反组变流器，所述正组变流器与反组变流器反向并联。
3.根据权利要求1所述的一种无环流电抗器的有环流四象限大功率电源电路，其特征在于，所述变压器(201)包括一个所述原边绕组和若干所述副边绕组，每个副边绕组连接一个变流器组(202)。
4.根据权利要求1所述的一种无环流电抗器的有环流四象限大功率电源电路，其特征在于，所述变压器(201)通过真空断路器(203)与发电机(10)连接。
5.根据权利要求1所述的一种无环流电抗器的有环流四象限大功率电源电路，其特征在于，该电源电路至少设置有2的倍数个所述组成电路(20)。
6.根据权利要求5所述的一种无环流电抗器的有环流四象限大功率电源电路，其特征在于，每个所述组成电路(20)至少设置有一个变流器组(202)。
7.根据权利要求5所述的一种无环流电抗器的有环流四象限大功率电源电路，其特征在于，每个所述组成电路(20)设置有2的倍数个变流器组(202)。
8.根据权利要求1所述的一种无环流电抗器的有环流四象限大功率电源电路，其特征在于，所述负载组件(30)包括隔离开关(31)和负载线圈(32)，所述负载线圈(32)通过隔离开关(31)与变流器组(202)连接。
9.根据权利要求8所述的一种无环流电抗器的有环流四象限大功率电源电路，其特征在于，该电源电路包括第一组成电路(21)和第二组成电路(22)，所述发电机(10)包括第一Y绕组(11)和第二Y绕组(12)，
所述第一组成电路(21)与第一Y绕组(11)连接，所述第二组成电路(22)与第二Y绕组(12)连接。
10.根据权利要求9所述的一种无环流电抗器的有环流四象限大功率电源电路，其特征在于，所述隔离开关(31)的一端与第一组成电路(21)的变流器组(202)连接，所述隔离开关(31)的另一端与第二组成电路(22)的变流器组(202)连接。
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