一種基於超導常導混合脈衝變壓器的脈衝功率電源的製作方法

2023-08-03 16:15:51 1

專利名稱：一種基於超導常導混合脈衝變壓器的脈衝功率電源的製作方法
技術領域：
本發明屬於脈衝功率技術領域中的脈衝電流發生裝置，特別涉及一種基於超導常導混合脈衝變壓器的脈衝功率電源。
背景技術：
脈衝功率技術產生於20世紀30年代，是一種研究能量儲存、壓縮、轉換和傳輸的技術，它首先把能量緩慢地儲存起來，再進行形態變換、壓縮和調節，最後在極短的時間內將能量快速釋放給負載，從而得到各種高幅值、大功率、陡前沿的脈衝。脈衝功率技術以高電壓、大電流、高功率、強脈衝為特點，在國防科研和工業民用領域都有著重要的科學意義與應用價值。在軍事上，可以為核聚變、強流粒子束加速器、電磁推進技術以及微波武器等裝置提供大功率脈衝電源；在工業上，可以運用微波功率雷達高速脈衝技術對地下資源的性質和分布狀況進行勘查；在環保上，可以應用脈衝電場產生的靜電場除塵和分解有毒化 合物；在醫療上，可以採用體外衝擊波技術治療尿路結石和膽結石。總之，作為一門新興的科學技術，脈衝功率技術具有十分廣闊的應用前景。在脈衝功率電源中，儲能元件的儲能密度和脈衝成形技術最為關鍵，尤其對於脈衝功率電源的小型化、輕量化和實用化要求，其儲能元件的高儲能密度更加重要。隨著超導技術的不斷發展與成熟，超導儲能電感因其儲能密度比電容器高I 2個數量級，且具有儲能時間長、損耗小、效率高等優勢，已在脈衝功率技術中展現了良好的應用前景。傳統的超導儲能脈衝功率電源大多為互不耦合的儲能電感串聯充電並聯放電模式，該模式下的脈衝輸出需要斷路開關實現，但儲能電感放電瞬間會在斷路開關兩端產生高幅值的電壓脈衝，容易造成斷路開關損壞，從而影響整個裝置的正常工作。另外，如果要獲得更高幅值的電流脈衝，則需要很多儲能電感模塊疊加，模塊越多，系統規模越大，控制系統越複雜，不利於脈衝功率裝置小型化和輕量化的應用要求。

發明內容
鑑於現有技術的缺點，本發明的目的是設計一種新型的基於超導常導混合脈衝變壓器的脈衝功率電源電路，與以往脈衝變壓器原副邊線圈僅靠互感聯繫的非接觸結構相t匕，該模式下的原副邊線圈串聯結構有利於提高電流脈衝幅值、消除儲能電感中的殘餘電流，具有體積小、損耗低、能量轉換效率高、控制系統簡單和斷路開關要求低的特點。本發明的目的是通過如下的手段實現的。—種基於超導常導混合脈衝變壓器的脈衝功率電源，主要包括初始電源裝置、可控開關、電容器、超導常導混合脈衝變壓器、二極體和負載；所述的初始電源裝置由直流電流源和電源保護電阻組成；可控開關包括一個電源充電開關和一個放電開關，充電開關連接在所述初始電源裝置一端；放電開關與電容器串聯後跨接在初始電源裝置兩端；所述超導常導混合脈衝變壓器與初始電源裝置呈並聯連接，原副邊線圈異名端串聯；三個二極體分別串聯在超導常導混合脈衝變壓器的原邊線圈、副邊線圈和負載迴路中。
所述的超導常導脈衝變壓器的原邊線圈採用高溫超導帶材繞制，耦合係數控制在
O.85-0. 9範圍內，具有儲能密度大、損耗小、儲存能量時間長的優點；但由於高溫超導帶材的臨界電流只有幾百安，不具備輸出上千安大電流脈衝的能力，因此副邊線圈採用導電好、載流能力強的銅帶作為材料；原副邊線圈的異名端串聯，整個超導常導混合脈衝變壓器放置在低溫容器中，利用液氮冷卻(77K)，既能保證高溫超導帶材處於超導態，又能降低銅的電阻率，從而減小損耗，提高整個系統的能量轉換效率。所述的可控開關均為大功率IGBT開關。所述的電容器與原副邊線圈組成的串聯支路並聯。所述的負載由電阻和電感組成。

本發明的有益結果在於1.超導儲能電感的儲能密度高，能夠有效降低脈衝功率電源裝置的體積。2.整個脈衝功率電源裝置集儲能、放電一體化，採用超導常導混合脈衝變壓器原副邊線圈串聯結構既能提高電流脈衝幅值，又能完成脈衝成形。3.由於電容器的作用，電源開關斷路瞬間不會出現高幅值的電壓脈衝，降低了系統對斷路開關的要求。4.通過對中間延時時間的控制，可以得到不同寬度的雙電流脈衝，有利於增強輸出脈衝的調控性，以滿足負載的不同需要。本發明具有體積小、損耗低、能量轉換效率高、控制系統簡單、電流脈衝幅值大和斷路開關要求低的特點，可以應用於軌道炮能源補給或強電流脈衝電源的技術領域。


圖I為本發明實施例應用於儲能、放電一體化的電路原理中，I為直流電流源IDC和電源保護電阻Rg，2為電源開關S1, 3為放電開關S2,4為超導常導混合脈衝變壓器，5為超導常導混合脈衝變壓器的原邊超導線圈，6為超導常導混合脈衝變壓器的副邊常導線圈，7為電容器C，8為電容器保護電阻Rf，9為阻感負載Rd、Ld, 10為原邊線圈迴路的二極體D1,11為副邊線圈迴路的二極體D2,圖2為應用本發明時，超導常導混合脈衝變壓器原邊超導線圈的電流波形，橫坐標為時間(ms)，縱坐標為電流(A)；圖3為應用本發明時，負載的電流波形，橫坐標為時間(ms)，縱坐標為電流㈧；圖4為應用本發明時，電容器的電壓波形，橫坐標為時間(ms)，縱坐標為電壓(V)；
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。如附圖I所示，首先閉合電源開關S1，初始電源裝置給超導常導混合脈衝變壓器相互耦合的原副邊線圈串聯充電，由於二極體D3的單向導電性，負載不受電源充電階段的影響；當原副邊線圈串聯支路的電流達到預定值後保持恆定；斷開電源開關S1，原邊超導線圈中的一部分能量向電容器轉移，另一部分通過互感感應至副邊常導線圈，再由副邊常導線圈向負載放電(忽略副邊常導線圈自身能量向負載轉移)；當原邊超導線圈中的電流衰減至零時，電容器的電壓達到最大值，延時導通放電開關S2，電容器向原邊超導線圈反向充電的過程中再次向負載放電；當電容器電壓衰減至零時，原邊超導線圈的電流達到反向最大值，接著原邊超導線圈中的能量通過電容器保護電阻Rf、二極體D2、放電開關S2向負載持續放電直至能量釋放完畢。實施例如圖I所示，電路的相關參數如下 理想直流電流源I0=200A ；電源保護電阻Rg=5 Ω ；超導常導混合脈衝電壓器的原邊超導線圈的自感Lp=15. 75mH ；超導常導混合脈衝電壓器的副邊常導線圈的自感LS=10. 7 μ H ;原邊超導線圈和副邊常導線圈的互感Μ = 353 μ H ;耦合係數k = O. 86 ;電容器的電容C=51 μ F ;電容器保護電阻Rf=2 Ω
阻抗負載Rd=ImΩ，Ld=O. I μ H ;如圖2所示，0-20ms內，初始電源給超導常導混合脈衝變壓器相互耦合的原副邊線圈串聯充電，充電電流達到預定值200A後保持恆定；t=20ms時斷開電源開關S1，原邊超導線圈中的電流開始衰減；延時IOms,即t=40ms時閉合放電開關S2,電容器向原邊超導線圈反向充電，原邊超導線圈中的電流達到最大值後，通過電容器保護電阻Rf、二極體D2、放電開關S2向負載持續放電直至能量釋放完畢。如圖3所不，電各器電壓在達到最大值I. 8kV後保持恆定，在t=40ms時電壓開始衰減。如圖4所示，負載在t=30ms時第一次輸出電流脈衝，幅值約為6. 38kA ;在t=40ms時負載通過放電開關S2、電容器保護電阻Rf和二極體D2第二次輸出電流脈衝，此次電流脈衝在第一次基礎上進行疊加，幅值約為5. 72kA。為了增強輸出脈衝的調控性，通過調整中間延時時間，可以得到不同寬度的雙電流脈衝，以滿足負載的不同需要。本發明所述的基於超導常導混合脈衝變壓器的脈衝功率電源，上述針對較佳實施例的描述過於具體，本領域的普通技術人員將會意識到，這裡所述的實施例是為了幫助讀者理解本發明的原理，應被理解為發明的保護範圍並不局限於這樣的特別陳述和實施例。凡是根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，均被認為屬於本發明的權利要求的保護範圍。
權利要求
1.一種基於超導常導混合脈衝變壓器的脈衝功率電源，其特徵在於，主要包括初始電源裝置、可控開關、電容器、超導常導混合脈衝變壓器、二極體和負載；所述的初始電源裝置由直流電流源和電源保護電阻組成；可控開關包括一個電源充電開關和一個放電開關，充電開關連接在所述初始電源裝置一端；放電開關與電容器串聯後跨接在初始電源裝置兩端；所述超導常導混合脈衝變壓器與初始電源裝置呈並聯連接，原副邊線圈異名端串聯；三個二極體分別串聯在超導常導混合脈衝變壓器的原邊線圈、副邊線圈和負載迴路中。
2.根據權利要求I所述之脈衝功率電源，其特徵在於，所述超導常導脈衝變壓器的原邊線圈採用高溫超導帶材繞制，副邊線圈採用銅帶繞制，原副邊線圈異名端串聯，耦合係數在O. 85-0. 9範圍內。
3.根據權利要求2所述之脈衝功率電源，其特徵在於，所述常導常導混合脈衝變壓器放置在低溫容器內，利用液氮冷卻。
4.根據權利要求I所述之脈衝功率電源，其特徵在於，所述可控開關均為大功率IGBT開關。
5.根據權利要求I所述之脈衝功率電源，其特徵在於，所述電容器與原副邊線圈組成的串聯支路並聯。
6.根據權利要求I所述之脈衝功率電源，其特徵在於，所述負載由電阻和電感組成。
全文摘要
本發明公開了一種基於超導常導混合脈衝變壓器的脈衝功率電源，超導常導混合脈衝變壓器的原副邊線圈採用異名端串聯結構；當電源充電開關閉合時，初始電源給串聯的原副邊線圈充電；當電源充電開關斷開後，原邊超導線圈中的一部分能量向電容器轉移，另一部分通過互感感應至副邊常導線圈，再由副邊常導線圈對負載放電。轉移完畢後，電容器的電壓達到最大值，當閉合放電開關，電容器對原邊超導線圈反向充電的過程中再次對負載放電，完成第二次脈衝輸出。本發明集儲能、放電一體化，能夠在短時間內輸出大電流脈衝，具有體積小、重量輕、能量轉換效率高的優點，有廣泛的應用前景和巨大的經濟效益。
文檔編號H02M9/04GK102723891SQ201210228710
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月4日 優先權日2012年7月4日
發明者嚴仲明, 吳銳, 桂志興, 段晚晴, 王豫 申請人:西南交通大學