專利名稱：用于超導(dǎo)儲能的低溫電流調(diào)節(jié)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于超導(dǎo)儲能的低溫電流調(diào)節(jié)器。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)具有的零電阻以及強磁場下載流能力大的特性，使超導(dǎo)磁體得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在高能物理實驗中用于產(chǎn)生強磁場的大型磁體。超導(dǎo)磁體幾乎取代了所有體積大、耗電多的常規(guī)磁體；同時，隨著超導(dǎo)電力技術(shù)的發(fā)展，特別是微型超導(dǎo)貯能在國外已經(jīng)商品化，廣泛用于改善電能質(zhì)量、提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性等，這些都使得超導(dǎo)磁體得到了前所未有的應(yīng)用。
超導(dǎo)磁體一般運行電流都在kA級，且為一大電感，這對用于超導(dǎo)儲能的電流調(diào)節(jié)器提出了新的要求。充放電電流大，電壓低，充放電電壓穩(wěn)定且電壓的變化范圍大，同時需要開關(guān)頻率高、功率密度大以及控制性能好，這些都是用于超導(dǎo)儲能電流調(diào)節(jié)器的基本要求，特別在商用的微型超導(dǎo)貯能上要求更為迫切。
目前常用的超導(dǎo)儲能電流調(diào)節(jié)器，都是采用充放電設(shè)備各一套的方案。例如美國專利Pub.No.US2002/0030952“超導(dǎo)磁體放電方法及裝置”，美國專利5,181,170“超導(dǎo)磁體及其供電裝置”。上述現(xiàn)有技術(shù)中充電可完成兩個功能穩(wěn)態(tài)時給超導(dǎo)磁體充電并維持磁體電流恒定；放電設(shè)備即斬波器完成快速放電功能。存在的問題是充放電不僅需要兩套設(shè)備，而且充電設(shè)備如果既要保持磁體電流恒定又要完成快速充電功能則容量非常大，如美國專利6,157,094“超導(dǎo)磁體及其供電裝置”；放電設(shè)備，圖1示的US2002/0030952“超導(dǎo)磁體放電方法及裝置”，具體結(jié)構(gòu)圖中10、11為磁體部分，19為磁體充電電源，其它部分為放電部分，也即斬波器，它將超導(dǎo)磁體的電流直接變換成電壓。它由開關(guān)22和23直接對磁體電流進(jìn)行斬切，這使得開關(guān)損耗非常大，并且直流電壓25部分需要的電容器容量非常大，從而磁體的勵磁電壓大，這不僅不利于磁體的穩(wěn)定，而且使得磁體交流損耗增大，提高了磁體的運行費用。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明提出一種用于超導(dǎo)儲能的電流調(diào)節(jié)器，它由電壓單元、變壓器單元與電流單元三部分組成。電壓單元為一直流側(cè)為電容器的電壓源換流器，電流單元為一直流側(cè)接超導(dǎo)磁體的電流源換流器。電壓源換流器和電流源換流器均可采用全橋或全波的形式。若采用全橋的形式，它由兩個橋臂并聯(lián)而成。每個橋臂由兩個開關(guān)管串聯(lián)而成。橋臂的兩端為換流器的直流輸出端，兩個橋臂的中點為換流器的交流輸出端。若采用全波的形式，則由兩個開關(guān)管組成。兩個開關(guān)管的兩端串聯(lián)，構(gòu)成其一個直流輸出端，另外兩端構(gòu)成其交流輸出端，分別連接到變壓器的兩端，變壓器采用帶中間抽頭的變壓器，變壓器的中間抽頭構(gòu)成其中另外一個直流輸出端。電壓源換流器的交流輸出端與變壓器原邊相連，直流輸出端與電容器相連；電流源換流器的交流輸出端與變壓器副邊相連，直流輸出端與超導(dǎo)磁體相連。其中變壓器單元可以是普通變壓器，也可以是一側(cè)或者兩側(cè)皆為帶抽頭的變壓器。若采用全波的形式，則該側(cè)變壓器必須帶中間抽頭。
按照在低溫部分所包括的范圍的差異，本發(fā)明電流調(diào)節(jié)器可分為兩種形式1、電流引線式整個電流調(diào)節(jié)器和超導(dǎo)磁體都置于低溫環(huán)境下，只留出電流引線作為與常溫器件的接口；2、無引線式電流調(diào)節(jié)器的電流單元與超導(dǎo)磁體置于低溫環(huán)境下，通過變壓器與電壓單元實現(xiàn)電氣聯(lián)系。
本發(fā)明電流調(diào)節(jié)器采用輔助電勢移相充放電控制方式，使橋上下臂的脈沖相位互補，而橋?qū)蔷€臂的脈沖時序不同相，通過調(diào)節(jié)橋?qū)蔷€臂脈沖的超前或滯后時間，來改變逆變器輸出電壓的脈寬；電流單元通過電壓單元提供的輔助電勢，在電流源換流器的兩支路的開關(guān)管在換相的時刻，先給要開通支路的開關(guān)管觸發(fā)信號，然后控制電壓源換流器的開關(guān)管，使之在變壓器的原邊上產(chǎn)生換相電壓，折合到副邊后，由于與流過要關(guān)斷的開關(guān)管的電流方向相反，從而使流過該支路電流減少；由于與流過要開通的開關(guān)管的電流方向相同，從而使流過該支路電流增加，待到流過要關(guān)斷的開關(guān)管的電流減少到零后，再關(guān)斷該開關(guān)管。
本發(fā)明不僅可以給磁體充電，還可以將磁體中貯存的電能釋放出去，并且充放電電壓靈活可調(diào)。本發(fā)明電流單元電流大但電壓低，而電壓單元電流和電壓對于開關(guān)容量來說都不大，這不僅降低了開關(guān)損耗，還可以提高開關(guān)頻率，從而大大減小了電壓單元中的電容器的容量，縮小了變壓器單元中變壓器的體積，從而提高了功率密度和系統(tǒng)性能。
作為一種低溫電流調(diào)節(jié)器，本發(fā)明還有如下兩個優(yōu)點1、將構(gòu)成低溫部分的功率場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)，特別是其高壓器件，應(yīng)用于液氮溫區(qū)(77K)，其通態(tài)電阻可以降到室溫下的1/10～1/30，而且頻率也可以大大提高。從而大大降低了這種電流調(diào)節(jié)器的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。
2、由于超導(dǎo)體的無阻特性使超導(dǎo)磁體的電流一般非常大，所以連接磁體和換流器的引線非常大，這樣帶來的漏熱還有焦耳熱降低了系統(tǒng)效率。本發(fā)明提供的低溫電流調(diào)節(jié)器除了使得系統(tǒng)的體積減小、效率提高外，最主要的優(yōu)勢是它變磁體的大電流、小電壓輸出為低溫電流調(diào)節(jié)器的小電流、大電壓輸出，這樣電流引線的設(shè)計難度大大減小，它的損耗大大減小。如果采用的高頻變壓器的兩個繞組分別處于低溫和室溫下，也即是一種混和溫度的高頻變壓器，如圖1中虛框內(nèi)所示，這樣低溫電流調(diào)節(jié)器的引線便可徹底去掉，實現(xiàn)無引線系統(tǒng)，從而徹底取消了引線帶來的負(fù)面影響。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)美國專利US2002/0030952的原理圖。
圖2為本發(fā)明的電流引線式的主線路圖。UI為電流單元，UT變壓器單元，UV電壓單元，S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7與S8為開關(guān)，DC為直流電源，LOAD為負(fù)載，C電容器，T副邊帶中間抽頭的變壓器，*表示變壓器同名端，L為超導(dǎo)磁體，I為磁體電流。
圖3為本發(fā)明的無引線形式的主線路圖。UI為電流單元，UT變壓器單元，UV電壓單元，S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7與S8為開關(guān)管，DC為直流電源，LOAD為負(fù)載，C電容器，T副邊帶中間抽頭的變壓器，*表示變壓器同名端，L為超導(dǎo)磁體，I磁體電流。
圖4是本發(fā)明電流引線式電流調(diào)節(jié)器的具體實施例的線路圖。UI為電流單元，UT變壓器單元，UV電壓單元，T11、T12、T21、T22、T3、T4、T5、T6為功率場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)。S1與S2為開關(guān)，DC為直流電源，LOAD為負(fù)載，C電容器，T為副邊帶中間抽頭的變壓器，*表示變壓器同名端，L為超導(dǎo)磁體。其中電流單元、變壓器單元和除了電容器外的電壓單元在低溫容器內(nèi)。
圖5是本發(fā)明無引線式電流調(diào)節(jié)器的具體實施例的線路圖。UI為電流單元，UT變壓器單元，UV電壓單元，T11、T12、T21、T22、T3、T4、T5、T6為功率場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)。S1與S2為開關(guān)，DC為直流電源，LOAD為負(fù)載，C電容器，T副邊帶中間抽頭的變壓器，*表示變壓器同名端，L為超導(dǎo)磁體。其中電流單元和變壓器的電流側(cè)在低溫容器內(nèi)。
圖6為本發(fā)明電流引線式實施例之輔助電勢移相充電控制方式的原理圖。
圖7為本發(fā)明無引線式實施例之輔助電勢移相放電控制方式的原理圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖2為本發(fā)明的具有電流引線式的主線路圖。如圖2所示，本發(fā)明由電壓單元UV、變壓器單元UT與電流單元UI三部分組成，電壓單元UV為一直流側(cè)接電容器C的電壓源換流器，電流單元UI為一直流側(cè)接超導(dǎo)磁體的電流源換流器。電壓源換流器由兩個橋臂并聯(lián)而成，開關(guān)管S3、S5串聯(lián)，組成其中一個橋臂；S4、S6串聯(lián)組成其中另外一個橋臂。橋臂的兩端構(gòu)成電壓源換流器的直流輸出端，兩個橋臂的中點構(gòu)成其交流輸出端。電流源換流器由兩個開關(guān)管構(gòu)成，由兩個開關(guān)管S1、S2組成。兩個開關(guān)管的兩端串聯(lián)，構(gòu)成其一個直流輸出端，另外兩端構(gòu)成其交流輸出端，分別連接到變壓器T的兩端，變壓器T采用帶中間抽頭的變壓器，變壓器T的中間抽頭構(gòu)成其中另外一個直流輸出端。電壓源換流器的交流輸出端與變壓器T原邊相連，直流輸出端與電容器C相連；電流源換流器的交流輸出端與變壓器T副邊相連，直流輸出端與超導(dǎo)磁體L相連。其中電流單元UI、變壓器單元UT和除了電容器C外的電壓單元UV在低溫容器內(nèi)。
圖3為本發(fā)明的無引線形式的主線路圖。如圖3所示，本發(fā)明的電流單元UI和變壓器T的電流側(cè)在低溫容器內(nèi)。
本發(fā)明兩種形式的低溫電流調(diào)節(jié)器的控制方式完全相同。下面以圖2所示的電流引線式為例，對其輔助電勢移相控制方式作說明。
開關(guān)S7閉合，開關(guān)S8打開時，即電流調(diào)節(jié)器與直流電源DC相連，對磁體L進(jìn)行充電。具體如下電流調(diào)節(jié)器的電壓單元UV的直流端電容器C與直流電源DC相連，由直流電源DC提供電壓或者能量。當(dāng)分別將組成電壓換流器的開關(guān)S3與S6、S4與S5交替開斷時，電壓換流器的交流輸出側(cè)，即變壓器T的原邊LP為交流方波，變壓器T的副邊，即副邊繞組L1、L2的兩端輸出為交流方波，此時電流換流器的開關(guān)管S1、S2工作于整流狀態(tài)，給磁體L充電。磁體L兩端充電電壓的大小可由調(diào)節(jié)電壓換流器的開關(guān)S3與S6、S4與S5的占空比來調(diào)節(jié)。邏輯關(guān)系如下開關(guān)管S3與S6閉合，S4與S5打開，變壓器T的原邊LP輸出為電容器C的電壓，為正電壓，此時閉合開關(guān)S1，L1的兩端輸出為變壓器變壓后的正值電壓，電壓方向由同名端決定，大小為電容器C的電壓/變壓器變比，給磁體L充電。若打開S3，閉合S4，則變壓器T原邊電流通過S4、S6續(xù)流，變壓器T的原邊LP輸出電壓為零，L2兩端的電壓也因此變?yōu)榱悖瑥亩勾朋wL兩端電壓為零，磁體L的電流I保持不變，以上為開關(guān)S3與S6、S4與S5的動作的上半周；接上半周，閉合S5，打開S6，變壓器T的原邊LP輸出為電容器C的反向電壓，為負(fù)電壓，此時閉合開關(guān)S2，L2的兩端輸出為變壓器變壓后的負(fù)值電壓，電壓方向由同名端決定，大小為電容器C的電壓/變壓器變比，磁體L兩端電壓與L2的兩端方向相反，大小相等，其值依然為正。變壓器變壓后的電容器C的電壓與變壓器變比的商，與開關(guān)S3與S6、S4與S5的動作的上半周相同，給磁體L充電；若打開S4，閉合S3，則變壓器T原邊電流通過S3、S5續(xù)流，變壓器T的原邊LP輸出電壓為零，L2兩端的電壓也因此變?yōu)榱?，從而使磁體L兩端電壓為零，磁體L的電流I保持不變，這與S3與S6、S4與S5的動作的上半周相似，為開關(guān)S3與S6、S4與S5的動作的下半周。通過調(diào)節(jié)開關(guān)S3與S4和S5與S6的相對相移，可調(diào)節(jié)磁體L兩端的平均電壓，即靈活調(diào)節(jié)磁體L的充電電壓。
開關(guān)管S8閉合，開關(guān)管S7打開時，即電流調(diào)節(jié)器與負(fù)載LOAD相連，對磁體L進(jìn)行放電。具體如下電流調(diào)節(jié)器的電壓單元UV的直流端電容器C的初始值可由直流電源DC給定。當(dāng)分別將組成電壓換流器的開關(guān)S3與S6、S4與S5開斷時，電壓換流器的交流輸出側(cè)，即變壓器T的原邊LP為交流方波，變壓器的副邊，即副邊繞組L1、L2的兩端輸出為交流方波，此時電流換流器的開關(guān)S1、S2工作于逆變狀態(tài)，給磁體L放電。設(shè)磁體L的電流I方向如圖2所示。開關(guān)邏輯關(guān)系如下S1、S2閉合，超導(dǎo)磁體L電流通過S1、S2續(xù)流，既不充電，也不放電。開關(guān)S3和S6閉合，S4和S5打開，變壓器T的原邊LP輸出為電容器C的正向電壓，為正電壓，L1、L2的兩端輸出為變壓器變壓后的正值電壓，L2的電壓方向與流過它的電流方向相反，從而使流過S2的電流減少；L1的電壓與流過它的電流相同，從而使流過它的電流增加。當(dāng)流經(jīng)S2的電流降為零，打開S2，從而實現(xiàn)了零電流關(guān)斷，然后再使開關(guān)S3打開，S4閉合，則變壓器T原邊電流通過S4、S6續(xù)流，變壓器T的原邊LP輸出電壓為零，L2兩端的電壓也因此變?yōu)榱?，從而使磁體L兩端電壓為零，磁體L的電流I保持不變。然后再使S5閉合，S6打開，變壓器T的原邊LP輸出為電容器C的反向電壓，為負(fù)電壓，L1的兩端輸出為變壓器變壓后的負(fù)值電壓(電壓方向由同名端決定，大小為電容器C的電壓/變壓器變比)，也即是磁體L兩端電壓，它與磁體L的電流I方向相反，磁體L放電。以上為開關(guān)S1與S2、S3與S6、S4與S5的動作的上半周；接上半周，閉合開關(guān)S2，變壓器T的原邊LP輸出為電容器C的反向電壓，為負(fù)電壓，L1、L2的兩端輸出為變壓器變壓后的負(fù)值電壓，L2的電壓方向與流過它的電流方向相同，從而使流過S2的電流增加；L1的電壓與流過它的電流相反，從而使流過S1的電流減少。當(dāng)流經(jīng)S1的電流降為零，打開S1，從而實現(xiàn)了零電流關(guān)斷。然后閉合S3，打開S4，則變壓器T原邊電流通過S3、S5續(xù)流，變壓器T的原邊LP輸出電壓為零，L2兩端的電壓也因此變?yōu)榱?，從而使磁體L兩端電壓為零，磁體L的電流I保持不變。然后再使S5打開，S6閉合，變壓器T的原邊LP輸出為電容器C的正向電壓，為正電壓，L2的兩端輸出為變壓器變壓后的正值電壓，電壓方向與同名端決定的方向相同，大小為電容器C的電壓/變壓器變比，也即是磁體L兩端電壓，它與磁體L的電流I方向相反，磁體L放電。以上為開關(guān)S1與S2、S3與S6、S4與S5的動作的下半周。通過調(diào)節(jié)開關(guān)S1與S2，S3與S6和S4與S5的在半周內(nèi)的占空比，可調(diào)節(jié)磁體L兩端的平均電壓，即靈活調(diào)節(jié)磁體L的放電電壓。
圖4為本發(fā)明電流引線式實施例的線路圖。本發(fā)明由電流單元UI、變壓器單元UT，與電壓單元UV三部分組成。變壓器單元UT為與電流單元相連的副邊帶抽頭的變壓器T。電壓單元UV由電容器C與電壓源換流器構(gòu)成。電壓源換流器由兩個橋臂并聯(lián)而成。功率場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)T5和T7串聯(lián)構(gòu)成其中一個橋臂、T6和T8串聯(lián)構(gòu)成其中另外一個橋臂。兩個橋臂的兩端構(gòu)成其直流輸出端，兩個橋臂的中點構(gòu)成其交流輸出端。電壓源換流器的交流輸出端與變壓器T原邊相連，電壓源換流器的直流輸出端與電容器C并聯(lián)；電流單元UI為一電流源換流器，它的直流側(cè)一端連接于變壓器T的中間抽頭，另一端由一側(cè)分別與變壓器T的上下兩個端子連接的功率場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)T11和T12、T21和T22兩兩串聯(lián)組成的支路的另一側(cè)共同連接而成；電流源換流器的直流側(cè)與超導(dǎo)磁體L連接，而與電壓源換流器的直流側(cè)并聯(lián)的電容器C與分別由開關(guān)S1和直流電源DC、開關(guān)S2與負(fù)載LOAD相串聯(lián)組成的支路并聯(lián)連接。其中直流側(cè)DC為可控整流橋，變壓器T可為常規(guī)變壓器或者超導(dǎo)變壓器，開關(guān)S1、S2可以是固態(tài)開關(guān)或者電氣開關(guān)。其中電流單元UI、變壓器單元UT和除了電容器C外的電壓單元UV在低溫容器內(nèi)。
圖5為本發(fā)明無引線式實施例的線路圖。本發(fā)明由電流單元UI、變壓器單元UT，與電壓單元UV三部分組成。變壓器單元UT為與電流單元相連的副邊帶抽頭的變壓器T。電壓單元UV由電容器C與電壓源換流器構(gòu)成。電壓源換流器由兩個橋臂并聯(lián)而成。功率場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)T5和T7串聯(lián)構(gòu)成其中一個橋臂、T6和T8串聯(lián)構(gòu)成其中另外一個橋臂。兩個橋臂的兩端構(gòu)成其直流輸出端，兩個橋臂的中點構(gòu)成其交流輸出端。電壓源換流器的交流輸出端與變壓器T原邊相連，電壓源換流器的直流輸出端與電容器C并聯(lián)；電流單元UI為一電流源換流器，它的直流側(cè)一端連接于變壓器T的中間抽頭，另一端由一側(cè)分別與變壓器T的上下兩個端子連接的功率場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)T11和T12、T21和T22兩兩串聯(lián)組成的支路的另一側(cè)共同連接而成；電流源換流器的直流側(cè)與超導(dǎo)磁體L連接，而與電壓源換流器的直流側(cè)并聯(lián)的電容器C與分別由開關(guān)S1和直流電源DC、開關(guān)S2與負(fù)載LOAD相串聯(lián)組成的支路并聯(lián)連接。其中直流側(cè)DC為可控整流橋，功率場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)T11、T12、T21、T22、T5、T6、T7和T8亦可以是門極可關(guān)斷晶閘管GTO、絕緣門極雙極型晶體管IGBT、其它有源電力電子器件或者超導(dǎo)開關(guān)，變壓器T可為常規(guī)變壓器或者超導(dǎo)變壓器，開關(guān)S1、S2可以是固態(tài)開關(guān)或者電氣開關(guān)。其中電流單元和變壓器的電流側(cè)在低溫容器內(nèi)。
圖6是本發(fā)明電流引線式實例充電控制方式原理圖，下面以此為例說明開關(guān)器件的動作邏輯關(guān)系開關(guān)S1閉合，開關(guān)S2打開時，對磁體L進(jìn)行充電。MOSFET T12、T22、在充電時恒閉合，通過T11、T21進(jìn)行同步整流。MOSFET T5和T7導(dǎo)通角相差180°，中間相隔一小段死區(qū)。MOSFET T8和T6也相差180°，中間相隔一小段死區(qū)。T5和T7為超前橋臂，T8和T6為滯后橋臂。若MOSFET T5與T8閉合，T6與T7打開，變壓器T的原邊繞組輸出為電容器C1的電壓，為正電壓，變壓器T副邊的兩端輸出為變壓器變壓后的正值電壓，電壓方向由同名端決定，大小為電容器C1的電壓/變壓器變比，給磁體L充電。充電一段時間后，若T5打開，T7閉合，T6，T8的狀態(tài)不變，則變壓器T原邊電流通過T8與T7的反并聯(lián)二極管續(xù)流，變壓器T的原邊繞組的輸出電壓為零，副邊繞組的電壓也變?yōu)榱悖瑢?dǎo)磁體L既不充電也不放電。續(xù)流一段時間后，觸發(fā)T21，然后打開T8，變壓器T原邊電流通過T6與T7的反并聯(lián)二極管續(xù)流，變壓器T副邊的兩端輸出為變壓器變壓后的負(fù)值電壓，電壓方向由同名端決定，大小為電容器C1的電壓/變壓器變比，T21、T22承受正向電壓開通，并且電流逐漸增加；T11、T12承受反向電壓，電流逐漸減少。當(dāng)原邊電流減少到零時，兩條直流流過的電流大小相同。此時閉合T6，T6實現(xiàn)了零電流開通，這時變壓器T原邊的電流通過T6、T7逐漸增加，變壓器T副邊兩端輸出的電壓依然是負(fù)值電壓，流過T21、T22的電流繼續(xù)增加，T11、T12的電流繼續(xù)減少，當(dāng)T11、T12流過的電流減少到零時，撤除T11的觸發(fā)信號，T11實現(xiàn)了零電流關(guān)斷。以上為MOSFET T5、T6、T7、T8的動作上半周；接上半周的時序，當(dāng)T11關(guān)斷后，由于變壓器T副邊的兩端輸出電電壓方向不變，流過T21、T22的電流繼續(xù)增加，給磁體L充電。充電一段時間后，若T7打開，T5閉合，T6，T8的狀態(tài)不變，則變壓器T原邊電流通過T6與T5的反并聯(lián)二極管續(xù)流，變壓器T的原邊繞組的輸出電壓為零，副邊繞組的電壓也變?yōu)榱?，超?dǎo)磁體L既不充電也不放電。續(xù)流一段時間后，觸發(fā)T11，然后打開T6，變壓器T原邊電流通過T5與T8的反并聯(lián)二極管續(xù)流，變壓器T副邊的兩端輸出為變壓器變壓后的正值電壓，電壓方向由同名端決定，大小為電容器C1的電壓/變壓器變比，T11、T12承受正向電壓開通，并且電流逐漸增加；T21、T22承受反向電壓，電流逐漸減少。當(dāng)原邊電流減少到零時，兩條直流流過的電流大小相同。此時閉合T8，T8實現(xiàn)了零電流開通，這時變壓器原邊的電流通過T5、T8逐漸增加，變壓器T副邊兩端輸出的電壓依然是正值電壓，流過T11、T12的電流繼續(xù)增加，T21、T22的電流繼續(xù)減少，當(dāng)T21、T22流過的電流減少到零時，撤除T21的觸發(fā)信號，T21實現(xiàn)了零電流關(guān)斷。以上為MOSFET T5、T6、T7、T8的動作下半周。
圖7是本發(fā)明電流引線式實施例放電控制方式原理圖，下面以此為例說明開關(guān)器件的動作邏輯關(guān)系開關(guān)S2閉合，開關(guān)S1打開時，對磁體L進(jìn)行放電。設(shè)磁體L的電流I方向如圖1所示，若MOSFET T5與T8閉合，T6與T7打開，變壓器T的原邊輸出為電容器C的電壓，為正電壓，此時T21、T22閉合，T11、T12打開，T副邊輸出為變壓器變壓后的正值電壓(電壓方向由同名端決定，大小為電容器C的電壓/變壓器變比)，也即是磁體L兩端電壓，它與磁體L的電流I方向相反，磁體L放電。放電一段時間后，觸發(fā)T11、T12，由于變壓器副邊輸出為正電壓，此電壓使流過T12、T12的電流增加，T21、T22的電流減少，當(dāng)T21、T22的電流減少到零后，打開T21、T22從而實現(xiàn)了零電流關(guān)斷，關(guān)斷后打開T5，閉合T7，變壓器T原邊電流通過T8和T7的反并聯(lián)二極管續(xù)流，變壓器T的原邊繞組的輸出電壓為零，副邊繞組的電壓也變?yōu)榱?，超?dǎo)磁體L既不充電也不放電。以上為MOSFET T5、T6、T7、T8的動作的上半周；接上半周的時序，續(xù)流一段時間后，閉合T6，打開T8，變壓器T的原邊輸出為電容器C的反向電壓，為負(fù)電壓，變壓器T副邊的電壓方向由同名端決定，大小為電容器C的電壓/變壓器變比，電壓方向與同名端決定的方向相反，也與磁體L的電流I方向相反，磁體L放電。此后，觸發(fā)T21、T22，變壓器T副邊的兩端輸出的負(fù)值電壓使流過T21、T22的電流增加，T11、T12的電流減少，當(dāng)T11、T12的電流完全減少到零時，關(guān)斷T11、T12，從而實現(xiàn)了零電流的關(guān)斷，關(guān)斷后打開T7，閉合T5，變壓器T原邊電流通過T6和T5的反并聯(lián)二極管續(xù)流，變壓器T的原邊繞組的輸出電壓為零，副邊繞組的電壓也變?yōu)榱悖瑢?dǎo)磁體L既不充電也不放電。以上為MOSFET T5、T6、T7、T8的動作的下半周。
本發(fā)明無引線式實施例的控制方式與電流引線式實施例完全相同。
權(quán)利要求
1.一種用于超導(dǎo)儲能的低溫電流調(diào)節(jié)器，其特征在于它由電壓單元[UV]、變壓器單元[UT]與電流單元[UI]三部分組成，電壓單元[UV]為一直流側(cè)為電容器[C]的電壓源換流器，電流單元[UI]為一直流側(cè)接超導(dǎo)磁體[L]的電流源換流器；電壓源換流器的交流輸出側(cè)與變壓器[T]原邊相連，電流源換流器的交流輸出側(cè)與變壓器[T]副邊相連；電壓源換流器和電流源換流器均可采用全橋或全波的形式若采用全橋的形式，換流器由兩個橋臂并聯(lián)而成，每個橋臂由兩個開關(guān)管串聯(lián)而成，橋臂的兩端為換流器的直流輸出端，兩個橋臂的中點為換流器的交流輸出端；若采用全波的形式，則由兩個開關(guān)管組成，兩個開關(guān)管的兩端串聯(lián)，構(gòu)成換流器的一個直流輸出端，另外兩端構(gòu)成其交流輸出端，分別連接到變壓器[T]的兩端；變壓器[T]采用帶中間抽頭的變壓器，其中間抽頭構(gòu)成其中另外一個直流輸出端；電壓源換流器的交流輸出端與變壓器原邊相連，直流輸出端與電容器[C]相連；電流源換流器的交流輸出端與變壓器[T]副邊相連，直流輸出端與超導(dǎo)磁體[L]相連；其中變壓器單元[UV]可以是普通變壓器，也可以是一側(cè)或者兩側(cè)皆為帶抽頭的變壓器；若采用全波的形式，則該側(cè)變壓器帶中間抽頭。
2.按照權(quán)利要求1所述的用于超導(dǎo)儲能的低溫電流調(diào)節(jié)器，其特征在于變壓器單元[UT]為與電流單元相連的副邊帶抽頭的變壓器；電壓單元[UV]為一直流側(cè)為電容器[C]與分別由功率場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)[T5]和[T7]、[T6]和[T8]兩兩串聯(lián)組成的電壓源換流器的兩個橋臂并聯(lián)組成，兩個橋臂的中點，即電壓源換流器的交流輸出與變壓器[T]原邊相連；電流單元[UI]為一電流源換流器，它的直流側(cè)一端連接于變壓器[T]的中間抽頭，另一端由一側(cè)分別與變壓器[T]的上下兩個端子連接的功率場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)[T11]和二極管[T12]、[T21]和[T22]兩兩串聯(lián)組成的支路的另一側(cè)共同連接而成；電流源換流器的直流側(cè)與超導(dǎo)磁體[L]連接，而電壓源換流器的直流側(cè)電容器[C]與分別由開關(guān)[S1]和直流電源[DC]、開關(guān)[S2]與負(fù)載[LOAD]相串聯(lián)組成的支路并聯(lián)連接。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的用于超導(dǎo)儲能的電流調(diào)節(jié)器，其特征在于其電壓源變換器的直流側(cè)[DC]為可控整流橋，變壓器[T]可為常規(guī)變壓器或者超導(dǎo)變壓器，開關(guān)管[S1]、[S2]可以是固態(tài)開關(guān)或者電氣開關(guān)；功率場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)[T11]、[T12]、[T21]、[T22]、[T5]、[T6]、[T7]與[T8]亦可以是門極可關(guān)斷晶閘管GTO、絕緣門極雙極型晶體管IGBT、其它有源電力電子器件或者超導(dǎo)開關(guān)。
4.按照權(quán)利要求1或2所述的用于超導(dǎo)儲能的低溫電流調(diào)節(jié)器，其特征在于整個電流調(diào)節(jié)器和超導(dǎo)磁體[L]都可置于低溫環(huán)境下，只留出電壓引線作為與常溫器件的接口的電流引線式，或電流調(diào)節(jié)器[UI]的電流單元與超導(dǎo)磁體[L]置于低溫下，通過變壓器與電壓單元實現(xiàn)電氣聯(lián)系的無引線式。
5.按照權(quán)利要求1或2所述的用于超導(dǎo)儲能的低溫電流調(diào)節(jié)器，其特征在于所述的電壓單元[UV]采用移相控制電流調(diào)節(jié)其的充放電控制方式，使橋上下臂的脈沖相位互補，而橋?qū)蔷€臂的脈沖時序不同相，通過調(diào)節(jié)橋?qū)蔷€臂脈沖的超前或滯后時間，來改變逆變器輸出電壓的脈寬；電流單元[UI]通過電壓單元[UV]提供的輔助電勢，在電流源換流器的兩支路的開關(guān)管在換相的時刻，先給要開通支路的開關(guān)管觸發(fā)信號，然后控制電壓源換流器的開關(guān)管，使之在變壓器[T]的原邊上產(chǎn)生換相電壓，折合到副邊后，由于與流過要關(guān)斷的開關(guān)管的電流方向相反，從而使流過該支路電流減少；由于與流過要開通的開關(guān)管的電流方向相同，從而使流過該支路電流增加，待到流過要關(guān)斷的開關(guān)管的電流減少到零后，再關(guān)斷該開關(guān)管。
全文摘要
一種用于超導(dǎo)磁體充放電的電流調(diào)節(jié)器，包括電壓單元[U
文檔編號H01F6/00GK1874131SQ20051001183
公開日2006年12月6日 申請日期2005年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月1日
發(fā)明者趙彩宏, 郭文勇, 肖立業(yè), 林良真, 余運佳 申請人:中國科學(xué)院電工研究所