專利名稱：一種用于超導(dǎo)磁體充放電的電流調(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)磁體充放電的電流調(diào)節(jié)器，屬于電工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)具有的零電阻以及強(qiáng)磁場(chǎng)下載流能力大的特性，使得超導(dǎo)磁體得到了廣泛的應(yīng)用，特別是用于高能物理實(shí)驗(yàn)中用于產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的大型磁體，幾乎已經(jīng)取代了所有體積大、耗電多的常規(guī)磁體；同時(shí)，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(guó)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(yùn)行電流都在kA級(jí)，且為一大電感，這對(duì)超導(dǎo)磁體的充放電技術(shù)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(shí)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)磁體充放電的基本要求，特別在商用的微型超導(dǎo)貯能上要求更為迫切。
目前常用的方案，都是采用充放電設(shè)備各一套，例如美國(guó)專利Pub.No.US2002/0030952“超導(dǎo)磁體放電方法及裝置”，美國(guó)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(gè)功能穩(wěn)態(tài)時(shí)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(guó)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20直接對(duì)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(lì)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(yùn)行費(fèi)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是為克服已有技術(shù)的不足，提供了一種用于超導(dǎo)磁體充放電的電流調(diào)節(jié)器，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)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，功率密度高，體積小，不僅提高了磁體充放電系統(tǒng)的性能，而且能大大減少成本。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種用于超導(dǎo)磁體充放電的電流調(diào)節(jié)器，其特點(diǎn)在于它由電壓?jiǎn)卧?、變壓器單元與電流單元三部分組成。電壓?jiǎn)卧獮橐恢绷鱾?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，電壓源換流器的交流輸出側(cè)與變壓器原邊相連，電流源換流器的交流輸出側(cè)與變壓器副邊相連。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。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?jiǎn)卧娏骱碗妷簩?duì)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?jiǎn)卧械碾娙萜鞯娜萘?，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。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，不僅提高了磁體充放電系統(tǒng)的性能，而且能大大減少費(fèi)用降低成本。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)美國(guó)專利US2002/0030952的原理圖；圖2是本發(fā)明的主電路線路圖。UI為電流單元，UT變壓器單元，UV電壓?jiǎn)卧?，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磁體電流；圖3是本發(fā)明圖2的主電路原理圖。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，LP為變壓器T與電壓?jiǎn)卧噙B接的原邊，L1、L2分別為變壓器T與電流單元相連接的副邊的兩個(gè)繞組，*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)明的具體實(shí)施例1變壓器副邊帶抽頭的電流調(diào)節(jié)器的線路圖。UI為電流單元，UT變壓器單元，UV電壓?jiǎn)卧?，T1、T2、T3、T4、T5、T6與D1、D2、D3、D4、D5、D6分別為絕緣門極雙極型晶體管IGBT及與其并聯(lián)的二極管，D11、D21分別為與絕緣門極雙極型晶體管IGBT T1、T2相串聯(lián)的二極管，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；圖5是本發(fā)明的具體實(shí)施例2變壓器原副邊皆帶抽頭的電流調(diào)節(jié)器的線路圖。UI為電流單元，UT變壓器單元，UV電壓?jiǎn)卧?，T1、T2、T3、T4與D1、D2、D3、D4分別為絕緣門極雙極型晶體管IGBT及與其并聯(lián)的二極管，D11、D21分別為與絕緣門極雙極型晶體管IGBT T1、T2相串聯(lián)的二極管，S1與S2為開關(guān)，DC為直流電源，LOAD為負(fù)載，C電容器，T原副邊皆帶中間抽頭的變壓器，*表示變壓器同名端，L為超導(dǎo)磁體；圖6是本發(fā)明的具體實(shí)施例3變壓器原邊帶抽頭的電流調(diào)節(jié)器的線路圖。UI為電流單元，UT變壓器單元，UV電壓?jiǎn)卧?，T1、T2、T3、T4、T5、T6與D1、D2、D3、D4、D5、D6分別為絕緣門極雙極型晶體管IGBT及與其并聯(lián)的二極管，D11、D21、D31、D41分別為與絕緣門極雙極型晶體管IGBT T1、T2、T3、T4相串聯(lián)的二極管，S1與S2為開關(guān)，DC為直流電源，LOAD為負(fù)載，C電容器，T原邊帶抽頭的變壓器，*表示變壓器同名端，L為超導(dǎo)磁體；圖7是本發(fā)明的具體實(shí)施例4變壓器原副邊皆不帶抽頭的電流調(diào)節(jié)器的線路圖。UI為電流單元，UT變壓器單元，UV電壓?jiǎn)卧?，T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8與D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8分別為絕緣門極雙極型晶體管IGBT及與其并聯(lián)的二極管，D11、D21、D31、D41分別為與絕緣門極雙極型晶體管IGBT T1、T2、T3、T4相串聯(lián)的二極管，S1與S2為開關(guān)，DC為直流電源，LOAD為負(fù)載，C電容器，T原副邊皆不帶抽頭的變壓器，*表示變壓器同名端，L為超導(dǎo)磁體。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述本發(fā)明的主電路線路圖如圖2所示，圖3是本發(fā)明的主電路原理圖。
圖2中，本發(fā)明由電壓?jiǎn)卧猆I、變壓器單元UT，與電流單元UV三部分組成。變壓器單元UT為與電流單元相連的一側(cè)帶抽頭的變壓器。電壓?jiǎn)卧猆V為一直流側(cè)為電容器C與分別由開關(guān)S3和S4、S5和S6兩兩串聯(lián)組成的電壓源換流器的兩個(gè)橋臂并聯(lián)組成，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)，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(gè)端子連接的開關(guān)S1、S2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)S7和直流電源DC、開關(guān)S8與負(fù)載LOAD相串聯(lián)組成的支路并聯(lián)連接。
圖3是本發(fā)明的主電路原理圖，其中LP表示變壓器T與電壓?jiǎn)卧噙B接的原邊，L1、L2分別表示變壓器T與電流單元相連接的副邊的兩個(gè)繞組，*表示變壓器同名端。
開關(guān)S7閉合，開關(guān)S8打開時(shí)，也即是電流調(diào)節(jié)器與直流電源DC相連，對(duì)磁體L進(jìn)行充電。具體如下電流調(diào)節(jié)器的電壓?jiǎn)卧闹绷鞫穗娙萜鰿與直流電源DC相連，由后者提供電壓或者能量。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(shí)，電壓換流器的交流輸出側(cè)，即是變壓器T的原邊LP為交流方波，變壓器的副邊，也即是副邊繞組L1、L2的兩端輸出為交流方波，此時(shí)電流換流器的開關(guān)S1、S2工作于整流狀態(tài)，給磁體L充電。磁體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)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(shí)閉合開關(guān)S2，L2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。若開關(guān)S3與S6、S4與S5同時(shí)打開，變壓器T輸出為零，磁體兩端電壓為零，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(dòng)作的上半周；當(dāng)開關(guān)S4與S5閉合，S3與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，此時(shí)閉合開關(guān)S1，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，磁體兩端電壓與L1的兩端方向相反，大小相等其值依然為正的。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(dòng)作的上半周相同，給磁體L充電；若開關(guān)S3與S6、S4與S5同時(shí)打開，變壓器T輸出為零，磁體兩端電壓為零，磁體L的電流I保持不變，這與S3與S6、S4與S5的動(dòng)作的上半周相同，為開關(guān)S3與S6、S4與S5的動(dòng)作的下半周。通過調(diào)節(jié)開關(guān)S3與S6和S4與S5的在半周內(nèi)的占空比，可調(diào)節(jié)磁體兩端的平均電壓，即靈活調(diào)節(jié)磁體的充電電壓。
開關(guān)S8閉合，開關(guān)S7打開時(shí)，也即是電流調(diào)節(jié)器與負(fù)載LOAD相連，對(duì)磁體L進(jìn)行放電。具體如下電流調(diào)節(jié)器的電壓?jiǎn)卧闹绷鞫穗娙萜鰿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(shí)，電壓換流器的交流輸出側(cè)，即是變壓器T的原邊LP為交流方波，變壓器的副邊，也即是副邊繞組L1、L2的兩端輸出為交流方波，此時(shí)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)磁體的電流I方向如圖2所示，S1、S2皆閉合，開關(guān)邏輯關(guān)系如下開關(guān)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(shí)打開開關(guān)S2，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)，也即是磁體L兩端電壓，它與磁體的電流I方向相反，磁體L放電。若開關(guān)S3與S6、S4與S5同時(shí)打開，變壓器T輸出為零，磁體兩端電壓為零，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(dòng)作的上半周；當(dāng)開關(guān)S4與S5閉合，S3與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，此時(shí)打開開關(guān)S1，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。相當(dāng)于L2的兩端輸出電壓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反，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，它與磁體的電流I方向相反，磁體L放電。若開關(guān)S3與S6、S4與S5同時(shí)打開，變壓器T輸出為零，磁體兩端電壓為零，磁體L的電流I保持不變，這與S3與S6、S4與S5的動(dòng)作的上半周相同，為開關(guān)S3與S6、S4與S5的動(dòng)作的下半周。通過調(diào)節(jié)開關(guān)S3與S6和S4與S5的在半周內(nèi)的占空比，可調(diào)節(jié)磁體兩端的平均電壓，即靈活調(diào)節(jié)磁體的放電電壓。
圖4為本發(fā)明的實(shí)施例1。本發(fā)明由電壓?jiǎn)卧猆I、變壓器單元UT，與電流單元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。電壓?jiǎn)卧猆V為一直流側(cè)為電容器C與分別由絕緣門極雙極型晶體管IGBT T3和T4、T5和T6兩兩串聯(lián)組成的電壓源換流器的兩個(gè)橋臂并聯(lián)組成，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)，也即是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(gè)端子連接的絕緣門極雙極型晶體管IGBT T1和二極管D11、絕緣門極雙極型晶體管IGBTT2和二極管D21兩兩串聯(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。其中直流側(cè)DC為可控整流橋，絕緣門極雙極型晶體管IGBT T1、T2、T3、T4、T5和T6亦可以是門極可關(guān)斷晶閘管GTO、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET、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)。
開關(guān)器件的動(dòng)作邏輯關(guān)系如下開關(guān)S1閉合，開關(guān)S2打開時(shí)，對(duì)磁體L進(jìn)行充電。IGBT T3與T6閉合，T4與T5打開，此時(shí)閉合T2，給磁體L充電。若T3與T6、T4與T5同時(shí)打開，磁體L的電流I保持不變，以上為IGBTT3與T6、T4與T5的動(dòng)作的上半周；當(dāng)IGBT T4與T5閉合，T3與T6打開，此時(shí)閉合T1，給磁體L充電；若T3與T6、T4與T5同時(shí)打開，磁體L的電流I保持不變，這與T3與T6、T4與T5的動(dòng)作的上半周相同，為IGBT T3與T6、T4與T5的動(dòng)作的下半周。通過調(diào)節(jié)IGBT T3與T6和T4與T5的在半周內(nèi)的占空比，可調(diào)節(jié)磁體兩端的平均電壓，即靈活調(diào)節(jié)磁體的充電電壓。
開關(guān)S2閉合，開關(guān)S1打開時(shí)，對(duì)磁體L進(jìn)行放電。設(shè)磁體的電流I方向如圖2所示，IGBT T1、T2皆閉合，開關(guān)邏輯關(guān)系如下IGBT T3與T6閉合，T4與T5打開，此時(shí)打開IGBT T2，磁體L放電。若IGBT T3與T6、T4與T5同時(shí)打開，磁體L的電流I保持不變，以上為IGBT T3與T6、T4與T5的動(dòng)作的上半周；當(dāng)IGBT T4與T5閉合，T3與T6打開，此時(shí)打開IGBT T1，磁體L放電。若IGBT T3與T6、T4與T5同時(shí)打開，磁體L的電流I保持不變，這與IGBT T3與T6、T4與T5的動(dòng)作的上半周相同，為IGBT T3與T6、T4與T5的動(dòng)作的下半周。通過調(diào)節(jié)IGBT T3與T6和T4與T5的在半周內(nèi)的占空比，可調(diào)節(jié)磁體兩端的平均電壓，即靈活調(diào)節(jié)磁體的放電電壓。
圖5為本發(fā)明的實(shí)施例2。本發(fā)明由電壓?jiǎn)卧猆I、變壓器UT，與電流單元UV三部分組成。變壓器單元UT為原副邊皆帶抽頭的變壓器。電壓?jiǎn)卧猆V直流側(cè)電容器C的一端連接于變壓器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(gè)端子連接的絕緣門極雙極型晶體管IGBT T3、絕緣門極雙極型晶體管IGBT T4的另一側(cè)共同連接而成；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(gè)端子連接的絕緣門極雙極型晶體管IGBT T1和二極管D11、絕緣門極雙極型晶體管IGBTT2和二極管D21兩兩串聯(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。其中直流側(cè)DC為可控整流橋，絕緣門極雙極型晶體管IGBT T1、T2、T3、T4亦可以是門極可關(guān)斷晶閘管GTO、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET、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)。
開關(guān)器件的動(dòng)作邏輯關(guān)系如下開關(guān)S1閉合，開關(guān)S2打開時(shí)，對(duì)磁體L進(jìn)行充電。IGBT T4閉合，T3打開，此時(shí)閉合T2，給磁體L充電。若T3、T4同時(shí)打開，磁體L的電流I保持不變，以上為IGBT T3、T4的動(dòng)作的上半周；當(dāng)IGBT T3閉合，T4打開，此時(shí)閉合T1，給磁體L充電；若T3、T4同時(shí)打開，磁體L的電流I保持不變，這與T3、T4的動(dòng)作的上半周相同，為IGBT T3、T4的動(dòng)作的下半周。通過調(diào)節(jié)IGBT T3和T4的在半周內(nèi)的占空比，可調(diào)節(jié)磁體兩端的平均電壓，即靈活調(diào)節(jié)磁體的充電電壓。
開關(guān)S2閉合，開關(guān)S1打開時(shí)，對(duì)磁體L進(jìn)行放電。設(shè)磁體的電流I方向如圖2所示，IGBT T1、T2皆閉合，開關(guān)邏輯關(guān)系如下IGBT T4閉合，T3打開，此時(shí)打開IGBT T2，磁體L放電。若IGBT T3、T4同時(shí)打開，磁體L的電流I保持不變，以上為IGBT T3、T4的動(dòng)作的上半周；當(dāng)IGBT T3閉合，T4打開，此時(shí)打開IGBT T1，磁體L放電。若IGBT T3、T4同時(shí)打開，磁體L的電流I保持不變，這與IGBT T3、T4的動(dòng)作的上半周相同，為IGBT T3、T4的動(dòng)作的下半周。通過調(diào)節(jié)IGBT T3和T4在半周內(nèi)的占空比，可調(diào)節(jié)磁體兩端的平均電壓，即靈活調(diào)節(jié)磁體的放電電壓。
圖6為本發(fā)明的實(shí)施例3。本發(fā)明由電壓?jiǎn)卧猆I、變壓器UT，與電流單元UV三部分組成。變壓器單元UT為與電壓?jiǎn)卧噙B的原邊帶抽頭的變壓器。電壓?jiǎn)卧猆V直流側(cè)電容器C的一端連接于變壓器T原邊的中間抽頭，另一端由一側(cè)分別與變壓器T原邊的上下兩個(gè)端子連接的絕緣門極雙極型晶體管IGBTT5、絕緣門極雙極型晶體管IGBT T6的另一側(cè)共同連接而成；電流單元UI為一電流源換流器，它的直流側(cè)為超導(dǎo)磁體L與分別由絕緣門極雙極型晶體管IGBT T1及與其串聯(lián)的二極管D11和IGBT T2及與其串聯(lián)的二極管D21、IGBTT3及與其串聯(lián)的二極管D31和IGBT T4及與其串聯(lián)的二極管D41兩兩串聯(lián)組成的電流源換流器的兩個(gè)橋臂并聯(lián)組成，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)，也即是電流源換流器的交流輸出與變壓器T副邊相連；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。其中直流側(cè)DC為可控整流橋，絕緣門極雙極型晶體管IGBT T1、T2、T3、T4、T5與T6亦可以是門極可關(guān)斷晶閘管GTO、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET、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)。
開關(guān)器件的動(dòng)作邏輯關(guān)系如下開關(guān)S1閉合，開關(guān)S2打開時(shí)，對(duì)磁體L進(jìn)行充電。IGBT T6閉合，T5打開，此時(shí)閉合T2、T3，給磁體L充電。若T5、T6同時(shí)打開，磁體L的電流I保持不變，以上為IGBT T5、T6的動(dòng)作的上半周；當(dāng)IGBT T5閉合，T6打開，此時(shí)閉合T1、T4，給磁體L充電；若T5、T6同時(shí)打開，磁體L的電流I保持不變，這與T5、T6的動(dòng)作的上半周相同，為IGBT T5、T6的動(dòng)作的下半周。通過調(diào)節(jié)IGBT T5和T6的在半周內(nèi)的占空比，可調(diào)節(jié)磁體兩端的平均電壓，即靈活調(diào)節(jié)磁體的充電電壓。
開關(guān)S2閉合，開關(guān)S1打開時(shí)，對(duì)磁體L進(jìn)行放電。設(shè)磁體的電流I方向如圖2所示，IGBT T1、T2、T3、T4皆閉合，開關(guān)邏輯關(guān)系如下IGBT T6閉合，T5打開，此時(shí)打開IGBT T2、T3，磁體L放電。若IGBT T5、T6同時(shí)打開，磁體L的電流I保持不變，以上為IGBT T5、T6的動(dòng)作的上半周；當(dāng)IGBTT5閉合，T6打開，此時(shí)打開IGBT T1、T4，磁體L放電。若IGBT T5、T6同時(shí)打開，磁體L的電流I保持不變，這與IGBT T5、T6的動(dòng)作的上半周相同，為IGBT T5、T6的動(dòng)作的下半周。通過調(diào)節(jié)IGBT T5和T6在半周內(nèi)的占空比，可調(diào)節(jié)磁體兩端的平均電壓，即靈活調(diào)節(jié)磁體的放電電壓。
圖7為本發(fā)明的實(shí)施例4。本發(fā)明由電壓?jiǎn)卧猆I、變壓器UT，與電流單元UV三部分組成。變壓器單元UT為原副邊皆不帶抽頭的普通變壓器。電壓?jiǎn)卧猆V為一直流側(cè)為電容器C與分別由絕緣門極雙極型晶體管IGBT T5和T6、T7和T8兩兩串聯(lián)組成的電壓源換流器的兩個(gè)橋臂并聯(lián)組成，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)，也即是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)為超導(dǎo)磁體L與分別由絕緣門極雙極型晶體管IGBT T1及與其串聯(lián)的二極管D11和IGBT T2及與其串聯(lián)的二極管D21、IGBT T3及與其串聯(lián)的二極管D31和IGBT T4及與其串聯(lián)的二極管D41兩兩串聯(lián)組成的的電流源換流器的兩個(gè)橋臂并聯(lián)組成，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)，也即是電流源換流器的交流輸出與變壓器T副邊相連；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。其中直流側(cè)DC為可控整流橋，絕緣門極雙極型晶體管IGBT T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7與T8亦可以是門極可關(guān)斷晶閘管GTO、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET、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)。
開關(guān)器件的動(dòng)作邏輯關(guān)系如下開關(guān)S1閉合，開關(guān)S2打開時(shí)，對(duì)磁體L進(jìn)行充電。IGBT T5、T8閉合，T6、T7打開，此時(shí)閉合T2、T3，給磁體L充電。若T5、T6、T7、T8同時(shí)打開，磁體L的電流I保持不變，以上為IGBT T5、T6、T7、T8的動(dòng)作的上半周；當(dāng)IGBT T5、T8打開，T6、T7閉合，此時(shí)閉合T1、T4，給磁體L充電；若T5、T6、T7、T8同時(shí)打開，磁體L的電流I保持不變，這與T5、T6、T7、T8的動(dòng)作的上半周相同，為IGBT T5、T6、T7、T8的動(dòng)作的下半周。通過調(diào)節(jié)IGBT T5和T8、T6和T7在半周內(nèi)的占空比，可調(diào)節(jié)磁體兩端的平均電壓，即靈活調(diào)節(jié)磁體的充電電壓。
開關(guān)S2閉合，開關(guān)S1打開時(shí)，對(duì)磁體L進(jìn)行放電。設(shè)磁體的電流I方向如圖2所示，IGBT T1、T2、T3、T4皆閉合，開關(guān)邏輯關(guān)系如下IGBT T5、T8閉合，T6、T7打開，此時(shí)打開IGBT T2、T3，磁體L放電。若IGBT T5、T6、T7、T8同時(shí)打開，磁體L的電流I保持不變，以上為IGBT T5、T6、T7、T8的動(dòng)作的上半周；當(dāng)IGBT T5、T8打開，T6、T7閉合，此時(shí)打開IGBT T1、T4，磁體L放電。若IGBT T5、T6、T7、T8同時(shí)打開，磁體L的電流I保持不變，這與IGBT T5、T6、T7、T8的動(dòng)作的上半周相同，為IGBT T5、T6、T7、T8的動(dòng)作的下半周。通過調(diào)節(jié)IGBT T5和T8、T6和T7在半周內(nèi)的占空比，可調(diào)節(jié)磁體兩端的平均電壓，即靈活調(diào)節(jié)磁體的放電電壓。
在一樣機(jī)中，樣機(jī)額定容量600W；直流側(cè)200V，3A；高頻變壓器變比為10/1，30kHz；變壓器副邊15V，40A；超導(dǎo)磁體200mH。電流單元側(cè)磁體兩端的充放電電壓都可在0～15V范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，直流側(cè)電容器僅為25μF，硬開關(guān)下裝置效率可達(dá)98％，并且重量?jī)H為0.9kg。
本發(fā)明既可以給磁體充電，又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)明開關(guān)頻率高，所需電容器的容量小，變壓器體積小。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，功率密度高，體積小。它不僅可以用于大型磁體的充電電源，其放電功能可以作為保護(hù)磁體的能量泄放部分或者將能量回饋到其它系統(tǒng)；還可以用于超導(dǎo)貯能的換流器。本發(fā)明不僅提高了磁體充放電系統(tǒng)的性能，而且能大大減少費(fèi)用降低成本。
權(quán)利要求
1.一種用于超導(dǎo)磁體充放電的電流調(diào)節(jié)器，其特征在于它由電壓?jiǎn)卧猍UV]、變壓器單元[UT]與電流單元[UI]三部分組成，電壓?jiǎn)卧猍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[UT]原邊相連，電流源換流器的交流輸出側(cè)與變壓器副邊相連。
2.按照權(quán)利要求1所述的用于超導(dǎo)磁體充放電的電流調(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?jiǎn)卧猍UV]為一直流側(cè)為電容器[C]與分別由絕緣門極雙極型晶體管IGBT[T3]和[T4]、[T5]和[T6]兩兩串聯(lián)組成的電壓源換流器的兩個(gè)橋臂并聯(lián)組成，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)，也即是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(gè)端子連接的絕緣門極雙極型晶體管IGBT[T1]和二極管[D11]、絕緣門極雙極型晶體管IGBT[T2]和二極管[D21]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所述的用于超導(dǎo)磁體充放電的電流調(diào)節(jié)器，其特征在于變壓器單元[UT]為原副邊皆帶抽頭的變壓器；電壓?jiǎn)卧猍UV]直流側(cè)電容器[C]的一端連接于變壓器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(gè)端子連接的絕緣門極雙極型晶體管IGBT[T3]、絕緣門極雙極型晶體管IGBT[T4]的另一側(cè)共同連接而成；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(gè)端子連接的絕緣門極雙極型晶體管IGBT[T1]和二極管[D11]、絕緣門極雙極型晶體管IGBT[T2]和二極管[D21]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。
4.按照權(quán)利要求1所述的用于超導(dǎo)磁體充放電的電流調(diào)節(jié)器，其特征在于變壓器單元[UT]為與電壓?jiǎn)卧噙B的原邊帶抽頭的變壓器；電壓?jiǎn)卧猍UV]直流側(cè)電容器[C]的一端連接于變壓器[T]原邊的中間抽頭，另一端由一側(cè)分別與變壓器[T]原邊的上下兩個(gè)端子連接的絕緣門極雙極型晶體管IGBT[T5]、絕緣門極雙極型晶體管IGBT[T6]的另一側(cè)共同連接而成；電流單元UI為一電流源換流器，它的直流側(cè)為超導(dǎo)磁體[L]與分別由絕緣門極雙極型晶體管IGBT[T1]及與其串聯(lián)的二極管[D11]和IGBT[T2]及與其串聯(lián)的二極管[D21]、IGBT[T3]及與其串聯(lián)的二極管[D31]和IGBT[T4]及與其串聯(lián)的二極管[D41]兩兩串聯(lián)組成的電流源換流器的兩個(gè)橋臂并聯(lián)組成，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)，也即是電流源換流器的交流輸出與變壓器[T]副邊相連；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[D[C]]、開關(guān)[S2]與負(fù)載[LOAD]相串聯(lián)組成的支路并聯(lián)連接。
5.按照權(quán)利要求1所述的用于超導(dǎo)磁體充放電的電流調(diào)節(jié)器，其特征在于電壓?jiǎn)卧猍UV]為一直流側(cè)為電容器[C]與分別由絕緣門極雙極型晶體管IGBT[T5]和[T6]、[T7]和[T8]兩兩串聯(lián)組成的的電壓源換流器的兩個(gè)橋臂并聯(lián)組成，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)，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)為超導(dǎo)磁體[L]與分別由絕緣門極雙極型晶體管IGBT[T1]及與其串聯(lián)的二極管[D11]和IGBT[T2]及與其串聯(lián)的二極管[D21]、IGBT[T3]及與其串聯(lián)的二極管[D31]和IGBT[T4]及與其串聯(lián)的二極管[D41]兩兩串聯(lián)組成的電流源換流器的兩個(gè)橋臂并聯(lián)組成，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)，即電流源換流器的交流輸出與變壓器[T]副邊相連；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。
6.按照權(quán)利要求1所述的用于超導(dǎo)磁體充放電的電流調(diào)節(jié)器，其電壓源變換器的直流側(cè)[DC]為可控整流橋，絕緣門極雙極型晶體管IGBT[T1]、[T2]、[T3]、[T4]、[T5]、[T6]、[T7]與[T8]亦可以是門極可關(guān)斷晶閘管GTO、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET、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)。
全文摘要
一種用于超導(dǎo)磁體充放電的電流調(diào)節(jié)器，屬于電工技術(shù)領(lǐng)域。它由電壓?jiǎn)卧?、變壓器單元與電流單元三部分組成，電壓?jiǎn)卧獮橐恢绷鱾?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，電壓源換流器的交流輸出側(cè)與變壓器原邊相連，電流源換流器的交流輸出側(cè)與變壓器副邊相連，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。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)。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，功率密度高，體積小，不僅提高了磁體充放電系統(tǒng)的性能，而且能大大減少成本。
文檔編號(hào)H02M3/28GK1567689SQ03137460
公開日2005年1月19日 申請(qǐng)日期2003年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月24日
發(fā)明者趙彩宏, 王曉剛, 肖立業(yè), 林良真 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所