專利名稱：一種超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體輸入輸出一體變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體的變流器。
背景技術(shù)：
近幾十年來(lái)，由于電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，低溫制冷技術(shù)的進(jìn)步以及中小規(guī)模超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體制造工藝的日趨成熟，使得人們對(duì)超導(dǎo)儲(chǔ)能(SMES)系統(tǒng)以及超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體的應(yīng)用研究投入了極大的熱情。在超導(dǎo)電力領(lǐng)域，微型超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體系統(tǒng)在國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商品化，廣泛用于改善電能質(zhì)量，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。超導(dǎo)儲(chǔ)能(SMES)磁體是將能量以電磁能的形式儲(chǔ)存在超導(dǎo)線圈中的一種快速、 高效的儲(chǔ)能裝置。與其他儲(chǔ)能裝置比較，SMES具有儲(chǔ)能大、轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)迅速、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、控制方便及使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體實(shí)際上是一個(gè)無(wú)電阻的大電感，其將電能轉(zhuǎn)化為電磁能儲(chǔ)存在電磁場(chǎng)中。超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體在蓄能時(shí)需要有充電電源為其充電，將外部的電能輸入到超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體中；當(dāng)超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體向外輸出能量時(shí)，超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體中的電流也隨之不斷衰減，輸出電壓也不斷發(fā)生變化，所以超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體需要配備輸出變流裝置以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的能量輸出；當(dāng)超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體不幸發(fā)生失超時(shí)需要有失超卸能裝置快速將超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體中儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)，以防止超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)化為熱能燒毀超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體。因此，傳統(tǒng)的超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)中一般都配備有充電電源、輸出變流器及失超卸能裝置。這些設(shè)備不但占地空間大， 而且成本昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體的充電輸入、變流輸出及失超卸能三種功能的一體變流器。本發(fā)明不但減少了超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體體積，而且節(jié)省了成本費(fèi)用。本發(fā)明的一體變流器包括由四個(gè)電力電子開關(guān)串并聯(lián)組成的全橋開關(guān)電路、卸能電阻、濾波電容和雙向斬波電路。四個(gè)電力電子開關(guān)兩兩串聯(lián)形成全橋開關(guān)電路的兩個(gè)橋臂，兩個(gè)橋臂上端的電力電子開關(guān)的發(fā)射極并聯(lián)形成全橋開關(guān)電路的正極，兩個(gè)橋臂下端的電力電子開關(guān)的基極并聯(lián)形成全橋開關(guān)電路的負(fù)極。全橋開關(guān)電路的兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)作為一體變流器的交流輸入或輸出端，全橋開關(guān)電路的正極和負(fù)極作為一體變流器的直流輸入或輸出端。全橋開關(guān)電路的正極同一個(gè)接觸器的常閉觸點(diǎn)連接，接觸器的常開觸點(diǎn)同卸能電阻的一端連接，接觸器的主觸點(diǎn)同濾波電容的一端連接，卸能電阻和濾波電容的另一端同時(shí)連接到全橋開關(guān)電路的負(fù)極上。雙向斬波電路由一個(gè)正向電力電子開關(guān)、一個(gè)正向二極管、一個(gè)逆向電力電子開關(guān)及一個(gè)逆向二極管組成。正向電力電子開關(guān)的發(fā)射極同逆向二極管的陽(yáng)極連接，逆向二極管的陰極同逆向電力電子開關(guān)的發(fā)射極連接，逆向電力電子的基極同正向二極管的陰極連接，正向二極管的陽(yáng)極連接到全橋開關(guān)電路的負(fù)極，而正向電力電子開關(guān)的基極連接到接觸器的主觸點(diǎn)上。超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體并聯(lián)在逆向電力電子開關(guān)和逆向二極管組成的支路兩端。本發(fā)明的一體變流器中所采用的電力電子開關(guān)可為絕緣柵雙級(jí)晶體管(IGBT)或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。當(dāng)超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體需要充電蓄能時(shí)，本發(fā)明的一體變流器作為充電電源向超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體輸入能量。此時(shí)，全橋開關(guān)電路中的四個(gè)電力電子開關(guān)全部導(dǎo)通形成全橋整流電路，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)作為輸入端連接到交流電源上，接觸器閉合常閉觸點(diǎn)，交流電經(jīng)過(guò)全橋開關(guān)電路的整流及濾波電容的濾波后變成恒壓直流電。雙向斬波電路中的逆向電力電子開關(guān)一直導(dǎo)通，再導(dǎo)通正向電力電子開關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)向超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體充電，如果控制正向電力電子開關(guān)的通斷占空比就可以控制向超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體充電的速度。當(dāng)超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體需要向外輸出能量時(shí)，本發(fā)明的一體變流器作為輸出變流器實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體的能量輸出。此時(shí)，全橋開關(guān)電路中的四個(gè)電力電子開關(guān)交替導(dǎo)通和關(guān)斷形成逆變橋電路，接觸器閉合常閉觸點(diǎn)，雙向斬波電路中的正向電力電子開關(guān)一直導(dǎo)通，關(guān)斷逆向電力電子開關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體向外輸出能量，超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體輸出電壓經(jīng)過(guò)濾波電容的濾波就可以得到一個(gè)恒壓直流輸出。如果控制逆向電力電子開關(guān)的通斷占空比就可以控制超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體輸出能量的速度，從而控制濾波電容兩端電壓的大小。全橋開關(guān)電路的正極和負(fù)極連接負(fù)載就可以實(shí)現(xiàn)恒壓直流輸出，全橋開關(guān)電路中兩個(gè)橋臂中點(diǎn)連接負(fù)載就可以實(shí)現(xiàn)交流輸出。當(dāng)超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體發(fā)生失超時(shí)，本發(fā)明的一體變流器作為卸能裝置實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體的能量快速釋放。此時(shí)，接觸器閉合常開觸點(diǎn)，全橋開關(guān)電路不工作，雙向斬波電路中的正向電力電子開關(guān)一直導(dǎo)通，關(guān)斷逆向電力電子開關(guān)的就可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體向卸能電阻卸放能量，通過(guò)控制逆向電力電子開關(guān)的通斷占空比就可以控制超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體向卸能電阻釋放能量的速度，從而保護(hù)超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體不被燒毀。


圖1是本發(fā)明的主電路原理圖，圖中1全橋開關(guān)電路，2雙向斬波電路，S1、S2、S3、 S4、S5、S6電力電子開關(guān)，K接觸器，R卸能電阻，C濾波電容，Dl、D2 二極管，L超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體，A全橋開關(guān)電路的正極，B全橋開關(guān)電路的負(fù)極，a、b全橋開關(guān)電路中兩橋臂中點(diǎn)，Pl接觸器主觸點(diǎn)，P2接觸器常閉觸點(diǎn)，P3接觸器常開觸點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。 如附圖所示，本發(fā)明的一體變流器包括全橋開關(guān)電路1、卸能電阻R、濾波電容C和雙向斬波電路2。全橋開關(guān)電路1由四個(gè)電力電子開關(guān)串并聯(lián)組成，其中第三電力電子開關(guān) S3和第五電力電子開關(guān)S5串聯(lián)形成全橋開關(guān)電路1的左橋臂，第四電力電子開關(guān)S4和第六電力電子開關(guān)S6串聯(lián)形成全橋開關(guān)電路1的右橋臂。所述的第三電力電子開關(guān)S3和第四電力電子開關(guān)S4的發(fā)射極并聯(lián)形成全橋開關(guān)電路1的正極，所述的第五電力電子開關(guān)S5 和第六電力電子開關(guān)S6的基極并聯(lián)形成全橋開關(guān)電路1的負(fù)極。全橋開關(guān)電路1左右兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)作為所述的一體變流器的交流輸入端或輸出端Uab，全橋開關(guān)電路1的正極和負(fù)極作為一體變流器的直流輸入端或輸出端UAB。全橋開關(guān)電路1的正極同接觸器K的常閉觸點(diǎn)P2連接，接觸器K的常開觸點(diǎn)P3同卸能電阻R的一端連接，接觸器K的主觸點(diǎn)Pl同濾波電容C的一端連接，卸能電阻R和濾波電容C的另一端同時(shí)連接到全橋開關(guān)電路1的負(fù)極。雙向斬波電路2由一個(gè)正向第一電力電子開關(guān)Si、一個(gè)正向第一二極管D1、一個(gè)逆向第二電力電子開關(guān)S2及一個(gè)逆向第二二極管D2組成。正向第一電力電子開關(guān)Sl的發(fā)射極同逆向第二二極管的陽(yáng)極D2連接，逆向第二二極管D2的陰極同逆向第二電力電子開關(guān)S2的發(fā)射極連接，逆向第二電力電子開關(guān)S2的基極同正向第一二極管Dl的陰極連接， 正向第一二極管Dl的陽(yáng)極連接到全橋開關(guān)電路1的負(fù)極，而正向第一電力電子開關(guān)Sl的基極連接到接觸器K的主觸點(diǎn)Pl上。超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L并聯(lián)在逆向第二電力電子開關(guān)S2和逆向第二二極管D2組成的支路兩端。本發(fā)明的一體變流器中所采用的電力電子開關(guān)可為絕緣柵雙級(jí)晶體管(IGBT)或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。本發(fā)明的一體變流器作為充電電源向超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L輸入能量時(shí)，全橋開關(guān)電路 1中的四個(gè)電力電子開關(guān)全部導(dǎo)通形成全橋整流電路，左右橋臂的中點(diǎn)作為輸入端連接到交流電源上，接觸器K閉合常閉觸點(diǎn)P2，交流電經(jīng)過(guò)全橋開關(guān)電路1的整流及濾波電容C的濾波后變成恒壓直流電。雙向斬波電路2中的逆向電力電子開關(guān)S2 —直導(dǎo)通，再導(dǎo)通正向電力電子開關(guān)Sl就可以實(shí)現(xiàn)向超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L充電，如果控制正向電力電子開關(guān)Sl的通斷占空比就可以控制向超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L充電的速度。本發(fā)明的一體變流器作為輸出變流器實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L的能量輸出時(shí)，全橋開關(guān)電路1中的四個(gè)電力電子開關(guān)交替導(dǎo)通和關(guān)斷形成逆變橋電路，接觸器K閉合常閉觸點(diǎn) P2，雙向斬波電路2中的正向電力電子開關(guān)Sl 一直導(dǎo)通，關(guān)斷逆向電力電子開關(guān)S2就可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L向外輸出能量，超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L輸出電壓經(jīng)過(guò)濾波電容C的濾波就可以得到一個(gè)恒壓直流輸出。如果控制逆向電力電子開關(guān)S2的通斷占空比就可以控制超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L輸出能量的速度，從而控制濾波電容C兩端電壓的大小。全橋開關(guān)電路1的正極和負(fù)極連接負(fù)載就可以實(shí)現(xiàn)恒壓直流輸出，全橋開關(guān)電路1中左右橋臂中點(diǎn)連接負(fù)載就可以實(shí)現(xiàn)交流輸出。本發(fā)明的一體變流器作為失超卸能裝置實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L的能量快速釋放時(shí)， 接觸器K閉合常開觸點(diǎn)P3，全橋開關(guān)電路1不工作，雙向斬波電路2中的正向電力電子開關(guān)Sl —直導(dǎo)通，關(guān)斷逆向電力電子開關(guān)S2的就可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L向卸能電阻R卸放能量，通過(guò)控制逆向電力電子開關(guān)S2的通斷占空比就可以控制超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L向卸能電阻R釋放能量的速度，從而保護(hù)超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L不被燒毀。
權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體輸入輸出一體變流器，其特征是，所述的一體變流器由全橋開關(guān)電路(1)、卸能電阻R、濾波電容C和雙向斬波電路⑵組成；全橋開關(guān)電路⑴的正極同一個(gè)接觸器K的常閉觸點(diǎn)P2連接，接觸器K的常開觸點(diǎn)P3同卸能電阻R的一端連接，接觸器 K的主觸點(diǎn)Pl同濾波電容C的一端連接，卸能電阻R和濾波電容C的另一端同時(shí)連接到全橋開關(guān)電路⑴的負(fù)極；雙向斬波電路⑵中的正向第一二極管(Dl)的陽(yáng)極連接到全橋開關(guān)電路(1)的負(fù)極，正向第一電力電子開關(guān)(Si)的基極連接到接觸器K的主觸點(diǎn)Pl上； 超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L并聯(lián)在逆向第二電力電子開關(guān)(S2)和逆向第二二極管(D2)組成的支路兩端。
2.按照權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體輸入輸出一體變流器，其特征在于所述的全橋開關(guān)電路⑴由四個(gè)電力電子開關(guān)串并聯(lián)組成，其中第三電力電子開關(guān)(S3)和第五電力電子開關(guān)(S5)串聯(lián)形成全橋開關(guān)電路(1)的左橋臂，第四電力電子開關(guān)(S4)和第六電力電子開關(guān)(S6)串聯(lián)形成全橋開關(guān)電路(1)的右橋臂；所述的第三電力電子開關(guān)(S3)和第四電力電子開關(guān)(S4)的發(fā)射極并聯(lián)形成全橋開關(guān)電路(1)的正極，所述的第五電力電子開關(guān) (S5)和第六電力電子開關(guān)(S6)的基極并聯(lián)形成全橋開關(guān)電路(1)的負(fù)極；全橋開關(guān)電路 (1)左右兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)作為所述的一體變流器的交流輸入端或輸出端Uab，全橋開關(guān)電路 (1)的正極和負(fù)極作為所述的一體變流器的直流輸入端或輸出端Uab ；所述的雙向斬波電路 ⑵由正向第一電力電子開關(guān)(Si)、正向第一二極管(Dl)、逆向第二電力電子開關(guān)(S2)及逆向第二二極管(D2)組成；正向第一電力電子開關(guān)(Si)的發(fā)射極同逆向第二二極管的陽(yáng)極(D2)連接，逆向第二二極管(D2)的陰極同逆向第二電力電子開關(guān)(S2)的發(fā)射極連接， 逆向第二電力電子開關(guān)(S2)的基極同正向第一二極管(Dl)的陰極連接。
3.按照權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體輸入輸出一體變流器，其特征在于，一體變流器作為充電電源向超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L輸入能量時(shí)，全橋開關(guān)電路(1)中的四個(gè)電力電子開關(guān)全部導(dǎo)通形成全橋整流電路，左右橋臂的中點(diǎn)作為輸入端連接到交流電源上，接觸器K閉合常閉觸點(diǎn)P2，交流電經(jīng)過(guò)全橋開關(guān)電路(1)的整流及濾波電容C的濾波后變成恒壓直流電；雙向斬波電路(2)中的逆向電力電子開關(guān)S2 —直導(dǎo)通，再導(dǎo)通正向電力電子開關(guān)Sl就可以實(shí)現(xiàn)向超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L充電，如果控制正向電力電子開關(guān)Sl的通斷占空比就可以控制向超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L充電的速度。
4.按照權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體輸入輸出一體變流器，其特征在于，一體變流器作為輸出變流器實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L向外輸出能量時(shí)，全橋開關(guān)電路(1)中的四個(gè)電力電子開關(guān)交替導(dǎo)通和關(guān)斷形成逆變橋電路，接觸器K閉合常閉觸點(diǎn)P2，雙向斬波電路(2)中的正向電力電子開關(guān)Sl 一直導(dǎo)通，關(guān)斷逆向電力電子開關(guān)S2就可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L 向外輸出能量，超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L輸出電壓經(jīng)過(guò)濾波電容C的濾波就可以得到一個(gè)恒壓直流輸出；如果控制逆向電力電子開關(guān)S2的通斷占空比就可以控制超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L輸出能量的速度，從而控制濾波電容C兩端電壓的大?。蝗珮蜷_關(guān)電路(1)的正極和負(fù)極連接負(fù)載就可以實(shí)現(xiàn)恒壓直流輸出，全橋開關(guān)電路(1)中左右橋臂中點(diǎn)連接負(fù)載就可以實(shí)現(xiàn)交流輸出。
5.按照權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體輸入輸出一體變流器，其特征在于，一體變流器作為失超卸能裝置實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L的能量快速釋放時(shí)，接觸器K閉合常開觸點(diǎn)P3，全橋開關(guān)電路(1)不工作，雙向斬波電路(2)中的正向電力電子開關(guān)Sl—直導(dǎo)通，關(guān)斷逆向電力電子開關(guān)S2的就可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L向卸能電阻R卸放能量，通過(guò)控制逆向電力電子開關(guān)S2的通斷占空比就可以控制超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L向卸能電阻R釋放能量的速度。
全文摘要
一種超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體輸入輸出一體變流器，能夠?qū)崿F(xiàn)超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L的充電輸入、變流輸出及失超卸能三種功能，包括全橋開關(guān)電路(1)、卸能電阻R、濾波電容C和雙向斬波電路(2)。全橋開關(guān)電路(1)的正極同接觸器K的常閉觸點(diǎn)P2連接，接觸器K的常開觸點(diǎn)P3同卸能電阻R的一端連接，接觸器K的主觸點(diǎn)P1同濾波電容C的一端連接。雙向斬波電路(2)并聯(lián)在濾波電容C兩端，雙向斬波電路(2)由正向電力電子開關(guān)S1、正向二極管D1、逆向電力電子開關(guān)S2及逆向二極管D2串聯(lián)組成。超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體L并聯(lián)在逆向電力電子開關(guān)S2和逆向二極管D2組成的支路兩端。
文檔編號(hào)H02J15/00GK102222983SQ20111016009
公開日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月15日
發(fā)明者戴銀明, 王秋良, 陳順中 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所