專利名稱：一種不對(duì)稱式電流調(diào)節(jié)器及其控制方法
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)器及其控制方法，特別涉及不對(duì)稱式電流調(diào)節(jié)器及其控制方法。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)具有的零電阻以及強(qiáng)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(shí)驗(yàn)中用于產(chǎn)生強(qiáng)磁場的大型超導(dǎo)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，這些都是超導(dǎo)磁體充放電的基本要求，特別是在商用的微型超導(dǎo)貯能上要求更為迫切。
目前現(xiàn)有技術(shù)常用的方案，都是采用充放電設(shè)備各一套，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(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(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
為克服已有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種用于超導(dǎo)磁體充放電的電流調(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。電壓單元為多個(gè)直流側(cè)為電容器的電壓源換流器，電流單元為一個(gè)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)與分立變壓器原邊相連，電流源換流器的交流輸出側(cè)與串聯(lián)變壓器副邊的兩端相連，其中變壓器單元由多個(gè)變壓器串聯(lián)而成，變壓器的數(shù)量等于電壓源換流器的數(shù)量。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(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。本發(fā)明中由于有多個(gè)電壓源換流器，所以電壓單元可以接入級(jí)聯(lián)型逆變器，這樣既可以減少單個(gè)電壓源換流器的容量，又可以從整體上提高充放電的功率。由于只接入一個(gè)超導(dǎo)磁體，所以電流源換流器的數(shù)量可以只用一個(gè)，這樣可以減少開關(guān)管的數(shù)量，從而減少器件成本。同電壓單元只用一個(gè)電壓源換流器的電流調(diào)節(jié)器相比，由于采用了多個(gè)電壓源換流器，所以可以大大提高充放電的功率。而同采用單個(gè)電流調(diào)節(jié)器模塊進(jìn)行串聯(lián)的結(jié)構(gòu)相比，本電流調(diào)節(jié)器只需用一個(gè)電流源換流器，從而可以在確保性能的前提下大大降低成本。
本發(fā)明電壓單元采用全橋移相控制方式，而電流單元通過電壓單元提供的輔助電勢，在電流換相時(shí)實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。移相控制是使橋上下臂的脈沖相位互補(bǔ)，而橋?qū)蔷€臂的脈沖時(shí)序不同相，通過調(diào)節(jié)橋?qū)蔷€臂脈沖的超前或滯后時(shí)間，來改變逆變器輸出電壓的脈寬的控制方式。而輔助電勢的原理是實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷的關(guān)鍵。所謂的輔助電勢，就是在電流源換流器的兩支路的開關(guān)管在換相的時(shí)刻，先給要開通支路的開關(guān)管觸發(fā)信號(hào)，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；而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，從而實(shí)現(xiàn)了零電流的關(guān)斷。由于只有一個(gè)電流源換流器，而對(duì)應(yīng)多個(gè)電壓源換流器，所以，在這種不對(duì)稱電流調(diào)節(jié)器移相控制的方法中，需要各個(gè)電壓源換流器的超前橋臂和滯后橋臂的脈沖相互協(xié)調(diào)，從而提高工作效率。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單緊湊，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。由于實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷，還大大減少了開關(guān)損耗，提高了效率，并延長了開關(guān)管的壽命。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)美國專利US2002/0030952的原理圖；圖2是本發(fā)明的主線路圖。圖中UI為電流單元，UT變壓器單元，UV電壓單元，S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、Sn5、Sn6、Sn7、Sn8、Sn9和Sn10為開關(guān)，DC1，DCn為直流電源，LOAD1和LOADn為負(fù)載，C1和Cn為電容器，TR1和TRn為普通變壓器，o表示變壓器同名端，L為超導(dǎo)磁體；圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式
之2個(gè)電壓源變流器和1個(gè)電流源變流器的主電路原理示意圖，圖中UI為電流單元，UT變壓器單元，UV電壓單元，S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15和S16為開關(guān)，DC1，DC2為直流電源，LOAD1和LOAD2為負(fù)載，C1和C2為電容器，TR1和TR2為普通變壓器，o表示變壓器同名端，L為超導(dǎo)磁體；圖4為本發(fā)明的具體實(shí)施例1，其中D1、D2、D3、D4為二極管，T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11和T12為IGBT，DC1，DC2為直流電源，LOAD1和LOAD2為負(fù)載，C1和C2為電容器，S13、S14、S15和S16為開關(guān)，TR1和TR2為普通變壓器，o表示變壓器同名端，L為超導(dǎo)磁體；圖5為本發(fā)明實(shí)施例1之移相充電控制方式的原理圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例1之移相放電控制方式的原理圖；圖7為本發(fā)明的實(shí)施例2，其中G1、G2、G3、G4為晶閘管，T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11和T12為IGBT，DC1，DC2為直流電源，LOAD1和LOAD2為負(fù)載，C1和C2為電容器，S13、S14、S15和S16為開關(guān)，TR1和TR2為普通變壓器，o表示變壓器同名端，L為超導(dǎo)磁體；圖8為本發(fā)明實(shí)施例2之移相充電控制方式的原理圖；圖9為本發(fā)明實(shí)施例2之移相放電控制方式的原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(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。它由電壓單元UV、變壓器單元UT與電流單元UI三部分組成。變壓器單元UT由多個(gè)變壓器TR1、TR2……TRn副邊串聯(lián)在一起而成。電流源換流器CSC由兩個(gè)橋臂并聯(lián)組成。開關(guān)S1和S3構(gòu)成其中一個(gè)橋臂，開關(guān)S2和S4構(gòu)成其中另外一個(gè)橋臂。兩個(gè)橋臂的兩端構(gòu)成其直流輸出端，與超導(dǎo)磁體L相連；兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)構(gòu)成其交流輸出端，與副邊相互串聯(lián)的變壓器TR1、TR2……TRn的兩個(gè)端口相連。電壓源換流器VSC1也由兩個(gè)橋臂并聯(lián)組成。開關(guān)S5和S7構(gòu)成其中一個(gè)橋臂，開關(guān)S6和S8構(gòu)成其中另外一個(gè)橋臂。兩個(gè)橋臂的兩端構(gòu)成其直流輸出端，與電容器C1相連，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)構(gòu)成其交流輸出端，與變壓器TR1的兩端相連。電壓源換流器VSC1直流側(cè)并聯(lián)的電容器C1與分別由開關(guān)S9和直流電源DC1、開關(guān)S10與負(fù)載LOAD1相串聯(lián)組成的支路并聯(lián)連接。其它變壓器TR2……TRn、電壓源換流器VSC1……VSCn的構(gòu)造和連接方式與上述的方法相同。
本發(fā)明具體實(shí)施方式
之2個(gè)電壓源變流器和1個(gè)電流源變流器的主電路原理示意圖如圖3所示。它由電壓單元UV、變壓器單元UT與電流單元UI三部分組成。變壓器單元UT由變壓器TR1、TR2副邊串聯(lián)在一起而成。電流源換流器CSC由兩個(gè)橋臂并聯(lián)組成。開關(guān)S1和S3構(gòu)成其中一個(gè)橋臂，開關(guān)S2和S4構(gòu)成其中另外一個(gè)橋臂。兩個(gè)橋臂的兩端構(gòu)成其直流輸出端，與超導(dǎo)磁體L相連；兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)構(gòu)成其交流輸出端，與副邊相互串聯(lián)的變壓器TR1、TR2的兩個(gè)端口相連。電壓源換流器VSC1也由兩個(gè)橋臂并聯(lián)組成。開關(guān)S5和S7構(gòu)成其中一個(gè)橋臂，開關(guān)S6和S8構(gòu)成其中另外一個(gè)橋臂。兩個(gè)橋臂的兩端構(gòu)成其直流輸出端，與電容器C1相連，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)構(gòu)成其交流輸出端，與變壓器TR1的兩端相連。電壓源換流器VSC1直流側(cè)并聯(lián)的電容器C1與分別由開關(guān)S9和直流電源DC1、開關(guān)S10與負(fù)載LOAD1相串聯(lián)組成的支路并聯(lián)連接。變壓器TR2、電壓源換流器VSC2的構(gòu)造和連接方式與上述的方法相同。
根據(jù)圖3說明本發(fā)明電流調(diào)節(jié)器的工作過程如下。
電壓源換流器VSC1的工作過程開關(guān)S13閉合，開關(guān)S14打開時(shí)，即電壓源換流器VSC1與直流電源DC1相連，對(duì)磁體L進(jìn)行充電。S5和S7導(dǎo)通角相差180°，中間相隔一小段死區(qū)。S8和S5也相差180°，中間相隔一小段死區(qū)。S5和S7為超前橋臂，S8和S6為滯后橋臂。當(dāng)分別將組成電壓換流器的開關(guān)S5與S8、S6與S7交替開斷時(shí)，電壓換流器的交流輸出側(cè)，即是變壓器TR1的原邊輸出為交流方波，變壓器的副邊輸出也為交流方波，此時(shí)電流換流器的開關(guān)S1、S2、S3、S4下作于整流狀態(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VSC1的開關(guān)S5與S8、S6與S7的占空比來調(diào)節(jié)。邏輯關(guān)系如下開關(guān)S5與S8閉合，S6與S7打開，變壓器TR1的原邊輸出為電容器C1的電壓，為正電壓，此時(shí)閉合開關(guān)S2、S3，L變壓器副邊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。若打開S5，閉合S7，則變壓器T原邊電流通過S7、S8續(xù)流，變壓器TR1的原邊輸出電壓為零，變壓器副邊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，以上為開關(guān)S5與S8、S6與S7的動(dòng)作的上半周；接上半周，閉合S6，打開S8，變壓器TR1的原邊輸出為電容器C1的反向電壓，為負(fù)電壓，此時(shí)閉合開關(guān)S1、S4，變壓器副邊兩端輸出為變壓器TR1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，磁體兩端電壓與變壓器TR1副邊的兩端方向相反，大小相等其值依然為正。變壓器變壓后的電容器C1的電壓與變壓器變比的商，與開關(guān)S5與S8、S6與S7的動(dòng)作的上半周相同，給磁體L充電；若打開S7，閉合S5，則變壓器T原邊電流通過S5、S6續(xù)流，變壓器TR1的原邊輸出電壓為零，副邊兩端的電壓也因此變?yōu)榱?，從而使磁體兩端電壓為零，磁體L的電流I保持不變，這與S5與S8、S6與S7的動(dòng)作的上半周相似，為開關(guān)S5與S6、S7與S8的動(dòng)作的下半周。通過調(diào)節(jié)開關(guān)S5與S7和S6與S8的相對(duì)相移，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。電壓源換流器VSC2與電壓源換流器VSC1完全相同，由于共用一個(gè)電流源換流器，所以需要協(xié)調(diào)這些電壓源換流器的動(dòng)作，可以使這些電壓源換流器的滯后橋臂的動(dòng)作完全相同，通過調(diào)整超前橋臂與滯后橋臂的相對(duì)位移來靈活控制每個(gè)電壓源換流器的充電功率。
開關(guān)S14閉合，開關(guān)S13打開時(shí)，電流調(diào)節(jié)器VSC1與負(fù)載LOAD1相連，對(duì)磁體L進(jìn)行放電。開關(guān)邏輯關(guān)系如下S2、S3和S1、S4閉合，超導(dǎo)磁體電流通過S2、S3和S1、S4續(xù)流，既不充電，也不放電。開關(guān)S5和S8閉合，S6和S7打開，變壓器TR1的原邊輸出為電容器C1的正向電壓，為正電壓，副邊兩端輸出為變壓器TR1變壓后的正值電壓，變壓器副邊的電壓方向與流過S1、S4的電流方向相反，從而使流過S1、S4的電流減少；而與流過S2、S3的電流方向相同，從而使流過S2、S3的電流增加。當(dāng)流經(jīng)S1、S4的電流降為零，打開S1、S4，從而實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷，然后再使開關(guān)S5打開，S7閉合，則變壓器TR1原邊電流通過S7、S8續(xù)流，原邊輸出電壓為零，副邊兩端的電壓也因此變?yōu)榱?，從而使磁體兩端電壓為零，磁體L的電流I保持不變。然后再使S6閉合，S8打開，變壓器TR1的原邊輸出為電容器C1的反向電壓，為負(fù)電壓，副邊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)，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。以上為開關(guān)S2與S3、S1與S4、S5與S8和S6與S7的動(dòng)作的上半周；接上半周，閉合開關(guān)S1、S4，變壓器TR1的原邊輸出為電容器C1的反向電壓，為負(fù)電壓，副邊兩端輸出為變壓器變壓后的負(fù)值電壓，副邊的電壓方向與流過S1、S4的電流方向相同，從而使流過S1、S4的電流增加；副邊的電壓與流過S2、S3的電流相反，從而使流過S2、S3的電流減少。當(dāng)流經(jīng)S2、S3的電流降為零，打開S2、S3，從而實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷。然后閉合S5，打開S7，則變壓器TR1原邊電流通過S5、S6續(xù)流，變壓器TR1的原邊輸出電壓為零，副邊兩端的電壓也因此變?yōu)榱?，從而使磁體兩端電壓為零，磁體L的電流I保持不變。然后再使S6打開，S8閉合，變壓器TR1的原邊輸出為電容器C1的正向電壓，為正電壓，副邊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C1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。以上為開關(guān)S2與S3、S1與S4、S5與S8和S6與S7的動(dòng)作的下半周。通過調(diào)節(jié)開關(guān)開關(guān)S2與S3、S1與S4、S5與S8和S6與S7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。電壓源換流器2的開關(guān)動(dòng)作原理與電壓源換流器1完全相同，但是由于共用一個(gè)電流源換流器，同時(shí)為了提高換相的速率，可以使超前橋臂的開關(guān)動(dòng)作完全相同，從而使它們?cè)趽Q相時(shí)，都提供的輔助電勢來實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，而通過改變超前橋臂和滯后橋臂的相對(duì)位移，來控制各個(gè)電壓源換流器的放電功率。
圖4為本發(fā)明的實(shí)施例1的電原理圖。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為兩個(gè)獨(dú)立的變壓器TR1、TR2串聯(lián)而成。電壓單元UV為兩個(gè)獨(dú)立的電壓源換流器VSC1、VSC2。電壓源換流器VSC1由兩個(gè)橋臂并聯(lián)組成。絕緣門極雙極型晶體管IGBT T5和T7構(gòu)成其中一個(gè)橋臂，T6和T8構(gòu)成其中另外一個(gè)橋臂。兩個(gè)橋臂的兩端構(gòu)成其直流輸出端，與電容器C1并聯(lián)，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)構(gòu)成其交流輸出端，與變壓器TR1的兩端相連。電壓源換流器VSC1直流側(cè)并聯(lián)的電容器C1與分別由開關(guān)S9和直流電源DC1、開關(guān)S10與負(fù)載LOAD1相串聯(lián)組成的支路并聯(lián)連接。電壓源換流器VSC2的構(gòu)造和電壓源換流器VSC1完全相同；電流單元UI為一電流源換流器CSC，它也由兩個(gè)橋臂構(gòu)成。絕緣門極雙極型晶體管(IGBT)T1和二極管D1、IGBT T3和二極管D3構(gòu)成其中一個(gè)橋臂，IGBT T3和二極管D3、IGBT T4和二級(jí)管D4構(gòu)成其中另外一個(gè)橋臂。兩對(duì)橋臂的中點(diǎn)構(gòu)成其交流輸出端，兩個(gè)橋臂的兩端構(gòu)成其直流輸出端。電流源換流器CSC的中點(diǎn)，即電流源換流器的交流輸出端與串聯(lián)變壓器TR1、TR2兩端相連。電流源換流器CSC的直流輸出端與超導(dǎo)磁體L并聯(lián)。絕緣門極雙極型晶體管IGBT T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11和T12亦可以是門極可關(guān)斷晶閘管GTO、電力場效應(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TR1、TR2可為常規(guī)變壓器或者超導(dǎo)變壓器，開關(guān)S13、S14、S15、S16可以是固態(tài)開關(guān)或者電氣開關(guān)。
圖5是本發(fā)明實(shí)例1充電控制方式原理圖，下面就此原理圖來說明開關(guān)器件的動(dòng)作邏輯關(guān)系。開關(guān)器件的動(dòng)作邏輯關(guān)系如下開關(guān)S13、S15閉合，開關(guān)S14、S16打開時(shí)，對(duì)磁體L進(jìn)行充電。IGBT T1、T2、T3、T4在充電時(shí)恒閉合，通過D1、D2、D3、D4進(jìn)行整流。IGBT T5和T7相差180°，中間相隔一小段死區(qū)。IGBT T8和T5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。對(duì)于電壓源換流器VSC1，若IGBTT5與T8閉合，T6與T7打開，變壓器TR1的原邊繞組輸出為電容器C1的電壓，為正電壓，變壓器TR1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(shí)間后，若T5打開，T7閉合，T6，T8的狀態(tài)不變，則變壓器TR1原邊電流通過T8與T7的反并聯(lián)二極管續(xù)流，變壓器TR1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)磁體既不充電也不放電。電壓源換流器VSC2的控制方式與1完全相同，并且可以獨(dú)立控制。以上為IGBT T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T12的動(dòng)作上半周；接上半周的時(shí)序，打開T8，閉合T6，此時(shí)T6、T7閉合，T5、T8打開，變壓器TR1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，磁體兩端電壓與TR1副邊兩端的電壓方向相反，大小相等其值依然為正的。給磁體L充電。充電一段時(shí)間后，若T7打開，T5閉合，T6，T8的狀態(tài)不變，則變壓器原邊電流通過T6與T5的反并聯(lián)二極管續(xù)流，變壓器TR1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)磁體既不充電也不放電。電壓源換流器VSC2的控制方式與1完全相同，并且可以獨(dú)立控制。
圖6是本發(fā)明實(shí)例1放電控制方式原理圖，下面就此原理圖來說明開關(guān)器件的動(dòng)作邏輯關(guān)系。開關(guān)器件的動(dòng)作邏輯關(guān)系如下開關(guān)S14、S16閉合，開關(guān)S13、S15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3所示，對(duì)于電壓源換流器VSC1，若IGBT T5與T8閉合，T6與T7打開，變壓器TR1的原邊輸出為電容器C1的電壓，為正電壓，此時(shí)T1、T4閉合，T2、T3打開，TR1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C1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。放電一段時(shí)間后，打開T2、T3，由于變壓器TR1副邊輸出為正電壓，此電壓使流過T2、T3的電流增加，T1、T4的電流減少，當(dāng)T1、T4的電流減少到零后，打開T1、T4從而實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷，關(guān)斷后打開T5，閉合T7，變壓器原邊電流通過T8和T7的反并聯(lián)二極管續(xù)流，變壓器TR1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)磁體既不充電也不放電。電壓源換流器VSC2的控制方式與VSC1完全相同，其放電的有效時(shí)間可以不同但需要注意的是，在電流換相的時(shí)刻，T5和T9打開的時(shí)刻必須大體相等，這樣有利于加快換相的速度和保證零電流換相的順利完成。以上為IGBT T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T12的動(dòng)作的上半周；接上半周的時(shí)序，續(xù)流一段時(shí)間后，閉合T6，打開T8，變壓器TR1的原邊輸出為電容器C1的反向電壓，為負(fù)電壓，變壓器TR1副邊的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，電壓方向與同名端決定的方向相反，也與磁體的電流I方向相反，磁體L放電。此后，開通T1、T4，變壓器TR1副邊的兩端輸出的負(fù)值電壓使流過T1、T4的電流增加，T2、T3的電流減少，當(dāng)T2、T3的電流完全減少到零時(shí)，關(guān)斷T2、T3，從而實(shí)現(xiàn)了零電流的關(guān)斷，關(guān)斷后打開T7，閉合T5，變壓器原邊電流通過T6和T5的反并聯(lián)二極管續(xù)流，變壓器TR1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)磁體既不充電也不放電。電壓源換流器VSC2的控制方式與1完全相同，其放電的有效時(shí)間可以不同但需要注意的是，在電流換相的時(shí)刻，T7和T11打開的時(shí)刻必須大體相等，這樣有利于加快換相的速度和保證零電流換相的順利完成。以上為IGBTT5、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T12的動(dòng)作的下半周。
圖7為本發(fā)明的實(shí)施例2。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為兩個(gè)獨(dú)立的變壓器TR1、TR2串聯(lián)而成。電壓單元UV為兩個(gè)獨(dú)立的電壓源換流器VSC1、VSC2。電流源換流器CSC由兩個(gè)橋臂并聯(lián)組成。晶閘管G1和G3構(gòu)成其中一個(gè)橋臂，晶閘管G2和G4構(gòu)成其中另外一個(gè)橋臂。兩個(gè)橋臂的兩端構(gòu)成其直流輸出端，與超導(dǎo)磁體L相連；兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)構(gòu)成其交流輸出端，與副邊相互串聯(lián)的變壓器TR1、TR2的兩個(gè)端口相連。電壓源換流器VSC1也由兩個(gè)橋臂并聯(lián)組成。絕緣門極雙極型晶體管IGBT T5和T7構(gòu)成其中一個(gè)橋臂，IGBT T6和T8構(gòu)成其中另外一個(gè)橋臂。兩個(gè)橋臂的兩端構(gòu)成其直流輸出端，與電容器C1相連，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)構(gòu)成其交流輸出端，與變壓器TR1的兩端相連。電壓源換流器VSC1直流側(cè)并聯(lián)的電容器C1與分別由開關(guān)S9和直流電源DC1、開關(guān)S10與負(fù)載LOAD1相串聯(lián)組成的支路并聯(lián)連接。其中直流側(cè)DC1為可控整流橋，電壓源換流器2的結(jié)構(gòu)與電壓源換流器1完全相同。絕緣門極雙極型晶體管IGBT T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11和T12亦可以是門極可關(guān)斷晶閘管GTO、電力場效應(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TR1、TR2可為常規(guī)變壓器或者超導(dǎo)變壓器，開關(guān)S13、S14、S15、S16可以是固態(tài)開關(guān)或者電氣開關(guān)。
圖8是本發(fā)明實(shí)例2充電控制方式原理圖，其原理圖與圖4基本相同，所不同的是在上半周，T5與T8、T9與T12同時(shí)閉合之前，必須給G2、G3觸發(fā)脈沖，并在T5、T8閉合之后保持一段時(shí)間，以保證G2、G3能導(dǎo)通；在下半周，T6與T7、T10與T11同時(shí)閉合之前，必須給G1、G4觸發(fā)脈沖，并在T5、T8閉合之后保持一段時(shí)間，以保證G1、G4能導(dǎo)通。
圖9是本發(fā)明實(shí)例2放電控制方式原理圖，其原理與圖5基本相同，所不同的是在上半周，在T5、T9關(guān)斷之前，必須給G2、G3足夠?qū)挼挠|發(fā)脈沖，以保證G2、G3導(dǎo)通，并使G1、G4關(guān)斷；在下半周，在T7、T11關(guān)斷之前，必須給G1、G4足夠?qū)挼挠|發(fā)脈沖，以保證G1、G4導(dǎo)通，并使G2、G3關(guān)斷。
權(quán)利要求
1.一種不對(duì)稱式電流調(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；變壓器單元[UT]由多個(gè)變壓器[TR1、TR2……TRn]副邊串聯(lián)在一起構(gòu)成，變壓器的數(shù)量等于電壓源換流器的數(shù)量；電流源換流器[CSC]由兩個(gè)橋臂并聯(lián)組成，開關(guān)[S1和S3]構(gòu)成其中一個(gè)橋臂，開關(guān)[S2和S4]構(gòu)成其中另一個(gè)橋臂，兩個(gè)橋臂的兩端構(gòu)成其直流輸出端，與超導(dǎo)磁體[L]相連，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)構(gòu)成其交流輸出端，與副邊相互串聯(lián)的變壓器[TR1、TR2……TRn]的兩個(gè)端口相連；電壓源換流器[VSC1]亦由兩個(gè)橋臂并聯(lián)組成，開關(guān)[S5和S7]構(gòu)成其中一個(gè)橋臂，開關(guān)[S6和S8]構(gòu)成其中另外一個(gè)橋臂，兩個(gè)橋臂的兩端構(gòu)成其直流輸出端，與電容器[C1]相連，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)構(gòu)成其交流輸出端，與變壓器[TR1]的兩端相連；電壓源換流器[VSC1]直流側(cè)并聯(lián)的電容器[C1]與分別由開關(guān)[S9]和直流電源[DC1]、開關(guān)[S10]與負(fù)載[LOAD1]相串聯(lián)組成的支路并聯(lián)連接；其它變壓器[TR2……TRn]、電壓源換流器[VSC1……VSCn]的構(gòu)造和連接方式與上述的方法相同。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種不對(duì)稱式電流調(diào)節(jié)器，其特征在于所述的變壓器單元[UT]可為兩個(gè)獨(dú)立的變壓器[TR1、TR2]串聯(lián)而成；電壓單元[UV]可為兩個(gè)獨(dú)立的電壓源換流器[VSC1、VSC2]；電壓源換流器[VSC1]的一個(gè)橋臂由絕緣門極雙極型晶體管IGBT[T5和T7]構(gòu)成，[T6和T8]構(gòu)成另一個(gè)橋臂，并聯(lián)的兩個(gè)橋臂的兩端構(gòu)成電壓源換流器[VSC1]的直流輸出端，與電容器[C1]并聯(lián)，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)構(gòu)成其交流輸出端，與變壓器[TR1]的兩端相連；電壓源換流器[VSC1]直流側(cè)并聯(lián)的電容器[C1]與分別由開關(guān)[S9]和直流電源[DC1]、開關(guān)[S10]與負(fù)載[LOAD1]相串聯(lián)組成的支路并聯(lián)連接；電壓源換流器[VSC2]的構(gòu)造和電壓源換流器[VSC]1完全相同；電流單元[UI]為一電流源換流器[CSC]，絕緣門極雙極型晶體管IGBT[T1]和二極管[D1]、IGBT[T3]和二極管[D3]構(gòu)成其中一個(gè)橋臂，IGBT[T3]和二極管[D3]、IGBT[T4]和二級(jí)管D4構(gòu)成其中另外一個(gè)橋臂，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)構(gòu)成其交流輸出端，兩個(gè)橋臂的兩端構(gòu)成其直流輸出端；電流源換流器[CSC]的中點(diǎn)，即電流源換流器的交流輸出端與串聯(lián)變壓器[TR1、TR2]兩端相連；電流源換流器[CSC]的直流輸出端與超導(dǎo)磁體[L]并聯(lián)。
3.按照權(quán)利要求2所述的一種不對(duì)稱式電流調(diào)節(jié)器，其特征在于所述的電流源換流器[CSC]的兩個(gè)橋臂亦可分別由晶閘管[G1和G3]和晶閘管[G2和G4]構(gòu)成。
4.按照權(quán)利要求2或3所述的一種不對(duì)稱式電流調(diào)節(jié)器，其特征在于所述的絕緣門極雙極型晶體管IGBT[T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11和T12]亦可以是門極可關(guān)斷晶閘管GTO、電力場效應(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[TR1、TR2]可為常規(guī)變壓器或者超導(dǎo)變壓器，開關(guān)[S13、S14、S15、S16]可以是固態(tài)開關(guān)或者電氣開關(guān)。
5.權(quán)利要求1所述的一種不對(duì)稱式電流調(diào)節(jié)器的控制方法，其特征在于所述的電壓單元[UV]采用移相控制方式，使橋上下臂的脈沖相位互補(bǔ)，而橋?qū)蔷€臂的脈沖時(shí)序不同相，通過調(diào)節(jié)橋?qū)蔷€臂脈沖的超前或滯后時(shí)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(shí)刻，先給要開通支路的開關(guān)管觸發(fā)信號(hào)，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。
全文摘要
一種用于超導(dǎo)磁體充放電的電流調(diào)節(jié)器，由電壓單元[U
文檔編號(hào)H02M3/24GK1874126SQ20051001183
公開日2006年12月6日 申請(qǐng)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(yùn)佳 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電工研究所