專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器的脈沖功率電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域中的脈沖電流發(fā)生裝置，特別涉及一種基于超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器的脈沖功率電源。
背景技術(shù)：
脈沖功率技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)30年代，是一種研究能量?jī)?chǔ)存、壓縮、轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)募夹g(shù)，它首先把能量緩慢地儲(chǔ)存起來(lái)，再進(jìn)行形態(tài)變換、壓縮和調(diào)節(jié)，最后在極短的時(shí)間內(nèi)將能量快速釋放給負(fù)載，從而得到各種高幅值、大功率、陡前沿的脈沖。脈沖功率技術(shù)以高電壓、大電流、高功率、強(qiáng)脈沖為特點(diǎn)，在國(guó)防科研和工業(yè)民用領(lǐng)域都有著重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價(jià)值。在軍事上，可以為核聚變、強(qiáng)流粒子束加速器、電磁推進(jìn)技術(shù)以及微波武器等裝置提供大功率脈沖電源；在工業(yè)上，可以運(yùn)用微波功率雷達(dá)高速脈沖技術(shù)對(duì)地下資源的性質(zhì)和分布狀況進(jìn)行勘查；在環(huán)保上，可以應(yīng)用脈沖電場(chǎng)產(chǎn)生的靜電場(chǎng)除塵和分解有毒化合物；在醫(yī)療上，可以采用體外沖擊波技術(shù)治療尿路結(jié)石和膽結(jié)石?？傊?，作為一門(mén)新興的 科學(xué)技術(shù)，脈沖功率技術(shù)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。在脈沖功率電源中，儲(chǔ)能元件的儲(chǔ)能密度和脈沖成形技術(shù)最為關(guān)鍵，尤其對(duì)于脈沖功率電源的小型化、輕量化和實(shí)用化要求，其儲(chǔ)能元件的高儲(chǔ)能密度更加重要。隨著超導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，超導(dǎo)儲(chǔ)能電感因其儲(chǔ)能密度比電容器高I 2個(gè)數(shù)量級(jí)，且具有儲(chǔ)能時(shí)間長(zhǎng)、損耗小、效率高等優(yōu)勢(shì)，已在脈沖功率技術(shù)中展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的超導(dǎo)儲(chǔ)能脈沖功率電源大多為互不耦合的儲(chǔ)能電感串聯(lián)充電并聯(lián)放電模式，該模式下的脈沖輸出需要斷路開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，但儲(chǔ)能電感放電瞬間會(huì)在斷路開(kāi)關(guān)兩端產(chǎn)生高幅值的電壓脈沖，容易造成斷路開(kāi)關(guān)損壞，從而影響整個(gè)裝置的正常工作。另外，如果要獲得更高幅值的電流脈沖，則需要很多儲(chǔ)能電感模塊疊加，模塊越多，系統(tǒng)規(guī)模越大，控制系統(tǒng)越復(fù)雜，不利于脈沖功率裝置小型化和輕量化的應(yīng)用要求。

實(shí)用新型內(nèi)容鑒于現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種新型的基于超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器的脈沖功率電源電路，與以往脈沖變壓器原副邊線(xiàn)圈僅靠互感聯(lián)系的非接觸結(jié)構(gòu)相比，該模式下的原副邊線(xiàn)圈串聯(lián)結(jié)構(gòu)有利于提高電流脈沖幅值、消除儲(chǔ)能電感中的殘余電流，具有體積小、損耗低、能量轉(zhuǎn)換效率高、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單和斷路開(kāi)關(guān)要求低的特點(diǎn)。本實(shí)用新型的目的是通過(guò)如下的手段實(shí)現(xiàn)的?！N基于超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器的脈沖功率電源，主要包括初始電源裝置、可控開(kāi)關(guān)、電容器、超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器、二極管和負(fù)載；所述的初始電源裝置由直流電流源和電源保護(hù)電阻組成；可控開(kāi)關(guān)包括一個(gè)電源充電開(kāi)關(guān)和一個(gè)放電開(kāi)關(guān)，充電開(kāi)關(guān)連接在所述初始電源裝置一端；放電開(kāi)關(guān)與電容器串聯(lián)后跨接在初始電源裝置兩端；所述超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器與初始電源裝置呈并聯(lián)連接，原副邊線(xiàn)圈異名端串聯(lián)；三個(gè)二極管分別串聯(lián)在超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器的原邊線(xiàn)圈、副邊線(xiàn)圈和負(fù)載回路中。[0008]所述的超導(dǎo)常導(dǎo)脈沖變壓器的原邊線(xiàn)圈采用高溫超導(dǎo)帶材繞制，耦合系數(shù)控制在
O.85-0. 9范圍內(nèi)，具有儲(chǔ)能密度大、損耗小、儲(chǔ)存能量時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)；但由于高溫超導(dǎo)帶材的臨界電流只有幾百安，不具備輸出上千安大電流脈沖的能力，因此副邊線(xiàn)圈采用導(dǎo)電好、載流能力強(qiáng)的銅帶作為材料；原副邊線(xiàn)圈的異名端串聯(lián)，整個(gè)超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖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(dǎo)帶材處于超導(dǎo)態(tài)，又能降低銅的電阻率，從而減小損耗，提高整個(gè)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。所述的可控開(kāi)關(guān)均為大功率IGBT開(kāi)關(guān)。所述的電容器與原副邊線(xiàn)圈組成的串聯(lián)支路并聯(lián)。所述的負(fù)載由電阻和電感組成。本實(shí)用新型的有益結(jié)果在于1.超導(dǎo)儲(chǔ)能電感的儲(chǔ)能密度高，能夠有效降低脈沖 功率電源裝置的體積。2.整個(gè)脈沖功率電源裝置集儲(chǔ)能、放電一體化，采用超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器原副邊線(xiàn)圈串聯(lián)結(jié)構(gòu)既能提高電流脈沖幅值，又能完成脈沖成形。3.由于電容器的作用，電源開(kāi)關(guān)斷路瞬間不會(huì)出現(xiàn)高幅值的電壓脈沖，降低了系統(tǒng)對(duì)斷路開(kāi)關(guān)的要求。
4.通過(guò)對(duì)中間延時(shí)時(shí)間的控制，可以得到不同寬度的雙電流脈沖，有利于增強(qiáng)輸出脈沖的調(diào)控性，以滿(mǎn)足負(fù)載的不同需要。本實(shí)用新型具有體積小、損耗低、能量轉(zhuǎn)換效率高、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、電流脈沖幅值大和斷路開(kāi)關(guān)要求低的特點(diǎn)，可以應(yīng)用于軌道炮能源補(bǔ)給或強(qiáng)電流脈沖電源的技術(shù)領(lǐng)域。

圖I為本實(shí)用新型實(shí)施例應(yīng)用于儲(chǔ)能、放電一體化的電路原理圖圖中，I為直流電流源IDC和電源保護(hù)電阻Rg，2為電源開(kāi)關(guān)S1, 3為放電開(kāi)關(guān)S2,4為超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器，5為超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器的原邊超導(dǎo)線(xiàn)圈，6為超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器的副邊常導(dǎo)線(xiàn)圈，7為電容器C，8為電容器保護(hù)電阻Rf，9為阻感負(fù)載Rd、Ld, 10為原邊線(xiàn)圈回路的二極管D1,11為副邊線(xiàn)圈回路的二極管D2,圖2為應(yīng)用本實(shí)用新型時(shí)，超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器原邊超導(dǎo)線(xiàn)圈的電流波形，橫坐標(biāo)為時(shí)間(ms)，縱坐標(biāo)為電流(A)；圖3為應(yīng)用本實(shí)用新型時(shí)，負(fù)載的電流波形，橫坐標(biāo)為時(shí)間(ms)，縱坐標(biāo)為電流(A)；圖4為應(yīng)用本實(shí)用新型時(shí)，電容器的電壓波形，橫坐標(biāo)為時(shí)間(ms)，縱坐標(biāo)為電壓(V)；
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。如附圖I所示，首先閉合電源開(kāi)關(guān)S1，初始電源裝置給超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器相互耦合的原副邊線(xiàn)圈串聯(lián)充電，由于二極管D3的單向?qū)щ娦裕?fù)載不受電源充電階段的影響；當(dāng)原副邊線(xiàn)圈串聯(lián)支路的電流達(dá)到預(yù)定值后保持恒定；斷開(kāi)電源開(kāi)關(guān)S1，原邊超導(dǎo)線(xiàn)圈中的一部分能量向電容器轉(zhuǎn)移，另一部分通過(guò)互感感應(yīng)至副邊常導(dǎo)線(xiàn)圈，再由副邊常導(dǎo)線(xiàn)圈向負(fù)載放電(忽略副邊常導(dǎo)線(xiàn)圈自身能量向負(fù)載轉(zhuǎn)移)；當(dāng)原邊超導(dǎo)線(xiàn)圈中的電流衰減至零時(shí)，電容器的電壓達(dá)到最大值，延時(shí)導(dǎo)通放電開(kāi)關(guān)S2，電容器向原邊超導(dǎo)線(xiàn)圈反向充電的過(guò)程中再次向負(fù)載放電；當(dāng)電容器電壓衰減至零時(shí)，原邊超導(dǎo)線(xiàn)圈的電流達(dá)到反向最大值，接著原邊超導(dǎo)線(xiàn)圈中的能量通過(guò)電容器保護(hù)電阻Rf、二極管D2、放電開(kāi)關(guān)S2向負(fù)載持續(xù)放電直至能量釋放完畢。實(shí)施例如圖I所示，電路的相關(guān)參數(shù)如下 理想直流電流源I0=200A ；電源保護(hù)電阻Rg=5 Ω ；超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖電壓器的原邊超導(dǎo)線(xiàn)圈的自感Lp=15. 75mH ；超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖電壓器的副邊常導(dǎo)線(xiàn)圈的自感LS=10. 7 μ H ;原邊超導(dǎo)線(xiàn)圈和副邊常導(dǎo)線(xiàn)圈的互感Μ = 353 μ H ;耦合系數(shù)k = O. 86 ;電容器的電容C=51 μ F ;電容器保護(hù)電阻Rf=2 Ω 阻抗負(fù)載Rd=ImΩ，Ld=O. I μ H ;如圖2所示，0-20ms內(nèi)，初始電源給超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器相互耦合的原副邊線(xiàn)圈串聯(lián)充電，充電電流達(dá)到預(yù)定值200A后保持恒定；t=20ms時(shí)斷開(kāi)電源開(kāi)關(guān)S1，原邊超導(dǎo)線(xiàn)圈中的電流開(kāi)始衰減；延時(shí)IOms,即t=40ms時(shí)閉合放電開(kāi)關(guān)S2,電容器向原邊超導(dǎo)線(xiàn)圈反向充電，原邊超導(dǎo)線(xiàn)圈中的電流達(dá)到最大值后，通過(guò)電容器保護(hù)電阻Rf、二極管D2、放電開(kāi)關(guān)S2向負(fù)載持續(xù)放電直至能量釋放完畢。如圖3所不，電各器電壓在達(dá)到最大值I. 8kV后保持恒定，在t=40ms時(shí)電壓開(kāi)始衰減。如圖4所示，負(fù)載在t=30ms時(shí)第一次輸出電流脈沖，幅值約為6. 38kA ;在t=40ms時(shí)負(fù)載通過(guò)放電開(kāi)關(guān)S2、電容器保護(hù)電阻Rf和二極管D2第二次輸出電流脈沖，此次電流脈沖在第一次基礎(chǔ)上進(jìn)行疊加，幅值約為5. 72kA。為了增強(qiáng)輸出脈沖的調(diào)控性，通過(guò)調(diào)整中間延時(shí)時(shí)間，可以得到不同寬度的雙電流脈沖，以滿(mǎn)足負(fù)載的不同需要。本實(shí)用新型所述的基于超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器的脈沖功率電源，上述針對(duì)較佳實(shí)施例的描述過(guò)于具體，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本實(shí)用新型的原理，應(yīng)被理解為實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。凡是根據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)方案及其實(shí)用新型構(gòu)思加以等同替換或改變，均被認(rèn)為屬于本實(shí)用新型的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種基于超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器的脈沖功率電源，其特征在于，主要包括初始電源裝置、可控開(kāi)關(guān)、電容器、超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器、二極管和負(fù)載；所述的初始電源裝置由直流電流源和電源保護(hù)電阻組成；可控開(kāi)關(guān)包括一個(gè)電源充電開(kāi)關(guān)和一個(gè)放電開(kāi)關(guān)，充電開(kāi)關(guān)連接在所述初始電源裝置一端；放電開(kāi)關(guān)與電容器串聯(lián)后跨接在初始電源裝置兩端；所述超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器與初始電源裝置呈并聯(lián)連接，原副邊線(xiàn)圈異名端串聯(lián)；三個(gè)二極管分別串聯(lián)在超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器的原邊線(xiàn)圈、副邊線(xiàn)圈和負(fù)載回路中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述之脈沖功率電源，其特征在于，所述超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器的原邊線(xiàn)圈采用高溫超導(dǎo)帶材繞制，副邊線(xiàn)圈采用銅帶繞制，原副邊線(xiàn)圈異名端串聯(lián)，耦合系數(shù)在O. 85-0. 9范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述之脈沖功率電源，其特征在于，所述超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器放置在低溫容器內(nèi)，利用液氮冷卻。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述之脈沖功率電源，其特征在于，所述可控開(kāi)關(guān)均為大功率IGBT開(kāi)關(guān)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器的脈沖功率電源，超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器的原副邊線(xiàn)圈采用異名端串聯(lián)結(jié)構(gòu)；當(dāng)電源充電開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，初始電源給串聯(lián)的原副邊線(xiàn)圈充電；當(dāng)電源充電開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，原邊超導(dǎo)線(xiàn)圈中的一部分能量向電容器轉(zhuǎn)移，另一部分通過(guò)互感感應(yīng)至副邊常導(dǎo)線(xiàn)圈，再由副邊常導(dǎo)線(xiàn)圈對(duì)負(fù)載放電。轉(zhuǎn)移完畢后，電容器的電壓達(dá)到最大值，當(dāng)閉合放電開(kāi)關(guān)，電容器對(duì)原邊超導(dǎo)線(xiàn)圈反向充電的過(guò)程中再次對(duì)負(fù)載放電，完成第二次脈沖輸出。本實(shí)用新型集儲(chǔ)能、放電一體化，能夠在短時(shí)間內(nèi)輸出大電流脈沖，具有體積小、重量輕、能量轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)，有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)H02M9/04GK202679271SQ20122031984
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月4日
發(fā)明者王豫, 吳銳, 嚴(yán)仲明, 桂志興, 段晚晴 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)