多模塊高溫超導(dǎo)脈沖變壓器脈沖成形裝置及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 多模塊高溫超導(dǎo)脈沖變壓器脈沖成形裝置及控制方法，屬于脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]脈沖功率技術(shù)是當(dāng)前國際上非?；钴S的前沿高科技之一，其研究的主要內(nèi)容是如何經(jīng)濟(jì)地和可靠地儲(chǔ)存能量，并將大能量和大功率有效地傳輸?shù)截?fù)載上，以高電壓、大電流、高功率、強(qiáng)脈沖為特點(diǎn)，也稱為高功率脈沖技術(shù)。脈沖功率技術(shù)在國防科研、高新技術(shù)研究和民用工業(yè)等領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越廣泛的重要應(yīng)用。在軍事研究領(lǐng)域，脈沖功率技術(shù)可以為脈沖激光武器、粒子束武器、高功率微波武器、電化學(xué)炮、各種電磁彈射系統(tǒng)等新概念武器提供大功率脈沖電源；在現(xiàn)代科學(xué)研究領(lǐng)域，脈沖功率技術(shù)還可應(yīng)用于受控核物理試驗(yàn)、強(qiáng)流粒子束加速器、脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)、超高速碰撞力學(xué)以及半導(dǎo)體離子注入等研究方面；在民用工業(yè)領(lǐng)域，脈沖功率技術(shù)還可應(yīng)用于機(jī)械加工、材料處理、環(huán)境治理、生物醫(yī)療等方面。由于軍事武器、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和民用工業(yè)領(lǐng)域?qū)γ}沖功率技術(shù)中能量存儲(chǔ)、功率脈沖的上升時(shí)間、平頂度、重復(fù)率、穩(wěn)定性和設(shè)備壽命等方面的提出了較高的要求，人們對(duì)脈沖功率技術(shù)提出了許多新的挑戰(zhàn)，也促進(jìn)了它向更廣寬度發(fā)展。
[0003]—般來說，脈沖功率裝置主要包括初級(jí)能源、中間儲(chǔ)能、脈沖成形或能量壓縮等三大部分，而中間儲(chǔ)能元件是脈沖功率技術(shù)中的基礎(chǔ)元件，是脈沖功率技術(shù)的關(guān)鍵部件，直接影響著脈沖功率裝置的小型化、輕量化和模塊化等應(yīng)用發(fā)展方向?，F(xiàn)有的脈沖功率裝置中的儲(chǔ)能元件大多采用電容器，存在以下缺點(diǎn):(1)電容器的儲(chǔ)能密度不高，很難降低脈沖功率裝置的體積；(2)電容器具有一定的漏電流，不能長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能。超導(dǎo)電感的儲(chǔ)能密度大，比電容器高1?2個(gè)數(shù)量級(jí)，且損耗小、儲(chǔ)能效率高、能夠較長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能，在脈沖功率技術(shù)中展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。而且隨著高溫超導(dǎo)材料生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，超導(dǎo)電感的單位體積儲(chǔ)能密度會(huì)越來越高，符合脈沖功率裝置小型化和輕量化的要求。
[0004]當(dāng)前基于高溫超導(dǎo)電感儲(chǔ)能的脈沖功率技術(shù)實(shí)施模式主要有兩種:一種是高溫超導(dǎo)電感串聯(lián)充電并聯(lián)放電模式；另一種是基于高溫超導(dǎo)脈沖變壓器儲(chǔ)能和放電模式。
[0005]高溫超導(dǎo)電感串聯(lián)充電并聯(lián)放電模式，主要是以高溫超導(dǎo)電感模塊的疊加來實(shí)現(xiàn)輸出電流脈沖的增大。它存在的問題是如果要得到幅值非常高的電流脈沖，則需要疊加的超導(dǎo)電感模塊非常多，使系統(tǒng)的規(guī)模非常大，這不利于脈沖功率裝置的實(shí)施和控制；而且由于放電時(shí)會(huì)在電感兩端產(chǎn)生高電壓，斷路開關(guān)技術(shù)也是限制其發(fā)展的主要因素之一。
[0006]基于高溫超導(dǎo)脈沖變壓器儲(chǔ)能和放電模式，以空心高溫超導(dǎo)脈沖變壓器為儲(chǔ)能和脈沖壓縮元件，集儲(chǔ)能與脈沖成形于一體，易于集成化和模塊化。高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的原邊儲(chǔ)能繞組為多匝線圈，用高溫超導(dǎo)Bi系或Y系帶材繞制，副邊繞組為幾匝線圈，用銅線繞制。在儲(chǔ)能期間，原邊繞組的充電電流接近高溫超導(dǎo)電感線圈的臨界電流，副邊繞組電感線圈中的電流為零。放電時(shí)，高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的原邊繞組切換到放電回路，使得原邊電流迅速衰減，在原邊與副邊的互感作用下，副邊繞組感應(yīng)出高幅值的電流脈沖。
[0007]在現(xiàn)有技術(shù)中，申請(qǐng)?zhí)柗謩e為CN2006101250531和CN201210228710的中國專利分別公開了高溫超導(dǎo)磁體脈沖成形裝置和一種基于超導(dǎo)常導(dǎo)混合脈沖變壓器的脈沖功率電源。其中申請(qǐng)?zhí)枮镃N2006101250531的專利采用多模塊高溫超導(dǎo)電感串聯(lián)充電并聯(lián)放電，再利用高溫超導(dǎo)脈沖變壓器降壓升流的工作原理，其優(yōu)點(diǎn)是可以有效的減少高溫超導(dǎo)電感的模塊數(shù)，使系統(tǒng)體積減小，而其缺點(diǎn)是放電后各高溫超導(dǎo)電感和高溫超導(dǎo)脈沖變壓器原邊仍有較多能量剩余，能量傳輸效率偏低，而且各高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能電感對(duì)高溫超導(dǎo)脈沖變壓器原邊繞組放電屬于電感對(duì)電感放電，電流的突變會(huì)產(chǎn)生很高的電壓，需要附加保護(hù)裝置；申請(qǐng)?zhí)枮镃N201210228710的專利采用的是自耦變壓器原理的儲(chǔ)能放電模式，是變壓器的原邊和副邊串連充電，共同儲(chǔ)能，其放電模式為變壓器原邊和副邊共同利用電容器做轉(zhuǎn)換模塊，使副邊回路感應(yīng)出大電流脈沖，優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)能和放電效率高，而其缺點(diǎn)是常導(dǎo)的副邊參與儲(chǔ)能時(shí)會(huì)增加損耗，不易實(shí)現(xiàn)多模塊長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能，不易實(shí)現(xiàn)模塊化。
[0008]在現(xiàn)有技術(shù)中，文獻(xiàn)R.ff.Design and Testing of a Novel Inductive PulsedPower Supply Consisting of HTS Pulse Power Transformer and ZnO—Based NonlinearResistor [J].1EEE Transact1n on Plasma Science, 2013，41 (7): 1781-1785.提出了一種在放電時(shí)將原邊電感中的電流切換到非線性電阻性放電回路。該模式的優(yōu)點(diǎn)是在放電過程中，原邊繞組的電壓得到有效的限制；而存在的問題是:(1)原邊對(duì)電阻性放電回路放電，因此不可避免的會(huì)產(chǎn)生能量損耗；(2)增大放電回路電阻可以有效降低能量損耗，提高系統(tǒng)傳輸效率，但是增大放電回路電阻，在放電時(shí)超導(dǎo)脈沖變壓器原邊產(chǎn)生的電壓也會(huì)提高，不利于系統(tǒng)安全。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可對(duì)高溫超導(dǎo)脈沖變壓器原邊繞組的剩余能量進(jìn)行回收和釋放，更加高效地利用高溫超導(dǎo)脈沖變壓器儲(chǔ)能和放電特性，提高系統(tǒng)的輸出功率和能量傳輸效率，并能有效的改善輸出波形的多模塊高溫超導(dǎo)脈沖變壓器脈沖成形裝置及控制方法。
[0010]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:該多模塊高溫超導(dǎo)脈沖變壓器脈沖成形裝置，其特征在于:包括控制模塊以及與控制模塊相連的:
至少一組高溫超導(dǎo)脈沖變壓器，控制模塊控制高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的原邊繞組實(shí)現(xiàn)串耳關(guān);
初級(jí)充電電源，初級(jí)充電電源通過控制模塊對(duì)完成串聯(lián)的高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的原邊繞組進(jìn)行充電，控制模塊同時(shí)對(duì)初級(jí)充電電源的工作狀態(tài)進(jìn)行控制；
轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換模塊通過控制模塊與高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的原邊繞組相連，與高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的原邊繞組之間實(shí)現(xiàn)能量的回收和釋放，控制模塊對(duì)轉(zhuǎn)換模塊的導(dǎo)通狀態(tài)進(jìn)行控制；
同時(shí)設(shè)置有負(fù)載開關(guān)，高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的副邊繞組通過負(fù)載開關(guān)連接負(fù)載。
[0011]優(yōu)選的，所述的控制模塊包括:信號(hào)處理單元以及由信號(hào)處理單元實(shí)現(xiàn)控制的斷路開關(guān)單元以及閉合開關(guān)單元。
[0012]優(yōu)選的，在所述的斷路開關(guān)單元中包括由所述信號(hào)處理單元控制開合同時(shí)與高溫超導(dǎo)脈沖變壓器數(shù)量相符的至少一個(gè)開關(guān)，開關(guān)串聯(lián)在初級(jí)充電電源與高溫超導(dǎo)脈沖變壓器原邊繞組之間以及相鄰高溫超導(dǎo)脈沖變壓器原邊繞組同名端與非同名端之間。
[0013]優(yōu)選的，在所述的閉合開關(guān)單元中包括由所述信號(hào)處理單元控制開合同時(shí)與高溫超導(dǎo)脈沖變壓器數(shù)量相符的至少一組開關(guān)，開關(guān)分別串聯(lián)在高溫超導(dǎo)脈沖變壓器原邊繞組的同名端和非同名端與轉(zhuǎn)換模塊的并聯(lián)回路中。
[0014]優(yōu)選的，所述的轉(zhuǎn)換模塊包括電容器C1、晶閘管S1~S2以及二極管D4，電容器C1的一端同時(shí)連接晶閘管S1的陽極以及二極管D4的陰極，電容器C1的另一端與晶閘管S2的陽極并聯(lián)后同時(shí)通過閉合開關(guān)單元中的開關(guān)連接高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的同名端；晶閘管S2的陰極與晶閘管S1的陰極以及二極管D4的陽極并聯(lián)后通過閉合開關(guān)單元中的開關(guān)連接高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的非同名端。
[0015]優(yōu)選的，所述的高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的數(shù)量為1~32個(gè)，同時(shí)置于低溫杜瓦中。
[0016]優(yōu)選的，所述的高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的原、副邊繞組耦合系數(shù)大于0.9，變比為5-50 ο
[0017]多模塊高溫超導(dǎo)脈沖變壓器脈沖成形裝置實(shí)現(xiàn)的控制方法，其特征在于:包括如下步驟:
步驟a，啟動(dòng)多模塊高溫超導(dǎo)脈沖變壓器脈沖成形裝置的控制方法；
步驟b，控制模塊發(fā)出控制信號(hào)，斷開高溫超導(dǎo)脈沖變壓器與轉(zhuǎn)換模塊之間的連接，同時(shí)控制轉(zhuǎn)換模塊截止；
步驟c，控制模塊發(fā)出控制信號(hào)，閉合高溫超導(dǎo)脈沖變壓器與初級(jí)充電電源之間的連接，并設(shè)定充電電流參數(shù)；
步驟d，控制模塊向初級(jí)充電電源發(fā)出控制信號(hào)，初級(jí)充電電源對(duì)各模塊高溫超導(dǎo)原邊串聯(lián)充電；
步驟e，信號(hào)處理單元