一种用于超导磁体充放电电流调节器的控制方法

xiaoxiao2020-08-01  1

专利名称:一种用于超导磁体充放电电流调节器的控制方法
技术领域
本发明涉及超导磁体充放电电流调节器的控制方法。
背景技术
超导具有的零电阻以及强磁场下载流能力大的特性,使超导磁体得到了广泛的应用,特别是在高能物理实验中用于产生强磁场的大型磁体。超导磁体几乎取代了所有体积大、耗电多的常规磁体;同时,随着超导电力技术的发展,特别是微型超导贮能,在国外已经商品化,广泛用于改善电能质量、提高电力系统稳定性等,这些都使得超导磁体得到了前所未有的应用。
超导磁体一般运行电流都在kA级,且为一大电感,这对超导磁体的充放电技术提出了新的要求。充放电电流大,电压低,充放电电压稳定且电压的变化范围大,同时需要开关频率高、功率密度大以及控制性能好,这些都是用于超导磁体充放电的基本要求,特别在商用的微型超导贮能上要求更为迫切。
中国专利03137460.3提供了一种用于超导磁体充放电的电流调节器,它由电压单元、变压器单元与电流单元三部分组成。电压单元为一直流侧为电容器的电压源换流器,电流单元为一直流侧接超导磁体的电流源换流器,电压源换流器的交流输出侧与变压器原边相连,电流源换流器的交流输出侧与变压器副边相连,其中变压器单元可以是普通变压器,也可以是一侧或者两侧皆为带抽头的变压器。它不仅可以给磁体充电,还可以将磁体中贮存的电能释放出去,并且充放电电压灵活可调。它的电流单元电流大但电压低,而电压单元电流和电压对于开关容量来说都不大,这不仅降低了开关损耗,还可以提高开关频率,从而大大减小了电压单元中的电容器的容量,缩小了变压器单元中变压器的体积,从而提高了功率密度和系统性能。
但专利03137460.3只是提出了这种电路调节器的基本充放电方法,其中开关的打开与闭合都未考虑到开关管的硬性开合可能对开关管造成破坏以及带来较大的开关损耗。专利03137460.3的工作原理如图2所示开关S7闭合,开关S8打开时,即电流调节器与直流电源DC相连,对磁体L进行充电。开关S3与S6闭合,S4与S5打开,变压器T的原边LP输出为电容器C的电压,为正电压,此时闭合开关S2,断开S1,L2的两端输出为变压器变压后的正值电压,电压方向由同名端决定,大小为电容器C的电压/变压器变比,给磁体L充电。若开关S3与S6、S4与S5同时打开,变压器T输出为零,磁体两端电压为零,磁体L的电流I保持不变,以上为开关S3与S6、S4与S5的动作的上半周,下半周的动作与上半周相似,这里不再赘述。开关S8闭合,开关S7打开时,即电流调节器与负载LOAD相连,对磁体L进行放电。开关S3与S6闭合,S4与S5打开,变压器T的原边LP输出为电容器C的电压,为正电压,此时打开开关S2,断开S1,L1的两端输出为变压器变压后的正值电压(电压方向由同名端决定,大小为电容器C的电压/变压器变比),也即是磁体L两端电压,它与磁体的电流I方向相反,磁体L放电。若开关S3与S6、S4与S5同时打开,变压器T输出为零,磁体两端电压为零,磁体L的电流I保持不变,以上为开关S3与S6、S4与S5的动作的上半周,下半周的动作与上半周相似。由于超导磁体通过的电流很大,从上面的开关动作可以看出,电流源换流器的开关管在电流很大的情况下,总是需要通过硬性地开通和关断来实现充电和放电,这种充放电的方式不但使副边的开关管承受很大的开关损耗,而且很容易损坏开关管。

发明内容
为克服现有技术的不足,本发明提出了一种电流调节器的控制方法——辅助电势双极性控制方法,这种方法在开关过程中可实现超导磁体侧开关管零电流关断,有效地降低了开关的损耗。
本发明依据双极性控制和辅助电势的基本原理。双极性控制是DC/DC变换器的一种基本的控制方法,它通过调整一个周期内有效时间和周期之间的比例,在充放电过程中,保持电压单元开关S5、S6、S7、S8相位不变,通过电压单元开关导通角的变化来调节占空比,控制电流调节器能量传输的大小。
本发明的辅助电势双极性控制方法的关键是辅助电势。所谓的辅助电势,是在电流源换流器的两支路的开关管在换相的时刻,先给要开通支路的开关管触发信号,然后控制电压源换流器的开关管,使之在变压器的原边上产成换相电压,折合到副边后,由于与流过要关断的开关管的电流方向相反,从而使流过该支路电流减少;而由于与流过要开通的开关管的电流方向相同,从而使流过该支路电流增加,待到流过要关断的开关管的电流减少到零后,再关断该开关管,从而实现了零电流的关断。
本发明主要有以下两个特点(1)可以满足电流调节器充放电的基本功能;(2)本发明提供的是一种控制的方式,不涉及也不需要提供额外的电路结构上的改变,而只要通过改变开关管的开通和关断的信号就可以实现零电流关断。
本发明不但可以满足电流调节器充放电的基本功能,而且大大降低了开关损耗,提高了系统的稳定性,进一步完善了系统性能。


图1为专利03137460.3的主电路线路。UI为电流单元,UT变压器单元,UV电压单元,S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7与S8为开关,DC为直流电源,LOAD为负载,C电容器,T副边带中间抽头的变压器,*表示变压器同名端,L为超导磁体,I磁体电流;图2为专利03137460.3的主电路原理图。S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7与S8为开关,DC为直流电源,LOAD为负载,C电容器,LP为变压器T与电压单元相连接的原边,L1、L2分别为变压器T与电流单元相连接的副边的两个绕组,*表示变压器同名端,L为超导磁体,I磁体电流;图3为专利03137460.3所引申出的具体实施例1,变压器原副边皆不带抽头的电流调节器的线路图。UI为电流单元,UT变压器单元,UV电压单元,T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8为绝缘门极双极型晶体管IGBT,D1、D2、D3、D4分别为与绝缘门极双极型晶体管IGBT T1、T2、T3、T4相串联的二极管,S1与S2为开关,DC为直流电源,LOAD为负载,C电容器,T原副边皆不带抽头的变压器,*表示变压器同名端,L为超导磁体;图4为专利03137460.3所引申出的具体实施例2,其中G1、G2、G3、G4为晶闸管,T5、T6、T7、T8为IGBT,S1与S2为开关,DC为直流电源,LOAD为负载,C为电容器,T原副边皆不带抽头的变压器,*表示变压器同名端,L为超导磁体;图5为专利03137460.3所引申出的具体实施例3变压器副边带抽头的电流调节器的线路图。UI为电流单元,UT变压器单元,UV电压单元,T1、T2、T3、T4、T5、T6与D1、D2、D3、D4、D5、D6分别为绝缘门极双极型晶体管IGBT及与其并联的二极管,D11、D21分别为与绝缘门极双极型晶体管IGBT T1、T2相串联的二极管,S1与S2为开关,DC为直流电源,LOAD为负载,C电容器,T副边带中间抽头的变压器,*表示变压器同名端,L为超导磁体;图6为专利03137460.3所引申出的具体实施例4变压器副边带抽头的电流调节器的线路图。UI为电流单元,UT变压器单元,UV电压单元,T3、T4、T5、T6与D3、D4、D5、D6分别为绝缘门极双极型晶体管IGBT及与其并联的二极管,G1、G2为晶闸管,S1与S2为开关,DC为直流电源,LOAD为负载,C电容器,T副边带中间抽头的变压器,*表示变压器同名端,L为超导磁体;图7为本发明为图3所示的实施例1所提供的辅助电势双级性充电控制方式的原理图;
图8为本发明为图3所示的实施例1所提供的辅助电势双级性放电控制方式的原理图;图9为本发明为图4所示的实施例2所提供的辅助电势双级性充电控制方式的原理图;图10为本发明为图4所示的实施例2所提供的辅助电势双级性放电控制方式的原理图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步描述图2是专利03137460.3的主电路原理图。
如图2所示,专利03137460.3由电压单元UI、变压器单元UT,与电流单元UV三部分组成。变压器单元UT为与电流单元相连的一侧带抽头的变压器。电压单元UV为一直流侧为电容器C与分别由开关S3和S4、S5和S6两两串联组成的电压源换流器的两个桥臂并联组成,两个桥臂的中点,即电压源换流器的交流输出与变压器T原边相连。电流单元UI为一电流源换流器,它的直流侧一端连接于变压器T的中间抽头,另一端由一侧分别与变压器T的上下两个端子连接的开关S1、S2的另一侧共同连接而成;电流源换流器的直流侧与超导磁体L连接,而电压源换流器的直流侧电容器C与分别由开关S7和直流电源DC、开关S8与负载LOAD相串联组成的支路并联连接。
其中LP表示变压器T与电压单元相连接的原边,L1、L2分别表示变压器T与电流单元相连接的副边的两个绕组,*表示变压器同名端。
下面结合图2对辅助电势双极性的控制方法作说明。
如图2所示,开关S7闭合,开关S8打开时,即电流调节器与直流电源DC相连,对磁体L进行充电。具体如下电流调节器的电压单元UV的直流端电容器C与直流电源DC相连,由后者提供电压或者能量。当分别将组成电压换流器的开关S3与S6、S4与S5交替开断时,电压换流器的交流输出侧,即是变压器T的原边LP为交流方波,变压器的副边,即副边绕组L1、L2的两端输出为交流方波,此时电流换流器的开关S1、S2工作于整流状态,给磁体L充电。磁体L两端充电电压的大小可由调节电压换流器的开关S3与S6、S4与S5的占空比来调节。逻辑关系如下开关S3与S6闭合,S4与S5打开,变压器T的原边LP输出为电容器C的电压,为正电压,此时闭合开关S1,L1的两端输出为变压器变压后的正值电压,电压方向由同名端决定,大小为电容器C的电压/变压器变比,给磁体L充电。若开关S3与S6、S4与S5同时打开,变压器T输出为零,磁体L两端电压为零,磁体L的电流I保持不变,以上为开关S3与S6、S4与S5的动作的上半周;当开关S4与S5闭合,S3与S6打开,变压器T的原边LP输出为电容器C的反向电压,为负电压,此时闭合开关S2,L2的两端输出为变压器变压后的负值电压,电压方向由同名端决定,大小为电容器C的电压/变压器变比,磁体L两端电压与L2的两端方向相反,大小相等其值依然为正的。变压器变压后的电容器C的电压与变压器变比的商,与开关S3与S6、S4与S5的动作的上半周相同,给磁体L充电;若开关S3与S6、S4与S5同时打开,变压器T输出为零,磁体两端电压为零,磁体L的电流I保持不变,这与S3与S6、S4与S5的动作的上半周相似,为开关S3与S6、S4与S5的动作的下半周。通过调节开关S3与S6和S4与S5的在半周内的占空比,可调节磁体L两端的平均电压,即灵活调节磁体L的充电电压。
开关S8闭合,开关S7打开时,即电流调节器与负载LOAD相连,对磁体L进行放电。具体如下电流调节器的电压单元UI的直流端电容器C的初始值可由直流电源DC给定。当分别将组成电压换流器的开关S3与S6、S4与S5开断时,电压换流器的交流输出侧,即变压器T的原边LP为交流方波,变压器的副边,即副边绕组L1、L2的两端输出为交流方波,此时电流换流器的开关S1、S2工作于逆变状态,给磁体L放电。设磁体L的电流I方向如图2所示。开关逻辑关系如下SI、S2闭合,超导磁体L电流通过S1、S2续流,既不充电,也不放电。开关S3和S6闭合,S4和S5打开,变压器T的原边LP输出为电容器C的正向电压,为正电压,L1、L2的两端输出为变压器变压后的正值电压,L2的电压方向与流过它的电流方向相反,从而使流过S2的电流减少;L1的电压与流过它的电流相同,从而使流过它的电流增加。当流经S2的电流降为零,打开S2,从而实现了零电流关断,然后再使开关S4与S5闭合,S3与S6打开,变压器T的原边LP输出为电容器C的电压,为负电压,L1的两端输出为变压器变压后的负值电压(电压方向由同名端决定,大小为电容器C的电压/变压器变比),也即是磁体L两端电压,它与磁体L的电流I方向相反,磁体L放电。若开关S1与S2都闭合,磁体两端电压为零,磁体L的电流I保持不变,以上为开关S1与S2、S3与S6、S4与S5的动作的上半周;闭合开关S2,然后使开关S4与S5闭合,S3与S6打开,变压器T的原边LP输出为电容器C的反向电压,为负电压,L1、L2的两端输出为变压器变压后的负值电压,L2的电压方向与流过它的电流方向相同,从而使流过S2的电流增加;L1的电压与流过它的电流相反,从而使流过S1的电流减少。当流经S1的电流降为零,打开S1,从而实现了零电流关断。然后使开关S3与S6闭合,S4与S5打开,变压器T的原边LP输出为电容器C的正向电压,为正电压,L2的两端输出为变压器变压后的正值电压,电压方向与同名端决定的方向相同,大小为电容器C的电压/变压器变比,也即是磁体L两端电压,它与磁体的电流I方向相反,磁体L放电。若开关S1与S2都闭合,磁体L两端电压为零,磁体L的电流I保持不变,以上为开关S1与S2、S3与S6、S4与S5的动作的下半周。通过调节开关S1与S2,S3与S6和S4与S5的在半周内的占空比,可调节磁体L两端的平均电压,即灵活调节磁体L的放电电压。
图3为专利03137460.3所引申出的实施例1。变压器单元UT为原副边皆不带抽头的普通变压器。电压单元UV为一直流侧为电容器C与分别由绝缘门极双极型晶体管IGBT T5和T6、T7和T8两两串联组成的电压源换流器的两个桥臂并联组成,两个桥臂的中点,即电压源换流器的交流输出与变压器T原边相连;电流单元UI为一电流源换流器,其中由绝缘门极双极型晶体管IGBT T1和与其串联的二极管D1与IGBT T3及与其串联的二极管D3串联组成一个桥臂,由绝缘门极双极型晶体管IGBT T2和与其串联的二极管D2与IGBT T4及与其串联的二极管D4组成另一个桥臂。两个桥臂并联后与超导磁体L串联,连接在电流源换流器的直流侧。两个桥臂的中点,即电流源换流器的交流输出与变压器T副边相连;电流源换流器的直流侧与超导磁体L连接,而电压源换流器的直流侧电容器C与分别由开关S1和直流电源DC、开关S2与负载LOAD相串联组成的支路并联连接。其中直流电源DC为可控整流桥。绝缘门极双极型晶体管IGBT T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7与T8亦可以是门极可关断晶闸管GTO、电力场效应晶体管MOSFET、其它有源电力电子器件或者超导开关,变压器T可为常规变压器或者超导变压器,开关S1、S2可以是固态开关或者电气开关。
图4为专利03137460.3所引申出的实施例2。变压器单元UT为原副边皆不带抽头的普通变压器。电压单元UV为一直流侧为电容器C与分别由绝缘门极双极型晶体管IGBT TS和T6、T7和T8两两串联组成的电压源换流器的两个桥臂并联组成,两个桥臂的中点,即电压源换流器的交流输出与变压器T原边相连;电流单元UI为一电流源换流器,它的直流侧为超导磁体L与分别由晶闸管G1和G2、G3和G4两两串联组成的电流源换流器的两个桥臂并联组成,两个桥臂的中点,即电流源换流器的交流输出与变压器T副边相连;电流源换流器的直流侧与超导磁体L连接,而电压源换流器的直流侧电容器C与分别由开关S1和直流电源DC、开关S2与负载LOAD相串联组成的支路并联连接。其中直流侧DC为可控整流桥。绝缘门极双极型晶体管IGBT T5、T6、T7与T8亦可以是门极可关断晶闸管GTO、电力场效应晶体管MOSFET、其它有源电力电子器件或者超导开关,变压器T可为常规变压器或者超导变压器,开关S1、S2可以是固态开关或者电气开关。
图5为为专利03137460.3所引申出的实施例3。变压器单元UT为与电流单元相连的副边带抽头的变压器。电压单元UV为一直流侧为电容器C与分别由绝缘门极双极型晶体管IGBT T3和T4、T5和T6两两串联组成的电压源换流器的两个桥臂并联组成,两个桥臂的中点,即电压源换流器的交流输出与变压器T原边相连;电流单元UI为一电流源换流器,它的直流侧一端连接于变压器T的中间抽头,另一端由一侧分别与变压器T的上下两个端子连接的绝缘门极双极型晶体管IGBT T1和二极管D11、绝缘门极双极型晶体管IGBTT2和二极管D21两两串联组成的支路的另一侧共同连接而成;电流源换流器的直流侧与超导磁体L连接,而电压源换流器的直流侧电容器C与分别由开关S1和直流电源DC、开关S2与负载LOAD相串联组成的支路并联连接。其中直流侧DC为可控整流桥。绝缘门极双极型晶体管IGBT T1、T2、T3、T4、T5和T6亦可以是门极可关断晶闸管GTO、电力场效应晶体管MOSFET、其它有源电力电子器件或者超导开关,变压器T可为常规变压器或者超导变压器,开关S1、S2可以是固态开关或者电气开关。
图6为专利03137460.3所引申出的实施例4。变压器单元UT为与电流单元UI相连的副边带抽头的变压器T。电压单元UV为一直流侧为电容器C与分别由绝缘门极双极型晶体管IGBT T3和T4、T5和T6两两串联组成的电压源换流器的两个桥臂并联组成,两个桥臂的中点,也即是电压源换流器的交流输出与变压器T原边相连;电流单元UI为一电流源换流器,它的直流侧一端连接于变压器T的中间抽头,另一端由一侧分别与变压器T的上下两个端子连接的晶闸管D1、D2组成的支路的另一侧共同连接而成;电流源换流器的直流侧与超导磁体L连接,而电压源换流器的直流侧电容器C与分别由开关S1和直流电源DC、开关S2与负载LOAD相串联组成的支路并联连接。其中直流侧DC为可控整流桥。绝缘门极双极型晶体管IGBT T3、T4、T5和T6亦可以是门极可关断晶闸管GTO、电力场效应晶体管MOSFET、其它有源电力电子器件或者超导开关,变压器T可为常规变压器或者超导变压器,开关S1、S2可以是固态开关或者电气开关。
图7是本发明为图3的实例1所提供的充电控制方式的原理图。
开关器件的动作逻辑关系如下开关S1闭合,开关S2打开时,对磁体L进行充电。IGBT T1、T2、T3、T4在充电时恒闭合,通过D1、D2、D3、D4进行整流。IGBT T5与T8闭合,T6与T7打开,变压器副边承受正压,并通过D2、D3对磁体进行充电。流经D2、D3的电流增加,D1、D4的电流减少。最终,D1、D4的电流减少到零。而后,T5、T8打开,D1、D4的电流逐渐增加,D2、D3的电流逐渐减少,两者最终相等,磁体通过两并联桥臂续流,不充不放。以上为IGBT T5、T6、T7、T8的动作的上半周;IGBTT6与T7闭合,T5与T8打开,变压器副边承受正压,并通过D1、D4对磁体进行充电。流经D1、D4的电流增加,D2、D3的电流减少。最终,D2、D3的电流减少到零。而后,T6、T7打开,D2、D3的电流逐渐增加,D1、D4的电流逐渐减少,两者最终相等,磁体通过两并联桥臂续流,不充不放。以上为IGBT T5、T6、T7、T8的动作的下半周。
图8是本发明为图3的实例1所提供的放电控制方式原理图。
开关器件的动作逻辑关系如下开关S2闭合,开关S1打开时,对磁体L进行放电。设磁体的电流I方向如图1所示,若IGBT T1、T2、T3、T4皆闭合,此时超导磁体流过的电流I通过两个并联桥臂进行续流,既不充电,也不放电。此时若使IGBT T5与T8闭合,T6与T7打开,则流过T2、T3的电流增加,T1、T4的电流减少,当T1、T4的电流完全减少到零时,关断T1、T4,从而实现了零电流的关断,T1、T4关断后,再关断T5和T8,此时通过T6和T7的反并联寄生二极管进行放电。这就是辅助电势实现零电流换向的方法。放电一段时间后,若闭合T1、T4,由于T1、T4上承受磁体放电造成的正压降,所以T1、T4自然开通,磁体在两个桥臂上续流,既不充电,也不放电。以上为IGBT T5、T6、T7、T8动作的上半周;接上半周,IGBT T1、T2、T3、T4皆闭合,若IGBT T6与T7闭合,T5与T8打开,则流过T1、T4的电流增加,T2、T3的电流减少,当T2、T3的电流完全减少到零时,关断T2、T3,从而实现了零电流的关断,T2、T3关断后,再关断T6和T7,此时通过T5和T8的反并联寄生二极管进行放电。从而实现了零电流换向。放电一段时间后,若闭合T2、T3,由于T2、T3上承受磁体放电造成的正压降,所以T2、T3自然开通,磁体在两个桥臂上续流,既不充电,也不放电。
图9是本发明为图4的实例2所提供的充电控制方式原理图,下面就此原理图来说明开关器件的动作逻辑关系。开关器件的动作逻辑关系如下开关S1闭合,开关S2打开时,对磁体L进行充电。首先给晶闸管G2、G3触发信号,然后使IGBT T5与T8闭合,T6与T7打开,变压器副边承受正压,使G2、G3导通,并通过G2、G3对磁体进行充电。流经G2、G3的电流增加,G1、G4的电流减少。最终,G1、G4的电流减少到零。待G2、G3导通后撤除触发信号。在T5和T8触发脉冲下降沿到来之前,触发G1、G4,当下降沿到来的时候,由于G1、G4承受正向电压而自然开通,超导磁体流过的电流通过两个并联桥臂续流,进入既不充电,又不放电的状态。以上为开关管的动作上半周;接上半周,此时在续流状态下,给晶闸管G1、G4触发信号,此时按假设,晶闸管本已导通,这里可以不加触发信号,但是为了保险起见,防止前一时刻没有有效触发,所以给晶闸管加上了触发信号。然后使IGBT T6与T7闭合,T5与T8打开,变压器副边承受负压,使G1、G4导通,并通过G1、G4对磁体进行充电。流经G1、G4的电流增加,G2、G3的电流减少。最终,G2、G3的电流减少到零。待G1、G4导通后撤除触发信号。在T6和T7触发脉冲下降沿到来之前,触发G2、G3,当下降沿到来的时候,由于G2、G3承受正向电压而自然开通,超导磁体流过的电流通过两个并联桥臂续流,进入既不充电,又不放电的状态。
图10是本发明为图4的实例2所提供的放电控制方式原理图,下面就此原理图来说明开关器件的动作逻辑关系。开关器件的动作逻辑关系如下开关S2闭合,开关S1打开时,对磁体L进行放电。设磁体的电流I方向如图1所示,首先,给晶闸管G2、G3触发信号,此时若使IGBT T5与T8闭合,T6与T7打开,则流过G2、G3的电流增加,G1、G4的电流减少,当G1、G4的电流完全减少到零时,G1、G4过零关断,G1、G4关断后,再关断T5和T8,此时通过T6和T7的反并联寄生二极管进行放电。这就是辅助电势实现零电流换向的方法。放电一段时间后,给G1、G4触发脉冲,由于G1、G4上承受磁体L放电造成的正压降,所以G1、G4自然开通,磁体电流在两个桥臂上续流,既不充电,也不放电。以上为晶闸管G1、G2、G3、G4,IGBT T5、T6、T7、T8的动作的上半周;接上半周,G1、G2、G3、G4续流导通,为了防止流过G1、G4的电流降为零,晶闸管G1、G4触发信号此时仍未撤去,然后使IGBT T6与T7闭合,T5与T8打开,则流过G1、G4的电流增加,G2、G3的电流减少,当G2、G3的电流完全减少到零时,G2、G3过零关断,G2、G3关断后,撤去G1、G4的触发信号,再关断T6和T7,此时通过T5和T8的反并联寄生二极管进行放电。从而实现了零电流换向。放电一段时间后,若给G2、G3触发信号,由于G2、G3上承受磁体L放电造成的正压降,所以G2、G3自然开通,磁体在两个桥臂上续流,既不充电,也不放电。
本发明对图5所示的实例3的控制原理与与实例1相同,对图6所示的实例4的控制原理和实例2相同。
权利要求
1.一种用于超导磁体充放电电流调节器的控制方法,其特征在于电流调节器的电压单元[UV]采用双极性控制方式,在充放电过程中,保持电压单元[UV]开关[S5]、[S6]、[S7]、[S8]相位不变,通过电压单元[UV]开关导通角的变化来调节占空比,控制电流调节器能量传输的大小;电流单元[UI]通过电压单元[UV]提供的辅助电势,在电流源换流器的两支路的开关管在换相的时刻,先给要开通支路的开关管触发信号,然后控制电压源换流器的开关管,使之在变压器[T]的原边上产成换相电压,折合到副边后,由于与流过要关断的开关管的电流方向相反,使流过该支路电流减少;而由于与流过要开通的开关管的电流方向相同,使流过该支路电流增加;待到流过要关断的开关管的电流减少到零后,再关断该开关管。
2.按照权利要求1所述的电流调节器的控制方法,其特征在于电流调节器的结构如(1)所述时,对其的控制方法如(2)所述(1) 电流调节器的变压器单元[UT]为与电流单元[UI]相连的一侧带抽头的变压器[T];电压单元[UV]为一直流侧为电容器[C]与分别由开关[S3]和[S4]、[S5]和[S6]两两串联组成的电压源换流器的两个桥臂并联组成,两个桥臂的中点,即电压源换流器的交流输出与变压器[T]原边相连;电流单元[UI]为一电流源换流器,它的直流侧一端连接于变压器[T]的中间抽头,另一端由一侧分别与变压器[T]的上下两个端子连接的开关[S1]、[S2]的另一侧共同连接而成;电流源换流器的直流侧与超导磁体[L]连接,而电压源换流器的直流侧电容器[C]与分别由开关[S7]和直流电源[DC]、开关[S8]与负载[LOAD]相串联组成的支路并联连接;(2)开关[S7]闭合,开关[S8]打开时,即电流调节器与直流电源[DC]相连,对磁体[L]充电,具体如下当分别将组成电压单元[UV]电压换流器的开关[S3]与[S6]、[S4]与[S5]交替开断时,电压换流器的交流输出侧,即变压器[T]的原边[LP]为交流方波,变压器[T]的副边,即副边绕组[L1]、[L2]的两端输出为交流方波,此时电流换流器的开关[S1]、[S2]工作于整流状态,给磁体[L]充电;磁体[L]两端充电电压的大小可由调节电压换流器的开关[S3]与[S6]、[S4]与[S5]的占空比来调节,逻辑关系如下开关[S3]与[S6]闭合,[S4]与[S5]打开,变压器[T]的原边[LP]输出为电容器[C]的电压,为正电压,此时闭合开关[S1],[L1]的两端输出为变压器变压后的正值电压,电压方向由同名端决定,大小为电容器[C]的电压/变压器变比,给磁体[L]充电;若开关[S3]与[S6]、[S4]与[S5]同时打开,变压器[T]输出为零,磁体[L]两端电压为零,磁体[L]的电流[I]保持不变,以上为开关[S3]与[S6]、[S4]与][S5的动作的上半周;当开关[S4]与[S5]闭合,[S3]与[S6]打开,变压器[T]的原边[LP]输出为电容器[C]的反向电压,为负电压,此时闭合开关[S2],[L2]的两端输出为变压器变压后的负值电压,电压方向由同名端决定,大小为电容器[C]的电压/变压器变比,磁体[L]两端电压与L2的两端方向相反,大小相等其值依然为正;变压器变压后的电容器[C]的电压与变压器变比的商,与开关[S3]与[S6]、[S4]与[S5]的动作的上半周相同,给磁体[L]充电;若开关[S3]与[S6]、[S4]与[S5]同时打开,变压器[T]输出为零,磁体两端电压为零,磁体[L]的电流[I]保持不变,这与[S3]与[S6]、[S4]与[S5]的动作的上半周相似,为开关[S3]与[S6]、[S4]与[S5]的动作的下半周;通过调节开关[S3]与[S6]和[S4]与[S5]的在半周内的占空比,可调节磁体[L]两端的平均电压,即调节磁体[L]的充电电压;开关[S8]闭合,开关[S7]打开时,即电流调节器与负载[LOAD]相连,对磁体[L]放电,具体如下电流调节器的电压单元[UI]的直流端电容器[C]的初始值可由直流电源[DC]给定;当分别将组成电压换流器的开关[S3]与[S6]、[S4]与[S5]开断时,电压换流器的交流输出侧,即变压器[T]的原边[LP]为交流方波,变压器[T]的副边,即副边绕组[L1]、[L2]的两端输出为交流方波,此时电流换流器的开关[S1]、[S2]工作于逆变状态,给磁体[L]放电,开关逻辑关系如下[S1]、[S2]闭合,超导磁体[L]电流通过[S1]、[S2]续流,既不充电,也不放电;开关[S3]和[S]6闭合,[S4]和[S5]打开,变压器[T]的原边[LP]输出为电容器[C]的正向电压,为正电压,[L1]、[L2]的两端输出为变压器变压后的正值电压,[L2]的电压方向与流过它的电流方向相反,从而使流过[S2]的电流减少;[L1]的电压与流过它的电流相同,从而使流过它的电流增加;当流经[S2]的电流降为零,打开[S2],实现了零电流关断,然后再使开关[S4]与S5闭合,[S3]与[S6]打开,变压器[T]的原边[LP]输出为电容器[C]的电压,为负电压,[L1]的两端输出为变压器变压后的负值电压,即磁体[L]两端电压,电压方向由同名端决定,大小为电容器C的电压/变压器变比,磁体[L]两端电压与磁体[L]的电流I方向相反,磁体[L]放电;若开关[S1]与[S2]都闭合,磁体[L]两端电压为零,磁体[L]的电流[I]保持不变,以上为开关[S1]与[S2]、[S3]与[S6]、[S4]与[S5]的动作的上半周;闭合开关[S2],然后使开关[S4]与[S5]闭合,[S3]与[S6]打开,变压器[T]的原边[LP]输出为电容器[C]的反向电压,为负电压,[L1]、[L2]的两端输出为变压器变压后的负值电压,[L2]的电压方向与流过它的电流方向相同,从而使流过[S2]的电流增加;[L1]的电压与流过它的电流相反,从而使流过[S1]的电流减少;当流经[S1]的电流降为零,打开[S1],实现了零电流关断;然后使开关[S3]与[S6]闭合,[S4]与[S5]打开,变压器[T]的原边[LP]输出为电容器[C]的正向电压,为正电压,[L2]的两端输出为变压器变压后的正值电压,电压方向与同名端决定的方向相同,大小为电容器[C]的电压/变压器变比,即磁体[L]两端电压,它与磁体[L]的电流[I]方向相反,磁体[L]放电;若开关[S1]与[S2]都闭合,磁体[L]两端电压为零,磁体[L]的电流[I]保持不变,以上为开关[S1]与[S2]、[S3]与[S6]、[S4]与[S5]的动作的下半周;通过调节开关[S1]与[S2],[S3]与[S6]和[S4]与[S5]的在半周内的占空比,可调节磁体[L]两端的平均电压,即调节磁体[L]的放电电压。
3.按照权利要求1所述的用于电流调节器的控制方法,其特征在于电流调节器的结构如(3)所述时,对其的控制方法如(4)所述(3)电流调节器的电压单元[UV]由一直流侧为电容器[C]与分别由绝缘门极双极型晶体管IGBT[T5]和[T6]、[T7]和[T8]两两串联组成的电压源换流器的两个桥臂并联组成,两个桥臂的中点,即电压源换流器的交流输出与变压器[T]原边相连;电流单元[UI]由绝缘门极双极型晶体管IGBT[T1]及与其串联的二极管[D1]与IGBT[T3]及与其串联的二极管[D3]串联组成其一个桥臂,由绝缘门极双极型晶体管IGBT[T2]和与其串联的二极管[D2]与IGBT[T4]及与其串联的二极管[D4]组成另一个桥臂,两个桥臂并联后与超导磁体L串联,连接在电流源换流器的直流侧;两个桥臂的中点,即电流源换流器的交流输出与变压器[T]副边相连;电流源换流器的直流侧与超导磁体[L]连接,而电压源换流器的直流侧电容器[C]与分别由开关[S1]和直流电源[DC]、开关[S2]与负载[LOAD]相串联组成的支路并联连接;(4)开关[S1]闭合,开关[S2]打开时,对磁体[L]充电IGBT[T1]、[T2]、[T3]、[T4]在充电时恒闭合,通过[]D1]、[D2]、[D3]、[D4]进行整流,IGBT[T5]与[T8]闭合,[T6]与[T7]打开,变压器[T]副边承受正压,并通过[D2]、[D3]对磁体进行充电;流经[D2]、[D3]的电流增加,[D1]、[D4]的电流减少,最终,[D1]、[D4]的电流减少到零;而后,[T5]、[T8]打开,[D1]、[D4]的电流逐渐增加,[D2]、[D3]的电流逐渐减少,两者最终相等,磁体[L]通过两并联桥臂续流,不充不放;以上为IGBT[T5]、[T6]、[T7]、[T8]的动作的上半周;IGBT[T6]与[T7]闭合,[T5]与[T8]打开,变压器[T]副边承受正压,并通过[D1]、[D4]对磁体[L]进行充电,流经[D1]、[D4]的电流增加,[D2]、[D3]的电流减少,最终,[D2]、[D3]的电流减少到零;而后,[T6]、[T7]打开,[D2]、[D3]的电流逐渐增加,[D1]、[D4]的电流逐渐减少,两者最终相等,磁体[L]通过两并联桥臂续流,不充不放;以上为IGBT[T5]、[T6]、[T7]、[T8]的动作的下半周;开关[S2]闭合,开关[S1]打开时,对磁体[L]放电若IGBT[T1]、[T2]、[T3]、[T4]皆闭合,此时超导磁体[L]流过的电流[I]通过两个并联桥臂进行续流,既不充电,也不放电;此时若使IGBT[T5]与[T8]闭合,[T6]与[T7]打开,则流过[T2]、[T3]的电流增加,[T1]、[T4]的电流减少,当[T1]、[T4]的电流完全减少到零时,关断[T1]、[T4],从而实现了零电流的关断,[T1]、[T4]关断后,再关断[T5]和[T8],此时通过[T6]和[T7]的反并联寄生二极管进行放电;放电一段时间后,若闭合[T1]、[T4],由于[T1]、[T4]上承受磁体[L]放电造成的正压降,所以[T1]、[T4]自然开通,磁体[L]在两个桥臂上续流,既不充电,也不放电;以上为IGBT[T5]、[T6]、[T7]、[T8]动作的上半周;接上半周,IGBT[T1]、[T2]、[T3]、[T4]皆闭合,若IGBT[T6]与[T7]闭合,[T5]与[T8]打开,则流过[T1]、[T4]的电流增加,[T2]、[T3]的电流减少,当[T2]、[T3]的电流完全减少到零时,关断[T2]、[T3],从而实现了零电流的关断,[T2]、[T3]关断后,再关断[T6]和[T7],此时通过[T5]和[T8]的反并联寄生二极管进行放电,从而实现了零电流换向;放电一段时间后,若闭合[T2]、[T3],由于[T2]、[T3]上承受磁体[L]放电造成的正压降,所以[T2]、[T3]自然开通,磁体[L]在两个桥臂上续流,既不充电,也不放电。
4.按照权利要求1所述的用于电流调节器的控制方法,其特征在于电流调节器的结构如(5)所述时,对其的控制方法如(6)所述(5)电流调节器的电压单元[UV]为一直流侧为电容器[C]与分别由绝缘门极双极型晶体管IGBT[T5]和[T6]、[T7]和[T8]两两串联组成的电压源换流器的两个桥臂并联组成,两个桥臂的中点,即电压源换流器的交流输出与变压器[T]原边相连;电流单元[UI]为一电流源换流器,它的直流侧为超导磁体[L]与分别由晶闸管[G1]和[G2]、[G3]和[G4]两两串联组成的电流源换流器的两个桥臂并联组成,两个桥臂的中点,即电流源换流器的交流输出与变压器[T]副边相连;电流源换流器的直流侧与超导磁体[L]连接,而电压源换流器的直流侧电容器[C]与分别由开关[S1]和直流电源[DC]、开关[S2]与负载[LOAD]相串联组成的支路并联连接;(6)开关[S1]闭合,开关[S2]打开时,对磁体[L]充电首先给晶闸管[G2]、[G3]触发信号,然后使IGBT[T5]与[T8]闭合,[T6]与[T7]打开,变压器[T]副边承受正压,使[G2]、[G3]导通,并通过[G2]、[G3]对磁体[L]充电;流经[G2]、[G3]的电流增加,[G1]、[G4]的电流减少,最终,[G1]、[G4]的电流减少到零,待[G2]、[G3]导通后撤除触发信号;在[T5]和[T8]触发脉冲下降沿到来之前,触发[G1]、[G4],当下降沿到来的时候,由于[G1]、[G4]承受正向电压而自然开通,超导磁体[L]流过的电流[I]通过两个并联桥臂续流,进入既不充电,又不放电的状态;以上为开关管的动作上半周;接上半周,此时在续流状态下,给晶闸管[G1]、[G4]触发信号,然后使IGBT[T6]与[T7]闭合,[T5]与[T8]打开,变压器[T]副边承受负压,使[G1]、[G4]导通,并通过[G1]、[G4]对磁体充电;流经[G1]、[G4]的电流增加,[G2]、[G]3的电流减少,最终,[G2]、[G3]的电流减少到零,待[G1]、[G4]导通后撤除触发信号;在[T6]和[T7]触发脉冲下降沿到来之前,触发[G2]、[G3],当下降沿到来的时候,由于[G2]、[G3]承受正向电压而自然开通,超导磁体[L]流过的电流通过两个并联桥臂续流,进入既不充电,又不放电的状态;开关[S2]闭合,开关[S1]打开时,对磁体[L]放电首先,给晶闸管[G2]、[G3]触发信号,此时若使IGBT[T5]与[T8]闭合,[T6]与[T7]打开,则流过[G2]、[G3]的电流增加,[G1]、[G4]的电流减少,当[G1]、[G4]的电流完全减少到零时,[G1]、[G4]过零关断,[G1]、[G4]关断后,再关断[T5]和[T8],此时通过[T6]和[T7]的反并联寄生二极管进行放电;放电一段时间后,给[G1]、[G4]触发脉冲,由于[G1]、[G4]上承受磁体放电造成的正压降,所以[G1]、[G4]自然开通,磁体[L]电流在两个桥臂上续流,既不充电,也不放电;以上为晶闸管[G1]、[G2]、[G3]、[G4],IGBT[T5]、[T6]、[T7]、[T8]的动作的上半周;接上半周,[G1]、[G2]、[G3]、[G4]续流导通,为了防止流过[G1]、[G4]的电流降为零,晶闸管[G1]、[G4]触发信号此时仍未撤去,然后使IGBT[T6]与[T7]闭合,[T5]与[T8]打开,则流过[G1]、[G4]的电流增加,[G2]、[G3]的电流减少,当[G2]、[G3]的电流完全减少到零时,[G2]、[G3]过零关断,[G2]、[G3]关断后,撤去[G1]、[G4]的触发信号,再关断[T6]和[T7],此时通过[T5]和[T8]的反并联寄生二极管进行放电,从而实现了零电流换向;放电一段时间后,若给[G2]、[G3]触发信号,由于[G2]、[G3]上承受磁体放电造成的正压降,所以[G2]、[G3]自然开通,磁体[L]在两个桥臂上续流,既不充电,也不放电。
全文摘要
一种用于超导磁体充放电电流调节器的控制方法。电压单元[U
文档编号H02M3/28GK1874129SQ20051001183
公开日2006年12月6日 申请日期2005年6月1日 优先权日2005年6月1日
发明者赵彩宏, 李顺, 郭文勇, 肖立业, 林良真, 余运佳 申请人:中国科学院电工研究所

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