一种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
本发明涉及用于超导磁体充放电电流调节器的一种控制方法,特别涉及电流调节器的辅助电势移相控制方法。
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,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《超导磁体充放电电流调节装置》提出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),即磁体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,本发明提出了针对这种电流调节器的控制方法——辅助电势移相控制方法,本发明在开关过程中实现了超导磁体侧开关管零电流关断,有效地降低了开关的损耗。
本发明的辅助电势移相控制方法是依据移相控制和辅助电势的基本原理。移相控制是DC/DC变换器的一种基本的控制方法,它通过超前桥臂和滞后桥臂之间的相对相移,灵活调整充放电的功率,同时还可以实现电流调节器的电压源换流器的零电压关断和零电压开通。辅助电势的原理是实现零电流关断的关键。所谓的辅助电势,就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UV相连接的原边,L1、L2分别为变压器T与电流单元UI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D1、D2、D3、D4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所提供的辅助电势移相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所提供的辅助电势移相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所提供的辅助电势移相充电控制方式的原理图;图10为本发明为图3所示的实施例2所提供的辅助电势移相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专利03137460.3的主电路线路图如图1所示,图2是专利03137460.3的主电路原理图。
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UV、变压器单元UT,与电流单元UI三部分组成。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。
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UI相连接的副边的两个绕组,*表示变压器同名端。
下面以图2为例,对辅助电势移相控制方式作说明。
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。若打开S3,闭合S4,则变压器T原边电流通过S4、S6续流,变压器T的原边LP输出电压为零,L2两端的电压也因此变为零,从而使磁体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;接上半周,闭合S5,打开S6,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;若打开S4,闭合S3,则变压器T原边电流通过S3、S5续流,变压器T的原边LP输出电压为零,L2两端的电压也因此变为零,从而使磁体L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S4和S5与S6的相对相移,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UV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。设磁体L的电流I方向如图2所示。开关逻辑关系如下S1、S2闭合,超导磁体电流I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S3打开,S4闭合,则变压器T原边电流通过S4、S6续流,变压器T的原边LP输出电压为零,L2两端的电压也因此变为零,从而使磁体L两端电压为零,磁体L的电流I保持不变。然后再使S5闭合,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),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。以上为开关S1与S2、S3与S6、S4与S5的动作的上半周;接上半周,闭合开关S2,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。然后闭合S3,打开S4,则变压器T原边电流通过S3、S5续流,变压器T的原边LP输出电压为零,L2两端的电压也因此变为零,从而使磁体L两端电压为零,磁体L的电流I保持不变。然后再使S5打开,S6闭合,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,它与磁体的电流I方向相反,磁体L放电。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。它由电流单元UI、变压器UT,与电压单元UV三部分组成。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及与其串联的二极管D1和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及与其串联的二极管D2和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。其中直流侧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。它由电流单元UI、变压器UT,与电压单元UV三部分组成。变压器单元UT为原副边皆不带抽头的普通变压器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 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。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。它由电流单元UI、变压器单元UT,与电压单元UV三部分组成。变压器单元UT为与电流单元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。它由电流单元UI、变压器单元UT,与电压单元UV三部分组成。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,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晶闸管G1、G2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所示实例1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和T7导通角相差180°,中间相隔一小段死区。IGBT T8和T5也相差180°,中间相隔一小段死区。T5和T7为超前桥臂,T8和T6为滞后桥臂。若IGBT T5与T8闭合,T6与T7打开,变压器T的原边绕组输出为电容器C1的电压,为正电压,变压器T副边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C1的电压/变压器变比,给磁体L充电。充电一段时间后,若T5打开,T7闭合,T6,T8的状态不变,则变压器T原边电流通过T8与T7的反并联二极管续流,变压器T的原边绕组的输出电压为零,副边绕组的电压也变为零,超导磁体L既不充电也不放电。以上为IGBT T5、T6、T7、T8的动作上半周;接上半周的时序,打开T8,闭合T6,此时T6、T7闭合,T5、T8打开,变压器T副边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C1的电压/变压器变比,磁体L两端电压与T1副边两端的电压方向相反,大小相等其值依然为正的。给磁体L充电。充电一段时间后,若T7打开,T5闭合,T6,T8的状态不变,则变压器T原边电流通过T6与T5的反并联二极管续流,变压器T的原边绕组的输出电压为零,副边绕组的电压也变为零,超导磁体L既不充电也不放电。
图8是本发明为图3所示实例1所提供的放电控制方式原理图,下面就此原理图说明开关器件的动作逻辑关系开关S2闭合,开关S1打开时,对磁体L放电。设磁体L的电流I方向如图1所示,若IGBT T5与T8闭合,T6与T7打开,变压器T的原边输出为电容器C1的电压,为正电压,此时T1、T4闭合,T2、T3打开,T副边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C1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。放电一段时间后,打开T2、T3,由于变压器副边输出为正电压,此电压使流过T2、T3的电流增加,T1、T4的电流减少,当T1、T4的电流减少到零后,打开T1、T4从而实现了零电流关断,关断后打开T5,闭合T7,变压器T原边电流通过T8和T7的反并联二极管续流,变压器T的原边绕组的输出电压为零,副边绕组的电压也变为零,超导磁体L既不充电也不放电。以上为IGBT T5、T6、T7、T8的动作的上半周;接上半周的时序,续流一段时间后,闭合T6,打开T8,变压器T的原边输出为电容器C1的反向电压,为负电压,变压器T副边的电压方向由同名端决定,大小为电容器C1的电压/变压器变比,电压方向与同名端决定的方向相反,也与磁体L的电流I方向相反,磁体L放电。此后,开通T1、T4,变压器T副边的两端输出的负值电压使流过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,关断后打开T7,闭合T5,变压器T原边电流通过T6和T5的反并联二极管续流,变压器T的原边绕组的输出电压为零,副边绕组的电压也变为零,超导磁体L既不充电也不放电。以上为IGBT T5、T6、T7、T8的动作的下半周。
图9是本发明为图4所示的实例2所提供的充电控制方式原理图,其原理图与图4基本相同,所不同的是在上半周,T5与T8闭合之前,必须给G2、G3触发脉冲,并在T5、T8闭合之后保持一段时间,以保证G2、G3能导通;在下半周,T6与T7闭合之前,必须给G1、G4触发脉冲,并在T5、T8闭合之后保持一段时间,以保证T1、T4能导通。
图10是本发明为图4所示的实例2所提供的放电控制方式原理图,其原理与图5基本相同,所不同的是在上半周,在T5关断之前,必须给G2、G3足够宽的触发脉冲,以保证G2、G3导通,并使G1、G4关断;在下半周,在T7关断之前,必须给G1、G4足够宽的触发脉冲,以保证G1、G4导通,并使G2、G3关断。
本发明对实例3控制原理与实例1相同,对实例4的控制原理与和实例2相同。
权利要求
1.一种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]采用全桥移相控制方式,通过超前桥臂和滞后桥臂之间的相对相移,调整充放电的功率;电流单元[UI]通过电压单元[UV]提供的辅助电势,其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,然后控制电压单元[UV]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,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。
2.按照权利要求1所述的控制方法,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[U门为一电流源换流器,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;若打开[S3],闭合[S4],则变压器[T]原边电流通过[S4]、[S6]续流,变压器[T]的原边LP输出电压为零,[L2]两端的电压也因此变为零,从而使磁体[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;接上半周,闭合[S5],打开[S6],变压器[T]通过超前桥臂和滞后桥臂之间的相对相移,调整充放电的功率的原边[LP]通过超前桥臂和滞后桥臂之间的相对相移,调整充放电的功率输出为电容器[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;若打开[S4],闭合[S3],则变压器[T]原边电流通过[S3]、[S5]续流,变压器[T]的原边LP输出电压为零,[L2]两端的电压也因此变为零,从而使磁体[L]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[S4]和[S5]与[S6]的相对相移,可调节磁体[L]两端的平均电压;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[UV]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,即是变压器[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,超导磁体电流[I]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[S3]打开,[S4]闭合,则变压器[T]原边电流通过[S4]、[S6]续流,变压器[T]的原边[LP]输出电压为零,[L2]两端的电压也因此变为零,从而使磁体[L]两端电压为零,磁体[L]的电流[I]保持不变,然后再使[S5]闭合,[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]的两端输出为变压器变压后的负值电压,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,磁体电压与磁体[L]的电流I方向相反,磁体[L]放电;以上为开关[S1]与[S2]、[S3]与[S6]、[S4]与[S5]的动作的上半周;接上半周,闭合开关[S2],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;然后闭合[S3],打开[S4],则变压器[T]原边电流通过[S3]、[S5]续流,变压器[T]的原边[LP]输出电压为零,[L2]两端的电压也因此变为零,从而使磁体[L]两端电压为零,磁体[L]的电流[I]保持不变。然后再使[S5]打开,[S6]闭合,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,它与磁体的电流[I]方向相反,磁体[L]放电,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。
3.按照权利要求1所述的控制方法,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]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]及与其串联的二极管[D1]和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]及与其串联的二极管[D2]和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]和[T7]导通角相差180°,中间相隔一小段死区,IGBT[T8]和[T5]也相差180°,中间相隔一小段死区;[T5]和[T7]为超前桥臂,[T8]和[T6]为滞后桥;若IGBT[T5]与[T8]闭合,[T6]与[T7]打开,变压器[T]的原边绕组输出为电容器[C1]的电压,为正电压,变压器[T]副边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]1的电压/变压器变比,给磁体[L]充电;充电一段时间后,若[T5]打开,[T7]闭合,[T6],[T8]的状态不变,则变压器[T]原边电流通过[T8]与[T7]的反并联二极管续流,变压器[T]的原边绕组的输出电压为零,副边绕组的电压也变为零,超导磁体[L]既不充电也不放电;以上为IGBT[T5]、[T6]、[T7]、[T8]的动作上半周;接上半周的时序,打开[T8],闭合[T6],此时[T6]、[T7]闭合,[T5]、[T8]打开,变压器[T]副边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[C1]的电压/变压器变比,磁体[L]两端电压与变压器[T]副边两端的电压方向相反,大小相等,其值依然为正;给磁体[L]充电,充电一段时间后,若[T7]打开,[T5]闭合,[T6],[T8]的状态不变,则变压器[T]原边电流通过[T6]与[T5]的反并联二极管续流,变压器[T]的原边绕组的输出电压为零,副边绕组的电压也变为零,超导磁体[L]既不充电也不放电;开关[S2]闭合,开关[S1]打开时,对磁体[L]放电,若IGBT[T5]与[T8]闭合,[T6]与[T7]打开,变压器[T]的原边输出为电容器[C1]的电压,为正电压,此时[T1]、[T4]闭合,[T2]、[T3]打开,[T]副边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C1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;放电一段时间后,打开[T2]、[T3],由于变压器[T]副边输出为正电压,此电压使流过[T2]、[T3]的电流增加,[T1]、[T4]的电流减少,当[T1]、[T4]的电流减少到零后,打开[T1]、[T4]从而实现了零电流关断,关断后打开[T5],闭合[T7],变压器原边电流通过[T8]和[T7]的反并联二极管续流,变压器[T]的原边绕组的输出电压为零,副边绕组的电压也变为零,超导磁体[L]既不充电也不放电;以上为IGBT[T5]、[T6]、[T7]、[T8]的动作的上半周;接上半周的时序,续流一段时间后,闭合[T6],打开[T8],变压器[T]的原边输出为电容器[C1]的反向电压,为负电压,变压器副边的电压方向由同名端决定,大小为电容器[C1]的电压/变压器变比,电压方向与同名端决定的方向相反,也与磁体[L]的电流[I]方向相反,磁体[L]放电;此后,开通[T1]、[T4],变压器副边的两端输出的负值电压使流过[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,关断后打开[T7],闭合[T5],变压器原边电流通过[T6]和[T5]的反并联二极管续流,变压器[T]的原边绕组的输出电压为零,副边绕组的电压也变为零,超导磁体[L]既不充电也不放电,以上为IGBT[T5]、[T6]、[T7]、][T8的动作的下半周。
4.按照权利要求1所述的控制方法,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)电流调节器的变压器单元[UT]为原副边皆不带抽头的普通变压器[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[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)充电时,在上半周,[T5]与[T8]闭合之前,给[G2]、[G3]触发脉冲,并在[T5]、[T8]闭合之后保持一段时间,以保证[G2]、[G3]导通;在下半周,[T6]与[T7]闭合之前,给[G1]、[G4]触发脉冲,并在[T5]、[T8]闭合之后保持一段时间,以保证[T1]、[T4]导通;放电时,在上半周,在[T5]关断之前,给[G2]、[G3]足够宽的触发脉冲,以保证[G2]、[G3]导通,并使[G1]、[G4]关断;在下半周,在[T7]关断之前,给[G1]、[G4]足够宽的触发脉冲,以保证[G1]、[G4]导通,并使[G2]、[G3]关断。
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,其特征在于电压单元[U
文档编号H02M3/28GK1874128SQ20051001183
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

最新回复(0)