[发明专利]一种超导储能磁体输出变流器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于超导储能磁体向外输出能量的变流器。

背景技术

近几十年来，由于电力电子技术的迅速发展，低温制冷技术的进步以及中小规模超导储能磁体制造工艺的日趋成熟，使得人们对超导储能(SMES)系统以及超导储能磁体的应用研究投入了极大的热情。在超导电力领域，微型超导储能磁体系统在国外已经实现了商品化，广泛用于改善电能质量，提高电力系统稳定性。

超导储能(SMES)磁体是将能量以电磁能的形式储存在超导线圈中的一种快速、高效的储能装置。与其他储能装置比较，SMES具有储能大、转换效率高、响应迅速、对环境无污染、控制方便及使用灵活等优点。

超导储能磁体实际上是一个储存一定能量的大电感，相当于一个直流单元，当超导储能磁体向外输出能量时，超导储能磁体中的电流也随之不断衰减，输出电压也不断发生变化。由于大多数用电设备都需要稳定的输出电压，所以超导储能磁体必须结合变流装置才能实现稳定的输出。因此变流器是实现能量在超导储能磁体及负载间转换的重要部件。

超导储能磁体变流器目前常用方案为直流斩波电路，美国专利Pub.No.US2002/0030952“超导磁体放电方法及装置”，该专利通过直流斩波电路对超导储能磁体放电过程进行控制，维持电压的稳定输出。该专利所述变流器采用单极Boost电路，在开关管关断的时候，超导磁体两端的电压就是输出电容两端的电压。而超导磁体系统由于低温绝缘和其他一些条件所限，磁体两端的电压不能很高，这就使得该专利所述的变流器输出电压不能太高，这就限制了超导储能磁体的应用，同时在输出电压较高时，这种直接对磁体电流进行斩切的方式将会带来很大的开关损耗，降低了变流器的效率。另为还有中国专利200710175333.8“一种用于超导储能系统能量转换的变流器”，该专利所述的变流器采用两级Boost电路，即在上述美国专利采用的单极Boost电路后再加一级Boost升压电路。该专利所述的变流器的输出电压范围大大提高，但两级Boost电路结构却复杂了许多，更糟糕的是超导储能磁体的能量要经过两级传输，能量传输的效率将大大降低。

发明内容

本发明针对上述现有变流器的缺陷，提出一种新的变流器。本发明的变流器工作时，超导储能磁体两端电压可以维持在很低的水平，而输出电压则可以根据实际需要调整，达到很高的电压等级；而且本发明结构简单，工作效率高。

本发明采用的技术方案为：先采用桥式斩波电路将超导储能磁体输出的直流电压斩切成交流脉冲电压，再采用脉冲升压变压器进行升压，然后通过全桥整流电路将交流脉冲电压整流成稳定直流电压。变流器工作时，超导储能磁体两端的电压等于脉冲升压变压器的原边电压，这就意味脉冲升压变压器的原边电压必须维持在较低的电压等级。输出电压则可以通过改变脉冲升压变压器的升压比来满足负载要求的高电压等级。

本发明的变流器包括由两个绝缘栅双级晶体管(IGBT)串联组成的桥式斩波电路、脉冲升压变压器、全桥整流电路和滤波电容。脉冲升压变压器原边带有中间抽头，原边的中间抽头同超导储能磁体的正极连接，而脉冲升压变压器原边两端的抽头分别同两个绝缘栅双级晶体管的集电极连接；两个绝缘栅双级晶体管的发射极串联起来然后连接到超导储能磁体的负极；脉冲升压变压器副边两端的抽头同全桥整流电路的输入端连接，全桥整流电路的输出端并联一个滤波电容作为变流器输出端。

如果桥式斩波电路上桥臂的绝缘栅双级晶体管导通，而下桥臂的绝缘栅双级晶体管关断时，超导储能磁体的电流在脉冲升压变压器的上半部、桥式斩波电路上桥臂的绝缘栅双级晶体管及超导储能磁体组成的回路流通，此时脉冲升压变压器输出一个正脉冲电压；如果桥式斩波电路上桥臂的绝缘栅双级晶体管关断，下桥臂的绝缘栅双级晶体管导通时，超导储能磁体的电流在脉冲升压变压器的下半部、桥式斩波电路下桥臂的绝缘栅双级晶体管及超导储能磁体组成的回路流通，此时脉冲升压变压器输出一个负脉冲电压；如果桥式斩波电路上下桥臂的绝缘栅双级晶体管都导通，则上述两个回路同时流通超导储能磁体的电流，此时脉冲升压变压器没有电压输出。通过控制桥式斩波电路上下桥臂的绝缘栅双级晶体管的交替导通和关断，就可以使脉冲升压变压器输出一个交流的脉冲电压，再通过全桥整流和滤波电路就可以输出一个稳定的直流电压。通过调节两个绝缘栅双级晶体管开关的占空比就可以精确控制输出电压的大小，以达到输出电压连续可调可控的目的。

附图说明