专利名称：一种超导储能磁体输入输出一体变流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于超导储能磁体的变流器。
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无电阻的大电感，其将电能转化为电磁能储存在电磁场中。超导储能磁体在蓄能时需要有充电电源为其充电，将外部的电能输入到超导储能磁体中；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，所以超导储能磁体需要配备输出变流装置以实现稳定的能量输出；当超导储能磁体不幸发生失超时需要有失超卸能装置快速将超导储能磁体中储存的能量释放出来，以防止超导储能磁体储存的能量转化为热能烧毁超导储能磁体。因此，传统的超导储能系统中一般都配备有充电电源、输出变流器及失超卸能装置。这些设备不但占地空间大， 而且成本昂贵。
发明内容
本发明的目的是提出一种能够实现超导储能磁体的充电输入、变流输出及失超卸能三种功能的一体变流器。本发明不但减少了超导储能系统的整体体积，而且节省了成本费用。本发明的一体变流器包括由四个电力电子开关串并联组成的全桥开关电路、卸能电阻、滤波电容和双向斩波电路。四个电力电子开关两两串联形成全桥开关电路的两个桥臂，两个桥臂上端的电力电子开关的发射极并联形成全桥开关电路的正极，两个桥臂下端的电力电子开关的基极并联形成全桥开关电路的负极。全桥开关电路的两个桥臂的中点作为一体变流器的交流输入或输出端，全桥开关电路的正极和负极作为一体变流器的直流输入或输出端。全桥开关电路的正极同一个接触器的常闭触点连接，接触器的常开触点同卸能电阻的一端连接，接触器的主触点同滤波电容的一端连接，卸能电阻和滤波电容的另一端同时连接到全桥开关电路的负极上。双向斩波电路由一个正向电力电子开关、一个正向二极管、一个逆向电力电子开关及一个逆向二极管组成。正向电力电子开关的发射极同逆向二极管的阳极连接，逆向二极管的阴极同逆向电力电子开关的发射极连接，逆向电力电子的基极同正向二极管的阴极连接，正向二极管的阳极连接到全桥开关电路的负极，而正向电力电子开关的基极连接到接触器的主触点上。超导储能磁体并联在逆向电力电子开关和逆向二极管组成的支路两端。本发明的一体变流器中所采用的电力电子开关可为绝缘栅双级晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。当超导储能磁体需要充电蓄能时，本发明的一体变流器作为充电电源向超导储能磁体输入能量。此时，全桥开关电路中的四个电力电子开关全部导通形成全桥整流电路，两个桥臂的中点作为输入端连接到交流电源上，接触器闭合常闭触点，交流电经过全桥开关电路的整流及滤波电容的滤波后变成恒压直流电。双向斩波电路中的逆向电力电子开关一直导通，再导通正向电力电子开关就可以实现向超导储能磁体充电，如果控制正向电力电子开关的通断占空比就可以控制向超导储能磁体充电的速度。当超导储能磁体需要向外输出能量时，本发明的一体变流器作为输出变流器实现超导储能磁体的能量输出。此时，全桥开关电路中的四个电力电子开关交替导通和关断形成逆变桥电路，接触器闭合常闭触点，双向斩波电路中的正向电力电子开关一直导通，关断逆向电力电子开关就可以实现超导储能磁体向外输出能量，超导储能磁体输出电压经过滤波电容的滤波就可以得到一个恒压直流输出。如果控制逆向电力电子开关的通断占空比就可以控制超导储能磁体输出能量的速度，从而控制滤波电容两端电压的大小。全桥开关电路的正极和负极连接负载就可以实现恒压直流输出，全桥开关电路中两个桥臂中点连接负载就可以实现交流输出。当超导储能磁体发生失超时，本发明的一体变流器作为卸能装置实现超导储能磁体的能量快速释放。此时，接触器闭合常开触点，全桥开关电路不工作，双向斩波电路中的正向电力电子开关一直导通，关断逆向电力电子开关的就可以实现超导储能磁体向卸能电阻卸放能量，通过控制逆向电力电子开关的通断占空比就可以控制超导储能磁体向卸能电阻释放能量的速度，从而保护超导储能磁体不被烧毁。
图1是本发明的主电路原理图，图中1全桥开关电路，2双向斩波电路，S1、S2、S3、 S4、S5、S6电力电子开关，K接触器，R卸能电阻，C滤波电容，Dl、D2 二极管，L超导储能磁体，A全桥开关电路的正极，B全桥开关电路的负极，a、b全桥开关电路中两桥臂中点，Pl接触器主触点，P2接触器常闭触点，P3接触器常开触点。
具体实施例方式
以下结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。 如附图所示，本发明的一体变流器包括全桥开关电路1、卸能电阻R、滤波电容C和双向斩波电路2。全桥开关电路1由四个电力电子开关串并联组成，其中第三电力电子开关 S3和第五电力电子开关S5串联形成全桥开关电路1的左桥臂，第四电力电子开关S4和第六电力电子开关S6串联形成全桥开关电路1的右桥臂。所述的第三电力电子开关S3和第四电力电子开关S4的发射极并联形成全桥开关电路1的正极，所述的第五电力电子开关S5 和第六电力电子开关S6的基极并联形成全桥开关电路1的负极。全桥开关电路1左右两个桥臂的中点作为所述的一体变流器的交流输入端或输出端Uab，全桥开关电路1的正极和负极作为一体变流器的直流输入端或输出端UAB。全桥开关电路1的正极同接触器K的常闭触点P2连接，接触器K的常开触点P3同卸能电阻R的一端连接，接触器K的主触点Pl同滤波电容C的一端连接，卸能电阻R和滤波电容C的另一端同时连接到全桥开关电路1的负极。双向斩波电路2由一个正向第一电力电子开关Si、一个正向第一二极管D1、一个逆向第二电力电子开关S2及一个逆向第二二极管D2组成。正向第一电力电子开关Sl的发射极同逆向第二二极管的阳极D2连接，逆向第二二极管D2的阴极同逆向第二电力电子开关S2的发射极连接，逆向第二电力电子开关S2的基极同正向第一二极管Dl的阴极连接， 正向第一二极管Dl的阳极连接到全桥开关电路1的负极，而正向第一电力电子开关Sl的基极连接到接触器K的主触点Pl上。超导储能磁体L并联在逆向第二电力电子开关S2和逆向第二二极管D2组成的支路两端。本发明的一体变流器中所采用的电力电子开关可为绝缘栅双级晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。本发明的一体变流器作为充电电源向超导储能磁体L输入能量时，全桥开关电路 1中的四个电力电子开关全部导通形成全桥整流电路，左右桥臂的中点作为输入端连接到交流电源上，接触器K闭合常闭触点P2，交流电经过全桥开关电路1的整流及滤波电容C的滤波后变成恒压直流电。双向斩波电路2中的逆向电力电子开关S2 —直导通，再导通正向电力电子开关Sl就可以实现向超导储能磁体L充电，如果控制正向电力电子开关Sl的通断占空比就可以控制向超导储能磁体L充电的速度。本发明的一体变流器作为输出变流器实现超导储能磁体L的能量输出时，全桥开关电路1中的四个电力电子开关交替导通和关断形成逆变桥电路，接触器K闭合常闭触点 P2，双向斩波电路2中的正向电力电子开关Sl 一直导通，关断逆向电力电子开关S2就可以实现超导储能磁体L向外输出能量，超导储能磁体L输出电压经过滤波电容C的滤波就可以得到一个恒压直流输出。如果控制逆向电力电子开关S2的通断占空比就可以控制超导储能磁体L输出能量的速度，从而控制滤波电容C两端电压的大小。全桥开关电路1的正极和负极连接负载就可以实现恒压直流输出，全桥开关电路1中左右桥臂中点连接负载就可以实现交流输出。本发明的一体变流器作为失超卸能装置实现超导储能磁体L的能量快速释放时， 接触器K闭合常开触点P3，全桥开关电路1不工作，双向斩波电路2中的正向电力电子开关Sl —直导通，关断逆向电力电子开关S2的就可以实现超导储能磁体L向卸能电阻R卸放能量，通过控制逆向电力电子开关S2的通断占空比就可以控制超导储能磁体L向卸能电阻R释放能量的速度，从而保护超导储能磁体L不被烧毁。
权利要求
1.一种超导储能磁体输入输出一体变流器，其特征是，所述的一体变流器由全桥开关电路(1)、卸能电阻R、滤波电容C和双向斩波电路⑵组成；全桥开关电路⑴的正极同一个接触器K的常闭触点P2连接，接触器K的常开触点P3同卸能电阻R的一端连接，接触器 K的主触点Pl同滤波电容C的一端连接，卸能电阻R和滤波电容C的另一端同时连接到全桥开关电路⑴的负极；双向斩波电路⑵中的正向第一二极管(Dl)的阳极连接到全桥开关电路(1)的负极，正向第一电力电子开关(Si)的基极连接到接触器K的主触点Pl上； 超导储能磁体L并联在逆向第二电力电子开关(S2)和逆向第二二极管(D2)组成的支路两端。
2.按照权利要求1所述的超导储能磁体输入输出一体变流器，其特征在于所述的全桥开关电路⑴由四个电力电子开关串并联组成，其中第三电力电子开关(S3)和第五电力电子开关(S5)串联形成全桥开关电路(1)的左桥臂，第四电力电子开关(S4)和第六电力电子开关(S6)串联形成全桥开关电路(1)的右桥臂；所述的第三电力电子开关(S3)和第四电力电子开关(S4)的发射极并联形成全桥开关电路(1)的正极，所述的第五电力电子开关 (S5)和第六电力电子开关(S6)的基极并联形成全桥开关电路(1)的负极；全桥开关电路 (1)左右两个桥臂的中点作为所述的一体变流器的交流输入端或输出端Uab，全桥开关电路 (1)的正极和负极作为所述的一体变流器的直流输入端或输出端Uab ；所述的双向斩波电路 ⑵由正向第一电力电子开关(Si)、正向第一二极管(Dl)、逆向第二电力电子开关(S2)及逆向第二二极管(D2)组成；正向第一电力电子开关(Si)的发射极同逆向第二二极管的阳极(D2)连接，逆向第二二极管(D2)的阴极同逆向第二电力电子开关(S2)的发射极连接， 逆向第二电力电子开关(S2)的基极同正向第一二极管(Dl)的阴极连接。
3.按照权利要求1所述的超导储能磁体输入输出一体变流器，其特征在于，一体变流器作为充电电源向超导储能磁体L输入能量时，全桥开关电路(1)中的四个电力电子开关全部导通形成全桥整流电路，左右桥臂的中点作为输入端连接到交流电源上，接触器K闭合常闭触点P2，交流电经过全桥开关电路(1)的整流及滤波电容C的滤波后变成恒压直流电；双向斩波电路(2)中的逆向电力电子开关S2 —直导通，再导通正向电力电子开关Sl就可以实现向超导储能磁体L充电，如果控制正向电力电子开关Sl的通断占空比就可以控制向超导储能磁体L充电的速度。
4.按照权利要求1所述的超导储能磁体输入输出一体变流器，其特征在于，一体变流器作为输出变流器实现超导储能磁体L向外输出能量时，全桥开关电路(1)中的四个电力电子开关交替导通和关断形成逆变桥电路，接触器K闭合常闭触点P2，双向斩波电路(2)中的正向电力电子开关Sl 一直导通，关断逆向电力电子开关S2就可以实现超导储能磁体L 向外输出能量，超导储能磁体L输出电压经过滤波电容C的滤波就可以得到一个恒压直流输出；如果控制逆向电力电子开关S2的通断占空比就可以控制超导储能磁体L输出能量的速度，从而控制滤波电容C两端电压的大小；全桥开关电路(1)的正极和负极连接负载就可以实现恒压直流输出，全桥开关电路(1)中左右桥臂中点连接负载就可以实现交流输出。
5.按照权利要求1所述的超导储能磁体输入输出一体变流器，其特征在于，一体变流器作为失超卸能装置实现超导储能磁体L的能量快速释放时，接触器K闭合常开触点P3，全桥开关电路(1)不工作，双向斩波电路(2)中的正向电力电子开关Sl—直导通，关断逆向电力电子开关S2的就可以实现超导储能磁体L向卸能电阻R卸放能量，通过控制逆向电力电子开关S2的通断占空比就可以控制超导储能磁体L向卸能电阻R释放能量的速度。
全文摘要
一种超导储能磁体输入输出一体变流器，能够实现超导储能磁体L的充电输入、变流输出及失超卸能三种功能，包括全桥开关电路(1)、卸能电阻R、滤波电容C和双向斩波电路(2)。全桥开关电路(1)的正极同接触器K的常闭触点P2连接，接触器K的常开触点P3同卸能电阻R的一端连接，接触器K的主触点P1同滤波电容C的一端连接。双向斩波电路(2)并联在滤波电容C两端，双向斩波电路(2)由正向电力电子开关S1、正向二极管D1、逆向电力电子开关S2及逆向二极管D2串联组成。超导储能磁体L并联在逆向电力电子开关S2和逆向二极管D2组成的支路两端。
文档编号H02J15/00GK102222983SQ20111016009
公开日2011年10月19日 申请日期2011年6月15日 优先权日2011年6月15日
发明者戴银明, 王秋良, 陈顺中 申请人:中国科学院电工研究所