一种旁路开关与超导磁体电源一体化装置的制作方法

1.本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及一种旁路开关与超导磁体电源一体化装置。


背景技术：

2.大型超导聚变装置超导磁体在极低温、大电流、强扰动等环境下运行易产生失超，超导磁体储存吉焦级的能量需要及时转移出来，否则将造成磁体失超发生点所在区域绝缘损坏以及机械应力变形等不可逆的结果，另外，超导磁体造价高昂、结构复杂、制造周期长、在聚变装置上安装更换困难，因此，失超保护系统是保证超导磁体安全的关键设备。超导磁体失超保护时，失超单元中的失超保护开关动作，且需要磁体电源快速退出并在电源侧形成稳定的泄流通道。
3.现有技术中，超导磁体电源中并不包含旁路开关，且超导磁体电源与旁路开关的控制均为独立控制。磁体电源结构中不含有旁路开关的不足之处在于：不易于实时监控换流状态，且旁路开关不在电源端则在负载端，会增加负载端结构以及控制策略复杂性，不利于整体结构的简化以及整个供电回路的快速控制；超导磁体电源与旁路开关独立控制的不足之处在于：降低了整体的控制效率，供电过程控制不紧密，增加了换流过程控制的延迟时间。
4.因此，如何在超导磁体电源发生失超故障时，快速转移超导磁体中所储存的巨大能量成为急需解决的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型提供一种旁路开关与超导磁体电源一体化装置，能够给超导磁体低纹波低压大电流供电，磁体电源的旁路开关在失超故障发生时迅速导通，在电源输出侧短接形成泄能回路，快速转移磁体中储存的能量。
6.本实用新型通过下述技术方案实现：
7.一种旁路开关与超导磁体电源一体化装置，包括同步变压器、整流变压器、触发电路、控制模块、三相全控整流电路以及旁路开关，所述同步变压器和整流变压器的输入端连接市电，所述旁路开关与所述三相全控整流电路并联设置；
8.所述整流变压器用于为所述三相全控整流电路提供低压供电信号；
9.所述同步变压器用于为所述触发电路提供同步电压信号；
10.所述控制模块用于接收来自超导磁体的电流反馈信号以及失超单元的失超保护信号，并根据所述电流反馈信号和失超保护信号给出逻辑控制信号和移相给定信号，用于控制触发电路；
11.所述触发电路用于接收所述同步变压器的同步电压信号和控制模块的逻辑控制信号以及移相给定信号，根据所述逻辑控制信号对所述同步电压信号进行解封，并根据移相给定信号发出不同触发角的六相脉冲信号来导通三相全控整流电路或旁路开关。
12.作为优化，所述触发电路包括移相触发电路和隔离放大电路，所述移相触发电路的输出端通过光纤与所述隔离放大电路的输入端连接，所述隔离放大电路的输出端与所述三相全控整流电路的触发端连接，所述移相触发电路的输入端与所述同步变压器的输出端连接，所述移相触发电路的控制端与所述控制模块的输出端连接。
13.作为优化，所述三相全控整流电路包括三个并联设置的桥臂组，每组桥臂组与所述整流变压器的其中一相连接，所述旁路开关与所述桥臂组并联设置。
14.作为优化，每组所述桥臂组分别包括串联设置的上桥臂和下桥臂，每组储能模块组由上桥臂和下桥臂串联设置组成，所述上桥臂包括串联设置的第一电容和第一电阻，且所述第一电容和第一电阻的串联链路并联设置有第一晶闸管，所述下桥臂包括串联设置的第二电容和第二电阻，且所述第二电容和第二电阻的串联链路并联设置有第二晶闸管，所述触发电路的触发信号分别与所述第一晶闸管和第二晶闸管的门极连接，所述第二晶闸管的阴极与所述第一晶闸管的阳极连接，且所述整流变压器的输出端设置在所述第二晶闸管的阴极与所述第一晶闸管的阳极之间，所述第一晶闸管的阴极为超导磁体电源的直流输出正端，且超导磁体电源的直流输出正端与所述控制模块的输入端电连接，所述第二晶闸管的阳极为超导磁体电源的直流输出负端。
15.作为优化，还包括第一熔断器和第二熔断器，所述第一熔断器的一端分别与所述第一晶闸管的阳极以及第一电阻的一端连接，所述第二熔断器的一端分别与所述第二晶闸管的阴极以及第二电容的一端连接，所述第一熔断器的另一端以及所述第二熔断器的另一端均与所述整流变压器的输出端连接。
16.作为优化，所述旁路开关包括串联设置的第三电阻和第三电容，所述第三电阻和第三电容的串联链路并联设有旁路晶闸管，且所述旁路晶闸管的门极与所述控制模块连接，所述旁路晶闸管的阴极与所述第一晶闸管的阴极连接，所述旁路晶闸管的阳极与所述第二晶闸管的阳极连接。
17.作为优化，所述整流变压器为三相降压变压器，变比为3000：87。
18.作为优化，所述同步变压器为三相降压变压器，变比为380：30。
19.作为优化，所述移相触发电路由芯片型号为tc787以及相关外围电路组成。
20.作为优化，所述控制模块采用dps数字信号处理器。
21.本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
22.本实用新型基于大型超导磁体低扰动、无阻的特点，采用全晶闸管的具有旁路开关的三相整流电源，研制了一套基于移相触发、光纤传输等技术的数字控制系统，满足了失超故障时整流电路和旁路开关可靠快速切换，且切换时间小于15ms。
附图说明
23.此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：
24.图1为本实用新型一种旁路开关与超导磁体电源一体化装置原理示意图；
25.图2为本发明一种旁路开关与超导磁体电源一体化装置的具体结构示意图；
26.图3为负载电流、整流桥和旁路电流的波形；
27.图4为本实用新型的换流过程示意图。
28.附图中标记及对应的零部件名称：
29.dsp—数字信号处理器，cf—触发电路，tbb—同步变压器，zlb—整流变压器，zlq—三相全控整流桥，pk—旁路开关，yc—移相触发电路，gf—隔离放大电路，zlb—整流变压器，t1、t2、t3、t4、t5、t6—三相全控桥晶闸管，r1c1、r2c2、r3c3、r4c4、r5c5、r6c6、r7c7——阻容吸收，t7—旁路晶闸管，fs1、fs2、fs3、fs4、fs5、fs6、fs7—熔断器。1—三相同步电压信号，2—给定电压uk，3—解封/封锁信号，4—光纤传输，5—触发脉冲。
具体实施方式
30.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
31.实施例1
32.本实施例1提供一种旁路开关与超导磁体电源一体化装置，如图1-图2所示，
33.包括同步变压器tbb、整流变压器zlb、触发电路cf、控制模块、三相全控整流电路zlq以及旁路开关pk，所述同步变压器tbb和整流变压器zlb的输入端连接市电，所述旁路开关pk与所述三相全控整流电路zlq并联设置；
34.所述整流变压器zlb用于为所述三相全控整流电路zlq提供低压供电信号；本实施例中，所述整流变压器为三相降压变压器，采用三角形/星形接法，变比为3000：87，采取380v电网供电，通过整流变压器向整流桥提供11v低压供电。
35.所述同步变压器tbb用于为所述触发电路提供同步电压信号；采用三角形/星形接法，变比为380：30，为触发电路提供30v同步电压信号。
36.所述控制模块用于接收来自超导磁体电源的电流反馈信号以及超导磁体的失超保护信号(失超保护信号是现有技术，属于反馈信号)，并根据所述电流反馈信号和失超保护信号给出逻辑控制信号和移相给定信号，用于控制触发电路cf；
37.所述触发电路cf接收所述同步变压器tbb的同步电压信号和控制模块的逻辑控制信号以及移相给定信号，根据所述逻辑控制信号对所述同步电压信号进行解封，并根据移相给定信号发出不同触发角的六相脉冲信号来导通三相全控整流电路或旁路开关pk。
38.本实用新型设计的一种旁路开关与超导磁体电源一体化装置，旁路开关属于超导磁体电源的一部分，超导磁体电源如图2中的虚线框内所示，且不同于以往磁体电源与旁路开关的分开控制，旁路开关与超导磁体电源同属于一套控制系统之下，一体化控制使整个系统响应速度快，抗干扰效果好，损耗低，电压输出安全稳定。
39.本实施例中，所述控制模块采用dps数字信号处理器。所述触发电路cf包括移相触发电路yc和隔离放大电路gf，所述移相触发电路yc的输出端通过光纤与所述隔离放大电路gf的输入端连接，所述隔离放大电路gf的输出端与所述三相全控整流电路zlq的触发端连接，所述移相触发电路gf的输入端与所述同步变压器tbb的输出端连接，所述移相触发电路gf的控制端与所述控制模块的输出端连接。所述移相触发电路由芯片型号为tc787以及相关外围电路组成。
40.本实施例中，所述三相全控整流电路包括三个并联设置的桥臂组，每组桥臂组分别与所述整流变压器的其中一相连接，所述旁路开关与所述桥臂组并联设置。
41.本实施例中，所述桥臂组分别包括串联设置的上桥臂和下桥臂，每组储能模块组由上桥臂和下桥臂串联设置组成，所述上桥臂包括串联设置的第一电容和第一电阻，且所述第一电容和第一电阻的串联链路并联设置有第一晶闸管。所述下桥臂包括串联设置的第二电容和第二电阻，且所述第二电容和第二电阻的串联链路并联设置有第二晶闸管，所述触发电路的触发信号分别与所述第一晶闸管和第二晶闸管的门极连接，所述第二晶闸管的阴极与所述第一晶闸管的阳极连接，且所述整流变压器的输出端设置在所述第二晶闸管的阴极与所述第一晶闸管的阳极之间，所述第一晶闸管的阴极为超导磁体电源的直流输出正端，且超导磁体电源的直流输出正端与所述控制模块的输入端电连接，所述第二晶闸管的阳极为超导磁体电源的直流输出负端。
42.如图2所示，第一电容包括电容(c1、c3、c5)，第一电阻包括电阻(r1、r3、r5)，第一晶闸管包括晶闸管(t1、t3、t5)；第二电容包括电容(c4、c6、c2)，第二电阻包括电阻(r4、r6、r2)，第二晶闸管包括晶闸管(t4、t6、t2)。
43.本实施例中，还包括第一熔断器和第二熔断器，所述第一熔断器的一端分别与所述第一晶闸管的阳极以及第一电阻的一端连接，所述第二熔断器的一端分别与所述第二晶闸管的阴极以及第二电容的一端连接，所述第一熔断器的另一端以及所述第二熔断器的另一端均与所述整流变压器的输出端连接。
44.如图2所示，第一熔断器包括熔断器(fs1、fs3、fs5)，第二熔断器包括熔断器(fs4、fs6、fs2)。
45.本实施例中，所述旁路开关包括串联设置的第三电阻r7和第三电容c7，所述第三电阻r7和第三电容c7的串联链路并联设有旁路晶闸管t7，且所述旁路晶闸管t7的门极与所述控制模块连接，所述旁路晶闸管t7的阴极与所述第一晶闸管的阴极连接，所述旁路晶闸管的阳极与所述第二晶闸管的阳极连接。图2中，d+为超导磁体电源的直流电压输出正端，d-为超导磁体电源的直流电压输出负端。旁路晶闸管t7并联在直流侧两端。
46.同步变压器tbb和整流变压器zlb原边均采取380v电网供电，副边与三相全控整流桥相接。副边a相接在熔断器fs1和fs4之间，副边b相接在熔断器fs3和fs6之间，副边c相接在熔断器fs5和fs2之间。
47.工作方式为：在数字信号处理器dsp中设置给定电压值，同时接收失超保护信号和电流反馈信号，经控制算法给出逻辑控制信号(解封/封锁信号3)和移相给定信号(给定电压值2)，用于控制触发电路cf。
48.需要说明的是，根据接收失超保护信号和电流反馈信号发出逻辑控制信号和移相给定信号，为现有技术，是本领域技术人员能够熟知的操作，可以参考“cn200920259071.8一种igbt数字式多功能气保弧焊软开关逆变电源”或者“cn201620466050.3安全型振动盘自动控制装置”或者“cn201220675031.3一种实现智能化和自动均流控制的智能功率控制单元”，不涉及计算机程序，是实用新型的保护客体。
49.触发电路cf接收同步变压器的同步电压信号，由数字信号处理器dsp控制其解封锁，并根据给定移相电压uk改变脉冲信号的a角。不同触发a角的六相脉冲信号导通三相全控晶闸管，最高可以提供11v的直流电压。
50.当失超保护信号来临时，控制模块接收到失超保护信号，三相全控整流桥逆变，控制模块控制触发电路给出旁路晶闸管的触发信号，待旁路晶闸管两端电压满足导通条件，
旁路晶闸管导通，形成泄能通道，换流过程开始，换流过程如图4左到右所示。此时三相全控整流桥封锁，保证了三相全控整流桥的安全运行。
51.通过设定不同的移相电压uk，可以精准控制主回路中的(第一、第二)晶闸管。失超保护信号来临时旁路晶闸管的快速触发可以迅速形成泄能通道。从图3中可以看出，旁路晶闸管换流过程极快，对电流的转移效果极好。
52.基于芯片tc787触发电路的可以在a角为7
°
～150
°
内连续可调并稳定输出脉冲，可以为超导磁体进行低纹波供电；旁路开关用作超导磁体发生失超保护时泄能通道，开关通过短时大电流，旁路开关采取基于晶闸管电气元件的设计，具有通流大、温度耐受能力强、高电压电流容量等特点。同时，在超导磁体发生失超或其他故障时，通过快速闭合超导磁体电源的旁路开关，封锁三相全控整流桥，形成超导磁体泄能通道，可以快速实现超导磁体中巨大能量的转移，整个换流过程时间为15ms左右，达到保护超导磁体安全的目的。
53.以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。