自耦式空芯超导储能脉冲变压器制造技术

自耦式空芯超导储能脉冲变压器，本发明专利技术包括串联耦合超导电感线圈、保护电阻、二极管以及超导断路开关，原、副边超导线圈同名端串联，紧密耦合；当断路开关闭合时，装置处于储能状态，原、副边超导线圈通过超导断路开关蓄流；当超导断路开关断开时，装置处于放电状态原边超导线圈储存的能量通过磁场传递到副边超导线圈，再由副边超导线圈对负载放电。本发明专利技术损耗低，材料利用率高，能显著提高电感线圈的放电电流幅值，同时降低脉冲输出的时间常数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于脉冲功率应用领域中能量存储和脉冲电流发生装置，特别涉及一种高幅值脉冲电流发生器件，以提高电感脉冲输出电流幅值，降低电感脉冲输出的时间常数。
技术介绍
脉冲功率技术是通过对储能器件缓慢充电。然后在很短时间内通过对能量的脉冲压缩、整形、传输、匹配和开关等功率调节系统处理。得到各种理想的高幅度、大功率、陡前沿的电脉冲输出，为各种应用目标提供强电流脉冲功率源。目前高功率脉冲技术作为高新、 尖端技术日益受到重视，在新概念武器及未来高速运载工具方面，具有极大的发展潜力。脉冲功率技术在现代科学技术研究、工业领域，以及国防军事领域均有广泛的应用，如核聚变、加速器、脉冲强磁场、机械加工、材料处理、环保、电磁推进技术、超高速碰撞力学、激光、 电磁炮、微波武器、粒子束武器以及电磁发射系统等。以激光、粒子束、电磁炮以及飞机起飞电磁弹射系统等新概念武器将成为未来武器的重要打击力量。这类武器需要大功率脉冲电源。超导电感储能(SMES)因其直流电阻为零，可以实现长时间的能量存储，在需要储能待机的脉冲功率技术中有较好的应用前景。但是超导电感的脉冲输出受开关开断能力所限制， 较难获得大电流。同时，超导电感对小阻抗负载直接放电时，脉冲输出的时间常数大，难以获得高重复频率的脉冲输出。目前，超导电感脉冲输出的主要方式有(1)超导储能电感的直接脉冲输出模式。超导电感直接对负载阻抗放电。这种脉冲输出需要断开开关来实现，因此脉冲电流的幅值在某种意义上取决于开关的开断能力，而现有开关有限的开断能力限制了脉冲输出电流的幅值。( 2 )超导储能电感通过电容器脉冲输出模式。超导电感对电容器充电，再由电容器对负载放电。电容放电只需要闭合开关，因此对开关开断能力没有要求，可以获得较高幅值的脉冲输出电流，但从电感至电容的能量传递过程中需要耗费一定时间，不利于产生高重复频率的脉冲输出。(3)如专利《高温超导磁体脉冲成型装置》(公开号CN1988382A)中提出多模块超导储能电感通过空芯脉冲变压器脉冲输出模式。超导储能电感对降压升流的空芯脉冲变压器放电，脉冲电流经变压器提升后作用于与变压器副边绕组相连的负载阻抗。此方法可以有效提高负载阻抗上的脉冲电流幅值，也可降低脉冲输出的时间常数，但超导储能电感对脉冲变压器原边电感放电过程中产生残余电流(电感二阶电路中残余的直流分量)，降低了能量传递效率。残余电流在脉冲变压器原边绕组上的叠加会改变后续模块脉冲输出的初始状态和输出波形，使得脉冲输出过程更加难以控制。
技术实现思路
本专利技术提供一种自耦式空芯超导储能脉冲变压器，目的在于克服现有断路器开断能力之不足，提高电感脉冲电流输出幅值，降低脉冲输出的时间常数。本专利技术的技术方案如下自耦式空芯超导储能脉冲变压器，本专利技术包括有串联、且相互耦合的原边超导线圈和副边超导线圈、保护电阻、超导断路开关和二极管，其连接结构为原边超导线圈和副边超导线圈同名端串联，耦合系数在0. 95-1范围内； 保护电阻与原边超导线圈和副边超导线圈组成的串联支路相并联； 超导断路开关与原边超导线圈和副边超导线圈组成的串联支路相并联； 二极管与负载阻抗构成串联支路，此串联支路与副边超导线圈并联。当超导开关闭合时，装置处于储能状态，原边超导线圈和副边超导线圈通过超导开关蓄流；当超导开关断开时，装置处于放电状态原边超导线圈储存的能量通过磁场传递到副边超导线圈，再由副边超导线圈通过二极管对负载阻抗放电。所述的自耦式空芯超导储能脉冲变压器，其特征在于所述串联的原边线圈与副边线圈材料为超导材料。所述的自耦式空芯超导储能脉冲变压器，其特征在于超导断路开关采用超导开关。本专利技术的有益效果在于该装置采用自耦变压器模式，整合了超导储能电感和空芯脉冲变压器，提高了超导电感脉冲输出电流的幅值，降低了脉冲输出的时间常数。超导断路开关闭合时，装置中串联的原边超导线圈和副边超导线圈作为储能电感，并通过超导断路开关无损蓄流，提高了超导材料的利用率；开关开断时，原边超导线圈中储存的能量通过磁场传递至副边超导线圈，瞬时对副边超导线圈充能，再经由副边超导线圈直接对负载阻抗进行放电。本专利技术中，自耦变压器的放电模式改由磁场瞬时转移能量并提升电流幅值，再经由小电感(副边绕组)直接对负载阻抗放电，在提高脉冲输出电流幅值和降低脉冲输出时间常数的基础上，进一步消除了电感通过变压器放电中产生的残余电流，提高了能量利用效率。本专利技术损耗很低，运行费用小，可以显著地提高超导电感脉冲输出的电流幅值和效率。因此，本装置结构简单、技术成熟，易于工业化生产。附图说明图1为本专利技术实施例应用于电感储能与脉冲电流发生系统的电路示意图2为应用本专利技术时，原边超导线圈电流波形，横坐标为时间(ms)，纵坐标为电流 (KA)；图3为应用本专利技术时，副边超导线圈电流波形，横坐标为时间(ms)，纵坐标为电流 (KA)；图4为应用本专利技术时，负载电流波形，横坐标为时间(ms)，纵坐标为电流(KA)。 具体实施例方式本专利技术包括同名端串联的原边超导线圈1与副边超导线圈2，保护电阻3，超导断路开关4和二极管5。首先，当超导断路开关4断开时，原边超导线圈1和副边超导线圈2 通过常规开关K串联至电压源Ks充能，充能完成后，超导断路开关4闭合，原边超导线圈1 和副边超导线圈2与超导断路开关4形成蓄流储能回路；进行脉冲输出时，超导断路开关4 断开，原边超导线圈1存储的能量瞬时传递至副边超导线圈2，并通过副边超导线圈2单独对负载阻抗放电。具体过程如下超导线圈充能过程需要首先断开超导开关4，然后闭合常规开关K，使电压源Ks对串联的原边超导线圈1和副边超导线圈2进行充电。由于二极管5的单向导通性，超导线圈的充电过程与负载阻抗完全隔离。当原边超导线圈1和副边超导线圈2上电流幅值达到目标值Z0后，开断常规开关K，同时闭合超导断路开关4，充能过程结束。此时串联的原边超导线圈1和副边超导线圈2与超导断路开关4组成一个无损回路，直流电流忍在回路中处于无衰减的蓄流状态。当超导断路开关4断开时，由于保护电阻3远大于其他电路参数， 原边超导线圈1通过磁场对副边超导线圈2充电。此时原边超导线圈1的电流很快衰减到0，而副边超导线圈2的电流幅值在很短的时间内增大至(V^+ (‘为原边超导线圈1的自感，4为副边超导线圈2的自感从为原边超导线圈1和副边超导线圈2之间的耦合系数)，然后直接对负载阻抗放电。Υι·Λ0 Α的情况下，这种放电方式通过原边超导线圈1和副边超导线圈2之间的电磁耦合有效的提升了放电电流幅值，降低了对开关开断能力的要求；同时通过副边超导线圈2直接对负载阻抗放电的方式，在降低脉冲输出时间常数的基础上，进一步消除了超导电感通过脉冲变压器对负载阻抗放电时所产生的残余电流。实施例如图1所示，电路的相关参数如下 理想电流源Ks=IOKV ；内阻佐10 Ω原边超导线圈的自感:Zp=100mH ；副边超导线圈的自感:4=lmH原、副边线圈的互感·Μ=9· 5mH ；耦合系数4=0. 95 ；保护电阻r 二1000 Ω ；负载阻抗&=0. 16 Ω (纯阻性)；图2 4所示为实施例脉冲输出的波形图。t=0ms时，常规开关K闭合，装置开始充电； t=8ms时，开断常规开关K，同时闭合超导断路开关4，装置处于储能蓄流状本文档来自技高网...

【技术保护点】
护电阻（３）与原边超导线圈（１）和副边超导线圈（２）组成的串联支路相并联；断路开关（４）与原边超导线圈（１）和副边超导线圈（２）组成的串联支路相并联；二极管（５）与负载阻抗构成串联支路，此串联支路与副边超导线圈（２）并联。１．自耦式空芯超导储能脉冲变压器，其特征在于，包括有原边超导线圈（１）、副边超导线圈（２）、保护电阻（３）、超导断路开关（４）和二极管（５），　其连接结构为：原边超导线圈（１）和副边超导线圈（２）同名端串联，耦合系数在０．９５－１范围内；保

【技术特征摘要】
1.自耦式空芯超导储能脉冲变压器，其特征在于，包括有原边超导线圈(1)、副边超导线圈(2)、保护电阻(3)、超导断路开关(4)和二极管(5)，其连接结构为原边超导线圈(1)和副边超导线圈(2)同名端串联，耦合系数在0. 95-1范围内； 保护电阻(3)与原边超导线圈(1)和副边超导线圈(2)组成的串联支路相并联； 断路开关(4)与原边超导线圈(...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋萌，曹昆南，王达达，张少泉，蒋鹏赞，王林莽，
申请(专利权)人：云南电力试验研究院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：53