基于脈沖變壓器的電流過零斷路工作模式設計

賈世彬 柳娜

摘要：脈沖功率技術，作為是新型交叉技術，它被普遍應用于國防、工業和民用領域。電容儲能和電感儲能是脈沖功率技術常用的儲能方式。本文討論了電感超調引起變電流的缺點，改變了原有觸發電感超調產生衰減電流的方式，提出了一種將超導電感和電容儲能相結合的新型電路，使斷路器在電流為零時分閘，獲得峰值負載電流，對斷路器起到保護作用，抑制開關兩側的過電壓，并具有能量回收功能。

關鍵詞：超導脈沖功率;電感儲能;電流過零

1.研究內容

本文研究了高溫超導混合脈沖變壓器（HTSPPT）的過零技術。針對傳統超導儲能變壓器一次側開路模式和放電模式，提出了電感-電容混合電路模型，為脈沖電源的研究開辟了新思路，具有良好的工程應用前景。主要分為以下幾個部分

脈沖變壓儲能方式的研究。

斷路開關電流過零模式的研究。

脈沖變壓器斷路開關過零技術的研究。

2.導軌型電磁推進系統的基本原理

原理如圖2.1所示。軌道炮是電磁炮發射的主要形式之一，其基本原理相當于直流電機。簡單軌道電磁推進裝置可等效為單匝直流電動機。放置彈丸的滑塊背面有一個等離子電樞或固體電樞，與軌道緊密接觸。滑塊用于穿過兩個平行軌道，并向兩個軌道之間的電樞輸入電流I。電流I通過母線、導軌和電樞，最后返回脈沖電源形成閉合電路。形成的磁場與電流相互作用，形成洛倫茲力F，該力可以為電樞提供加速度，然后將彈丸發射出去。

由磁場換路定理得到發射所需的洛倫茲力F的表達式為

其中，a為彈丸半徑;r為軌道半徑;I為軌道的電樞輸入電流。

3.關于各個模塊的研究

3.1脈沖變壓器放電模式研究

HTSPPT的電路結構如圖2.5所示。其具體工作過程具體可分為以下四個過程。

第1步，初始電源E1為L1充電。

第2步，L1為C1充電

第3步，C1對L1放電

第4步，L1進行續流階段

3.2脈沖變壓器電路放電模式

本部分提出了一種新的電路，將電感和電容結合在一個電路中，而不觸發電感猝滅。通過增加電容器，改善了能量轉換過程，對充電電源的要求較低。通過電容儲能的放電過程，負載電流可倍增。

3.3脈沖變壓器充放電工作過程分析

電路模型的工作過程可分為六個階段，即電感充電階段、電感放電階段、電容放電階段、電流過零階段、初級二極管續流階段和能量回收階段。現詳細說明各階段的工作過程。

（1）電感充電階段

開關S1、S2閉合。電源E1為儲能電感L1充電，E2為儲能電感L3充電。

（2）電容充電階段

當電感器L1的電流達到設定值時，斷開S1。如果兩個電感器L1和L2完全耦合，則L1的所有能量都將轉移到L2，并且L2的電流將迅速上升，從而導致負載感應的電流急劇增加。

（3）電容放電階段

當電感中的電流降至零時，即當電容器C1的電壓達到最大值時，觸發晶閘管TH1，電容器C1通過晶閘管TH1放電至L1。L1中的電流反向增加，L2中的電流繼續增加。

（4）電流過零階段

由于次級側感應的電流方向與流過儲能電感L3的電流方向相反，因此當電流流經開關S2斷開S2時，電流和初始儲能電感L3可以大致偏移為零。為負載提供能量。

（5）變壓器原邊續流階段

當變壓器原邊電容C1的電壓降為零時，電感L1中的電流通過二極管D2、晶閘管TH1續流。

（6）當負載斷開后，副邊儲能電感的電流可以通過閉合開關S2形成一個回路，這樣一來剩余的能量還能夠重新回到電感中，初級電源又開始給電感繼續充電，起到了節能的作用。

4.總結

脈沖功率技術是一門新興的現代學科，在國防科研、現代科學等領域具有重要的應用價值和廣泛的應用范圍菲爾茲。在這一階段，電容和電感儲能是常用的。其中，電容儲能技術最為成熟，但其能量密度較低。如果需要一個更大的輸出電流，該設備將更大。因為電感儲能密度比電容儲能密度大得多，隨著超導技術的發展，電感儲能密度會越來越大，而電感儲能具有損耗小、儲能時間長等特點，將有很好的應用前景。但是，轉換電路時需要斷開感應儲能，這將在電路兩端產生高電壓，因此，斷路器的技術越來越成熟困難。在針對這一問題，總結了傳統放電方式存在的問題，提出了兩種新型斷路器保護電路結構。

本文建立了兩種新型高溫超導脈沖變壓器模型，并進行了仿真和實驗驗證可行性。不過，一些領域還不夠成熟。理論研究在實際工程中的應用還需要進一步完善。

參考文獻

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