基于脉冲变压器的电流过零断路工作模式设计

贾世彬 柳娜

摘要：脉冲功率技术，作为是新型交叉技术，它被普遍应用于国防、工业和民用领域。电容储能和电感储能是脉冲功率技术常用的储能方式。本文讨论了电感超调引起变电流的缺点，改变了原有触发电感超调产生衰减电流的方式，提出了一种将超导电感和电容储能相结合的新型电路，使断路器在电流为零时分闸，获得峰值负载电流，对断路器起到保护作用，抑制开关两侧的过电压，并具有能量回收功能。

关键词：超导脉冲功率;电感储能;电流过零

1.研究内容

本文研究了高温超导混合脉冲变压器（HTSPPT）的过零技术。针对传统超导储能变压器一次侧开路模式和放电模式，提出了电感-电容混合电路模型，为脉冲电源的研究开辟了新思路，具有良好的工程应用前景。主要分为以下几个部分

脉冲变压储能方式的研究。

断路开关电流过零模式的研究。

脉冲变压器断路开关过零技术的研究。

2.导轨型电磁推进系统的基本原理

原理如图2.1所示。轨道炮是电磁炮发射的主要形式之一，其基本原理相当于直流电机。简单轨道电磁推进装置可等效为单匝直流电动机。放置弹丸的滑块背面有一个等离子电枢或固体电枢，与轨道紧密接触。滑块用于穿过两个平行轨道，并向两个轨道之间的电枢输入电流I。电流I通过母线、导轨和电枢，最后返回脉冲电源形成闭合电路。形成的磁场与电流相互作用，形成洛伦兹力F，该力可以为电枢提供加速度，然后将弹丸发射出去。

由磁场换路定理得到发射所需的洛伦兹力F的表达式为

其中，a为弹丸半径;r为轨道半径;I为轨道的电枢输入电流。

3.关于各个模块的研究

3.1脉冲变压器放电模式研究

HTSPPT的电路结构如图2.5所示。其具体工作过程具体可分为以下四个过程。

第1步，初始电源E1为L1充电。

第2步，L1为C1充电

第3步，C1对L1放电

第4步，L1进行续流阶段

3.2脉冲变压器电路放电模式

本部分提出了一种新的电路，将电感和电容结合在一个电路中，而不触发电感猝灭。通过增加电容器，改善了能量转换过程，对充电电源的要求较低。通过电容储能的放电过程，负载电流可倍增。

3.3脉冲变压器充放电工作过程分析

电路模型的工作过程可分为六个阶段，即电感充电阶段、电感放电阶段、电容放电阶段、电流过零阶段、初级二极管续流阶段和能量回收阶段。现详细说明各阶段的工作过程。

（1）电感充电阶段

开关S1、S2闭合。电源E1为储能电感L1充电，E2为储能电感L3充电。

（2）电容充电阶段

当电感器L1的电流达到设定值时，断开S1。如果两个电感器L1和L2完全耦合，则L1的所有能量都将转移到L2，并且L2的电流将迅速上升，从而导致负载感应的电流急剧增加。

（3）电容放电阶段

当电感中的电流降至零时，即当电容器C1的电压达到最大值时，触发晶闸管TH1，电容器C1通过晶闸管TH1放电至L1。L1中的电流反向增加，L2中的电流继续增加。

（4）电流过零阶段

由于次级侧感应的电流方向与流过储能电感L3的电流方向相反，因此当电流流经开关S2断开S2时，电流和初始储能电感L3可以大致偏移为零。为负载提供能量。

（5）变压器原边续流阶段

当变压器原边电容C1的电压降为零时，电感L1中的电流通过二极管D2、晶闸管TH1续流。

（6）当负载断开后，副边储能电感的电流可以通过闭合开关S2形成一个回路，这样一来剩余的能量还能够重新回到电感中，初级电源又开始给电感继续充电，起到了节能的作用。

4.总结

脉冲功率技术是一门新兴的现代学科，在国防科研、现代科学等领域具有重要的应用价值和广泛的应用范围菲尔兹。在这一阶段，电容和电感储能是常用的。其中，电容储能技术最为成熟，但其能量密度较低。如果需要一个更大的输出电流，该设备将更大。因为电感储能密度比电容储能密度大得多，随着超导技术的发展，电感储能密度会越来越大，而电感储能具有损耗小、储能时间长等特点，将有很好的应用前景。但是，转换电路时需要断开感应储能，这将在电路两端产生高电压，因此，断路器的技术越来越成熟困难。在针对这一问题，总结了传统放电方式存在的问题，提出了两种新型断路器保护电路结构。

本文建立了两种新型高温超导脉冲变压器模型，并进行了仿真和实验验证可行性。不过，一些领域还不够成熟。理论研究在实际工程中的应用还需要进一步完善。

参考文献

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