超导储能磁体对电感性负载放电研究

超导储能磁体对电感性负载放电研究

李海涛;朱英伟;邵慧;董亮;严仲明;胡基士;王豫

【摘要】在基于超导电感储能的高功率脉冲电源中,超导磁体对电感性负载放电时存在的过电压严重威胁超导磁体的安全.本文就目前常用的抑制过压的方法展开了理论分析,并通过仿真分析和计算比较了三种转换电路在超导磁体对电感性负载放电过程中的性能特点,最后又分别分析了三种转换电路对超导磁体电压抑制的特点.结果表明:三种转换电路都可以很好地抑制过压,不过非线性电阻转换电路的转换性能优于线性电阻转换电路,适合于负载电流脉冲前沿上升率要求较高,且转换时间较短的应用场合;而电容性转换电路对于负载电流脉冲的幅值要求较高,且损耗较低的应用场合较为合适.

【期刊名称】《电工电能新技术》

【年(卷),期】2010(029)004

【总页数】5页(P27-30,80)

【关键词】功率脉冲;超导磁体;电感负载;过压;非线性电阻;电容

【作者】李海涛;朱英伟;邵慧;董亮;严仲明;胡基士;王豫

【作者单位】磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室,西南交通大学电气工程学院,四川,成都,610031;磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室,西南交通大学电气工程学院,四川,成都,610031;磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室,西南交通大学电气工程学院,四川,成都,610031;磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室,西南交通大学电气工程学院,四川,成都,610031;磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室,西南交通大学电气工程学院,四川,成都,610031;磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室,西南

交通大学电气工程学院,四川,成都,610031;磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室,西南交通大学电气工程学院,四川,成都,610031

【正文语种】中文

【中图分类】TM86

1 引言

基于超导电感储能的高功率脉冲电源可以通过缓慢的充电和大功率的电流脉冲放电而日益受到重视，其应用领域既包括现代科学技术研究领域、工业和民用的高尖技术领域，还包括国防应用等领域［1-3］。

从应用目标的电路特性来考虑，高功率脉冲电源的放电负载包括电阻性负载、电容性负载和电感性负载，或者它们的组合。超导磁体的储能原理是超导电感的磁储能，目的是实现能量的缓慢积累和长期存储。而负载为感性负载时，超导磁体放电过程中产生的高峰值过电压可能会造成磁体绝缘材料的击穿，使磁体损坏，对负载的绝缘和操作人员的安全也极为不利。因此，我们需要深入研究减小磁体或电路中过电压的方法或措施，来提高磁体的安全性和可靠性。

2 存在问题与解决方法研究

2.1 端压问题分析

高功率脉冲电源的单模块电路如图1所示。开关S1闭合时，超导磁体的充电电源DC开始对磁体充电，假设超导磁体预充电达到的电流为I0，充电过程中超导磁体的电流变化可用下式描述:

其中τ=Ls/R，Ls为超导磁体电感，R为充电电阻。

图1 超导磁体放电单模块电路Fig.1 Pulse generating circuit with a single

superconducting magnet

在放电过程中，开关S1断开过程相当于一个阻值迅速变大的电阻R1(例如IGBT

的关断电阻为兆欧级)，如图1中虚线电阻所示。由于超导电感和负载电感中的电

流都不能突变，超导磁体中的电流只能在瞬间全部通过电阻 R1，则在电阻 R1两

端产生了幅值为I0R1的高峰值脉冲电压。负载电感电流在该脉冲电压下迅速上升，同时超导磁体中的电流也迅速地从电阻R1中转移至负载。该过程中由于超导磁体两端感应出的电压要与电阻R1两端产生的电压相平衡，所以在超导磁体两端要承受一个峰值非常高的脉冲电压［4，5］，而且随着 R1的变化越迅速越大，该脉冲电压就会越高。这很可能会造成超导磁体绝缘材料的击穿，导致磁体损坏［6］;同时开关S1中过高峰值的脉冲电压和瞬间过高的热损耗也有可能导致开关击穿或烧坏。

2.2 限压方法研究

从图2中可以看出，在负载两端并联一个远小于开关S1断态阻值的电阻器可以减小磁体的过电压，该电路又称电阻性转换电路［4，5］。并联的电阻器可分为两种:线性电阻和非线性电阻。另外，在负载两端并联一个电容器作为电流转换器件，也可以起到限压作用，这又称电容性转换电路［4，5］。本文分别就采用线性电阻、非线性电阻和电容器的转换电路来减小超导磁体放电端压的方法进行研究。

采用线性电阻转换电路时如图2所示，设计的线性电阻R≪R1，且要满足 R≫RL。因放电时超导磁体的电流不能突变，绝大部分会瞬间流经线性电阻R。超导磁体的端压最大值可近似为线性电阻R与磁体初始储能电流I0的乘积。表达式为:

图2 线性电阻转换电路Fig.2 Switching circuit with linear resistance

线性电阻转换电路的放电过程可用以下微分方程组表示:

整理可得

由式(4)可求得线性电阻R的电流i1和负载电流iL，则超导磁体的电流可由

i=i1+iL求得。可求电阻R上的能量损耗为:

其中t0为超导磁体开始放电时刻。

图3 氧化锌压敏电阻器的伏安特性曲线Fig.3 Volt-ampere curves of MYN2-

820/4

采用非线性电阻转换电路，主要是利用氧化锌、碳化硅等陶瓷材料做的非线性电阻器的阻值能够随着所加电压的大小而变化的特性，从而使电路中产生的过电压受到抑制，对电路中的设备或器件起到过电压保护。当过电压过后，非线性电阻很快恢复，使电路正常工作［7］。图3所示为 MYN2－820/4型氧化锌压敏电阻器在第一象限的伏安特性曲线。非线性电阻的电压特性可用下式来描述［8］:

其中α为常数，其值等于非线性电阻器在通流1A时的端电压值;β为非线性系数。在磁体放电过程中，非线性电阻使高峰值脉冲电压限制并稳定在一定的范围内，其阻值随着电流的增大而减小。在实际应用中，非线性电阻器的型号通常从标称电压和能量容量两个方面来确定。标称电压下限和上限的选定分别是由电路工作电压和被保护磁体的耐压值来决定的;而非线性电阻器的能量容量则是由非线性电阻在能

量转移过程中损耗多少所决定。对于交流电路，一般取［9］:

其中，UAC为电压有效值，Us为超导磁体的耐压值，UR是电阻流过规定电流值

时的端电压，Wy为非线性电阻的额定能量容量，Wc为非线性电阻损耗的能量。实际电路中非线性电阻上的能量损耗可以通过试验测得的电压和电流曲线计算得到。