李海濤， 張存山， 李震梅， 鄒國峰， 高明亮， 胡元潮

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

多級超導(dǎo)脈沖變壓器的協(xié)調(diào)放電模式分析

李海濤， 張存山， 李震梅， 鄒國峰， 高明亮， 胡元潮

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

為了探索多級超導(dǎo)電感儲能的脈沖功率技術(shù)，設(shè)計兩種基于多級超導(dǎo)脈沖變壓器的XRAM結(jié)構(gòu)的脈沖電源模式，并對其協(xié)調(diào)放電特性進(jìn)行分析和仿真研究。首先介紹單級的基于超導(dǎo)脈沖變壓器和電容器混合儲能的脈沖電源電路及其工作原理。然后結(jié)合XRAM電路的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計兩種XRAM結(jié)構(gòu)的脈沖電源模式，分析這兩種脈沖電源模式各自的特點，仿真研究其不同的協(xié)調(diào)放電方式。最后選擇負(fù)載電流脈沖的幅值、半高寬、矩形面積比和能量傳遞效率等四個性能為指標(biāo)，分析兩種脈沖電源模式的輸出特性。結(jié)果表明：多級超導(dǎo)脈沖變壓器可以采用XRAM電路結(jié)構(gòu)，在多級同步放電的模式下負(fù)載電流脈沖在幅值、半高寬和能量傳遞效率等性能方面要優(yōu)于非同步放電模式。

脈沖功率電源；脈沖成形電路；電感儲能；超導(dǎo)變壓器；電流脈沖

0 引 言

脈沖功率技術(shù)是當(dāng)前高新技術(shù)領(lǐng)域的重要組成部分，在軌道電磁炮等新概念武器和飛機(jī)電磁彈射等運載工具方面具有極大的發(fā)展?jié)摿?。目前，脈沖電源最常用的儲能方式主要為電容儲能和電感儲能。電容儲能充放電速度快，控制簡單，但儲能密度相對較低。電感儲能密度較高，而電感存在的主要問題是充放電效率低，放電過程中斷路開關(guān)兩端產(chǎn)生高電壓，對斷路開關(guān)功率要求非常高[1-3]。

隨著超導(dǎo)電感的出現(xiàn)，其零電阻特性提高了充放電效率，并能夠利用超導(dǎo)開關(guān)閉環(huán)運行來長期儲能。文獻(xiàn)[4]中研究了基于超導(dǎo)電感的XRAM模式，不過，斷路開關(guān)問題仍未解決。文獻(xiàn)[5]研究了一種利用低溫超導(dǎo)脈沖變壓器實現(xiàn)儲能和脈沖放大的模式，它利用超導(dǎo)脈沖變壓器原邊繞組電感儲能，通過觸發(fā)原邊繞組電感失超，產(chǎn)生失超電阻，使副邊繞組電感產(chǎn)生大電流脈沖。這種模式消除了斷路開關(guān)的問題；但超導(dǎo)電感失超后的電阻值有限，能量傳輸效率太低，且低溫超導(dǎo)裝置的運行成本也較高，這些因素限制了該模式的發(fā)展。隨著高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展，高溫超導(dǎo)設(shè)備運行成本相對較低，基于高溫超導(dǎo)脈沖變壓器的脈沖電源展現(xiàn)了較大應(yīng)用潛力。不過，高溫超導(dǎo)帶材的失超傳播速度較低，無法使用文獻(xiàn)[5]的放電方式。

當(dāng)前出現(xiàn)的具有較大應(yīng)用潛力的電感儲能脈沖電源模式主要有3種[6-9]，分別為德法ISL實驗室提出的基于ICCOS原理的改進(jìn)型XRAM模式、美國IAT提出的STRETCH meat-grinder模式和我國清華大學(xué)基于上述2種模式提出的基于ICCOS原理的STRETCH meat-grinder模式。在前期的研究工作中，本課題組以美國IAT提出的STRETCH meat-grinder模式為基礎(chǔ)，對高溫超導(dǎo)脈沖變壓器和電容器混合儲能脈沖電源模式進(jìn)行了研究[10-13]。該模塊中，不僅可以實現(xiàn)電流的有效放大，而且可以利用電容器來限制斷路開關(guān)的關(guān)斷電壓。為了進(jìn)一步探索輸出電流脈沖的高幅值和寬脈寬實現(xiàn)方法，本文將超導(dǎo)脈沖變壓器模塊化，并結(jié)合XRAM電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)點[7,14]，設(shè)計了2種基于模塊化超導(dǎo)脈沖變壓器的XRAM脈沖電源模式，并以兩級超導(dǎo)脈沖變壓器為例進(jìn)行了模塊化脈沖電源的協(xié)調(diào)放電模式研究。

1 單級電源電路及工作原理

單級超導(dǎo)脈沖變壓器和電容器混合儲能脈沖電源拓?fù)淙鐖D1所示。VD1為直流電壓源，K1為電源開關(guān)，C1電容器，D1、D2和D3為二極管，S1為晶閘管， Load為負(fù)載，Ls1和Lc1分別為超導(dǎo)脈沖變壓器的原、副邊繞組電感。其中：Ls1為電感值較大的超導(dǎo)電感，用于儲能；Lc1為電感值較小的常導(dǎo)電感，用于感應(yīng)電流脈沖。

圖1 單級脈沖電源拓?fù)銯ig.1 Topology of single-stage pulsed power supply

工作步驟如圖2所示，具體描述為：

1)超導(dǎo)電感充電階段。當(dāng)開關(guān)K1閉合，直流電壓源VD1開始對高溫超導(dǎo)電感Ls1充電。二極管D3的設(shè)置使充電過程不受副邊回路的影響，且超導(dǎo)電感Ls1在超導(dǎo)態(tài)電阻為零，充電過程的能量損耗非常小，對直流電壓源的功率要求也較低，可實現(xiàn)長時間充電和儲能。當(dāng)電流達(dá)到預(yù)設(shè)電流值，充電過程結(jié)束，可設(shè)置電流在超導(dǎo)電感和電源中短暫續(xù)流，等待放電操作。

2)放電過程中電容充電階段。開關(guān)K1斷開，放電過程開始。二極管D1和晶閘管S1截止，超導(dǎo)電感Ls1中電流通過二極管D2給電容C1充電，直到電容電壓達(dá)到最大值(或超導(dǎo)電感中的電流為零)，該階段結(jié)束。同時，在互感的作用下，電感Lc1產(chǎn)生負(fù)載電流脈沖。該過程中電容電壓的大小由電容值和變壓器原邊漏電感的儲能共同決定。

3)放電過程中電容放電階段。電容電壓達(dá)到最大值后，觸發(fā)晶閘管S1導(dǎo)通，電容C1開始對超導(dǎo)電感Ls1反向充電，電感Lc1中的負(fù)載電流脈沖在互感作用下進(jìn)一步增大。該過程中，不僅可以將電容獲得的漏感能量反饋給電感Ls1，提高了系統(tǒng)能量傳遞效率，還可通過延時觸發(fā)S1導(dǎo)通來調(diào)節(jié)負(fù)載電流脈沖的波形。

圖2 單級電源工作步驟示意圖Fig.2 Working principle of single-stage pulsed power supply

4)放電過程中二極管續(xù)流階段。當(dāng)超導(dǎo)電感Ls1中的電流達(dá)到反向最大，此時電容電壓為零，超導(dǎo)電感Ls1中的電流開始通過D1和S1續(xù)流。當(dāng)Ls1的續(xù)流電流減小到零，因為電感Lc1對負(fù)載的放電，又會使Ls1感應(yīng)較小的反向電壓迫使S1關(guān)斷。

2 多級脈沖電源電路

為實現(xiàn)電磁發(fā)射系統(tǒng)需求的幾百kA甚至MA級電流脈沖，脈沖電源需要多級并聯(lián)放電。結(jié)合XRAM的電感串聯(lián)充電并聯(lián)放電模式，本文設(shè)計的基于多級超導(dǎo)脈沖變壓器的XRAM結(jié)構(gòu)的脈沖電源模式主要有兩種，為非同步放電模式和同步放電模式。下面分別對這兩種模式進(jìn)行說明。

2.1 非同步放電模式電路

基于兩級超導(dǎo)脈沖變壓器的非同步放電模式的脈沖電源電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。該模式中每級具有獨立的放電回路。

圖3 兩級脈沖電源的非同步放電模式Fig.3 Topology of two-stage pulsed power supply with asynchronous discharging mode

當(dāng)開關(guān)K1和K2閉合，直流電源對超導(dǎo)電感Ls1和Ls2串聯(lián)充電。當(dāng)兩級的超導(dǎo)電感Ls1和Ls2串聯(lián)充電結(jié)束，將開關(guān)K1、K2斷開，超導(dǎo)電感Ls1和Ls2分別對的電容C1和C2同步地放電。由于各級的電路參數(shù)選擇相同，電容C1和C2將同時完成充電。然后對S1和S2選擇不同的觸發(fā)時間，使各級的電容對各自模塊的超導(dǎo)電感實現(xiàn)非同步反饋放電。

2.2 同步放電模式電路

基于兩級超導(dǎo)脈沖變壓器的脈沖電源同步放電模式如圖4所示。該模式不僅可以實現(xiàn)串聯(lián)充電和并聯(lián)放電，而且兩級超導(dǎo)脈沖變壓器原邊共用一組電容器和放電續(xù)流回路，使系統(tǒng)得到簡化。當(dāng)開關(guān)K1和K2閉合，Kc11、Kc12、Kc21和Kc22斷開，直流電源對超導(dǎo)電感Ls1和Ls2串聯(lián)充電。當(dāng)電流達(dá)到預(yù)充電流值，閉合Kc11、Kc12、Kc21和Kc22，若此時直流電源關(guān)閉，超導(dǎo)脈沖變壓器原邊并聯(lián)回路可構(gòu)成續(xù)流回路，如圖5所示。當(dāng)開關(guān)K1和K2斷開，兩級超導(dǎo)脈沖變壓器開始并聯(lián)同步放電，過程與單級脈沖電源放電過程相同。

圖4 兩級脈沖電源的同步放電模式Fig.4 Topology of two-stage pulsed power supply with synchronous discharge mode

圖5 同步放電模式中的儲能續(xù)流階段Fig.5 Current freewheeling in energy storage stage

與非同步放電模式相比，同步模式的電路結(jié)構(gòu)相對比較簡單，還可以實現(xiàn)電流在放電前短暫續(xù)流，尤其是對于較多模塊構(gòu)成的XRAM結(jié)構(gòu)時的優(yōu)勢更明顯；但是原理上，非同步模式既可以實現(xiàn)同步放電(當(dāng)S1和S2同步觸發(fā)時)，又可以實現(xiàn)非同步放電，可以更好地對輸出的脈沖進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 多級脈沖電源放電仿真分析

3.1 電路參數(shù)選擇

在模塊化的脈沖電源設(shè)計時，保持每級的參數(shù)都相同。為了能體現(xiàn)超導(dǎo)儲能的優(yōu)勢，又便于以后的實驗驗證，選擇超導(dǎo)電感Ls1=Ls2=13 mH，副邊電感Lc1=Lc2=10 μH，兩組超導(dǎo)脈沖變壓器的耦合系數(shù)都為0.9，負(fù)載用1.5 mΩ的電阻代替。非同步放電模式中的兩個電容器參數(shù)均選擇為51 μF，在同步放電模式中電容器參數(shù)選擇為102 μF，以獲得相同的原邊振蕩頻率。由于只對放電模式開展研究，超導(dǎo)脈沖變壓器的副邊電感和各種開關(guān)都做理想化假設(shè)，即認(rèn)為內(nèi)阻都為零，以及假設(shè)開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷無延時。

直流電壓源電壓選擇為12 V，假設(shè)超導(dǎo)電感的臨界電流大于500 A，計算可得每個模塊的儲能為1.625 kJ，兩級脈沖電源系統(tǒng)的總儲能為3.25 kJ。兩根帶材并聯(lián)繞制的高溫超導(dǎo)脈沖變壓器在20 K溫度下能夠較容易實現(xiàn)該電流值。

3.2 非同步放電模式仿真

由于圖3非同步放電模式中，各級的放電回路都是獨立的，超導(dǎo)電感Ls1和Ls2分別對各級的電容C1和C2放電后，晶閘管S1和S2可選擇不同的觸發(fā)時間。為了使負(fù)載電流脈沖有較高的幅值，選擇第一級中的晶閘管S1的觸發(fā)時間無延時，即電容C1的電壓達(dá)到最大值(或超導(dǎo)電感Ls1的正向電流為零)時，立即觸發(fā)S1導(dǎo)通。

假設(shè)超導(dǎo)電感的儲能電流已預(yù)充至500 A，在t0=0時刻斷開K1和K2。第二級中晶閘管S2的觸發(fā)時刻如表1所示，其中uc1和iLs1分別為電容C1的電壓和超導(dǎo)電感Ls1的電流，Vcmax為C1電壓的最大值，負(fù)載電流脈沖波形的仿真結(jié)果如圖6所示。

表1 非同步放電模式中晶閘管S2的觸發(fā)時間

由仿真結(jié)果可以看出，在t1時刻觸發(fā)晶閘管S2時兩級模塊無延時放電(同步放電)，產(chǎn)生的電流脈沖峰值最大，為42.08 kA。隨著S2觸發(fā)時間的延遲(非同步放電)，在t1～t3區(qū)間的觸發(fā)時間內(nèi)脈沖峰值逐步減小，脈沖半高寬逐步增大；在t4～t6區(qū)間脈沖峰值保持不變，其主要由第二級超導(dǎo)脈沖變壓器在t0到t1時刻內(nèi)產(chǎn)生的脈沖和第一級產(chǎn)生的脈沖疊加而成，觸發(fā)時刻在t5以后產(chǎn)生的電流脈沖波形不理想。

圖6 非同步放電模式的負(fù)載電流脈沖波形Fig.6 Load current pulse with asynchronous discharge

3.3 同步放電模式仿真

由于圖4同步放電模式中各級超導(dǎo)脈沖變壓器的原邊共用一組電容器和放電續(xù)流回路，各級模塊的超導(dǎo)電感向電容器放電和電容器向各級模塊的超導(dǎo)電感反向放電過程都是同步的，與單級脈沖電源的放電過程基本相同，；因此，在該模式的仿真中，本文只考慮晶閘管S1在不同觸發(fā)時間下(或電容器延時向超導(dǎo)電感反向放電情況下)副邊電感產(chǎn)生的負(fù)載脈沖電流的特性。

保持每級的電路參數(shù)不變，同樣假設(shè)超導(dǎo)電感電流已預(yù)充至500 A，在T0=0時刻斷開K1和K2，放電過程開始。經(jīng)過T1時刻，各級超導(dǎo)電感對脈沖電容C1充電結(jié)束，而通過仿真可知T1=0.65 ms。保持其他參數(shù)不變，取晶閘管S1的觸發(fā)時間T1、T2、T3、T4、T5、T6與表1所示S2的觸發(fā)時間相同，負(fù)載電流脈沖波形仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 同步放電模式的負(fù)載電流脈沖波形Fig.7 Load current pulse with synchronous discharge

從仿真波形可以看出，無延時觸發(fā)S1產(chǎn)生的電流脈沖幅值最大，為42.089 kA的單脈沖波形，延時觸發(fā)S1產(chǎn)生的是雙脈沖峰值波形，且隨著觸發(fā)時間的逐漸增大，脈沖的第一個峰值為30.7 kA保持不變，整個脈沖的半高寬逐漸增大，脈沖的第二個峰值和兩個峰值之間的波谷數(shù)值都逐步減小。

4 仿真結(jié)果分析

參照電磁發(fā)射的應(yīng)用要求和文獻(xiàn)[15]的研究方法，從負(fù)載電流脈沖的幅值、半高寬、矩形面積比例和能量傳遞效率等4個參數(shù)來分析比較。矩形面積比例反映了脈沖電流的平頂度，其計算方法如圖8所示。以負(fù)載電流脈沖的峰值為矩形的頂端，以脈沖半高寬處的上升沿和下降沿對應(yīng)時間作矩形的2個垂直邊，計算方波區(qū)域內(nèi)電流脈沖的面積(如陰影部分)占矩形面積的比例。電磁發(fā)射系統(tǒng)對脈沖幅值和脈寬都有一定的要求，驅(qū)動負(fù)載最主要的部分可認(rèn)為是該矩形區(qū)域的電流脈沖。定義能量傳遞效率為矩形內(nèi)的電流脈沖傳遞給負(fù)載的能量占總儲能的比例。2種放電模式輸出的負(fù)載電流脈沖參數(shù)分別如表2和表3所示。

圖8 矩形面積比例計算方法示意圖Fig.8 Ratio of pulse area and rectangle areacalculation method schematic

觸發(fā)時刻幅值/kA半高寬/ms矩形面積比/%能量傳遞效率/%t142.0871.29581.14572.309t239.2411.52781.72274.787t336.1611.72884.31276.514t435.2871.89783.00377.428t535.2872.17578.03778.878t635.2872.62872.41683.327

表3 同步放電模式放電波形性能分析

可以看出，2種模式隨著觸發(fā)時間的增大，輸出負(fù)載電流脈沖的幅值都隨之減小，半高寬和能量傳遞效率都隨之增大。從能量傳遞效率來看，2種放電模式下都有10%以上的能量處于脈沖的非有效利用區(qū)域。非同步放電模式隨著觸發(fā)時刻的增大，矩形面積比例先增大后減小，并在t3附近達(dá)到最大，而同步放電模式隨著觸發(fā)時刻的增大，其矩形面積比例逐漸減小。整體上，非同步放電模式輸出的負(fù)載電流脈沖的矩形面積比例要高于同步放電模式；不過，非同步放電模式輸出的負(fù)載電流脈沖峰值、半高寬和能量傳遞效率都要小于同步放電模式。

5 結(jié) 論

本文將高溫超導(dǎo)脈沖變壓器模塊化，并結(jié)合XRAM電路的結(jié)構(gòu)優(yōu)點，對基于超導(dǎo)脈沖變壓器和電容器混合儲能模式進(jìn)行了改進(jìn)，仿真研究了2種脈沖電源模式的協(xié)調(diào)放電模式?？傻媒Y(jié)論如下：

1)利用XRAM結(jié)構(gòu)建立基于多級超導(dǎo)脈沖變壓器的脈沖電源是可行的，能夠?qū)崿F(xiàn)超導(dǎo)脈沖變壓器模塊的串聯(lián)充電儲能和并聯(lián)脈沖放電，有利于用較少的模式輸出大電流脈沖。

2)非同步放電模式在放電波形調(diào)制上比較靈活。兩級模塊的晶閘管無延時觸發(fā)時，產(chǎn)生的電流脈沖峰值最大。隨著晶閘管觸發(fā)時間的延時，脈沖幅值減小，半高寬和能量傳遞效率增大，而矩形面積比例先增大后減小。

3)同步放電模式無延時觸發(fā)晶閘管時產(chǎn)生的電流脈沖為單脈沖波形，與非同步放電模式在無延時觸發(fā)時產(chǎn)生的脈沖相同。在延時觸發(fā)晶閘管后，產(chǎn)生的是雙脈沖峰值波形，且隨著延時時間的增加，半高寬和能量傳遞效率增大，而脈沖幅值和矩形面積比例減小。

4)從整體上看，同步放電模式在輸出脈沖幅值、半高寬和能量傳遞效率等性能方面要優(yōu)于非同步放電模式。2種放電模式產(chǎn)生的電流脈沖有10%以上的能量處于脈沖的非有效利用區(qū)域。研究快速回收或利用該部分的能量可作為下一步的工作。

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Collaborative discharging characteristics of multi-stage superconducting pulsed power transformers

LI Hai-tao， ZHANG Cun-shan， LI Zhen-mei， ZOU Guo-feng， GAO Ming-liang， HU Yuan-chao

(School of Electrical and Electronic Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255000,China)

To explore the multi-stage superconducting inductive pulsed power technology,two pulsed power supply modes based on multi-stage superconducting pulsed power transformers (SPPTs) were designed with XRAM method.Firstly,a single-stage pulsed power supply using a SPPT and a capacitor hybrid energy storage system were introduced.Then,two pulsed power supply modes based on two-stage SPPTs were designed with the XRAM method.According to the characteristics of the two modes,the discharging methods were analyzed and simulations were carried out.Finally,the output characteristics of the two modes were analyzed by four criterions.The four criterions are the value of the amplitude of load current,the duration at half of the peak value,the ratio of load current pulse area and its maximum rectangle area at the current level of half of the peak value,and the ratio of the energy consumed at the same current level and the total energy.The simulation result indicates that the two pulsed power supply modes are feasible.On the whole,the output performance of the synchronous discharging mode for multi-stage SPPTs with XRAM method is better than the asynchronous discharging mode except for the ratio of load current pulse area and its maximum rectangle area.

pulsed power supplies; pulse shaping circuits; inductive energy storage; superconducting transformers; current pulse

2015-12-04

國家自然科學(xué)基金(51407112)；山東省自然科學(xué)基金(ZR2016EEQ20)

李海濤(1984—)，男，博士，研究方向為超導(dǎo)儲能脈沖功率技術(shù)； 張存山(1965—)，男，博士，教授，研究方向為特種電機(jī)與控制技術(shù)、電力電子技術(shù)； 李震梅(1965—)，女，教授，研究方向為脈沖功率與檢測技術(shù)； 鄒國峰(1984—)，男，博士，研究方向為信號檢測與處理； 高明亮(1985—)，男，博士，研究方向為信號檢測與處理； 胡元潮(1988—)，男，博士，研究方向為高電壓與絕緣技術(shù)。

李海濤

10.15938/j.emc.2017.05.009

TM 833

A

1007-449X(2017)05-0066-07