高温超导逆变器的制造方法
【专利摘要】一种高温超导逆变器，包括输入部分和逆变部分。所述的输入部分包括直流电源（9）、电感（7）和电阻（8）；电阻（8）的一端与直流电源（9）的一端连接，电阻（8）的另一端与电感（7）的一端连接。所述的逆变部分是三相桥式超导逆变电路，由六个超导模块代替三相桥式逆变电路中的电力电子元件；第一超导模块（1）和第四超导模块（4）串联，第三超导模块（3）和第六超导模块（6）串联，第五超导模块（5）和第二超导模块（2）串联，三组串联的超导模块并联；电感（7）的另一端与并联的超导模块的一端连接，直流电源（9）的另一端与并联的超导模块的另一端连接；六个超导模块工作在液氮或制冷机致冷的低温环境中。
【专利说明】高温超导逆变器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高温超导逆变器，特别涉及一种利用高温超导材料实现的超导逆变器。
【背景技术】
[0002]电力电子器件在交流变频调速、供电电源、电力系统输配电、照明等诸多方面已经获得广泛的应用，大功率、高频化、高集成和低功耗是电力电子器件的重要发展趋势。
[0003]晶闸管(BJT)、M0SFET、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等电力电子开关器件是电力电子器件的重要组成部分，开关器件的性能好坏直接关系到电力电子装置的实际性能和工作效率。近年来，随着大功率电力电子装置容量的不断提升，电力电子器件的某些缺陷开始凸显。当电力电子开关器件导通时，开关器件中导通的大电流会产生大量的焦耳热，焦耳热会对元件性能造成影响，同时也降低了电力电子装置的工作效率。
[0004]某些高于室温的条件下，如地下钻进勘探、核反应堆等环境下，电力电子器件的散热条件开始恶化，会造成系统的整体效率较低，性能变差，甚至可能会损坏器件，对整个系统造成影响。为了达到良好散热的目的，很多大容量电力电子装置需要配套复杂庞大的散热装置，散热装置体积较大，占据了整套装置较多的空间，这也成为阻碍大容量电力电子装置小型化的重要因素。
[0005]高温超导材料的使用可以有效解决电力电子器件带来的这些问题。目前人们对高温超导材料在电网、电力电子器件和电路、电力传动等领域的已经开展了广泛应用研究，高温超导变压器、储能系统(SMES)、超导输电电缆、限流器、超导电机等已取得了突破性成果，但是高温超导材料在逆变器和整流器中的应用研究较少。David A.Barton等人于1998年设计并搭建了 DC/AC转换器，他们将高温超导开关单元模块应用在DC/AC的转换实验当中，成功实现了逆变功能。Kozo Osamura等人于2011年根据桥式电路的原理设计了一台高温超导逆变器的样机，成功将直流电流逆变获得频率为0.2Hz?IOOHz的交流电流，同时他们实验证明该样机可以获得频率高达2000Hz频率的负载交流电流。目前国内尚未开展对高温超导逆变器的研究。
[0006]逆变器是利用半导体功率开关器件的开通和关断作用，把直流电转变成交流电的一种电力电子装置，可以用于移动直流电源、高压直流输电、变频驱动、新能源发电并网等多种场合。
[0007]目前逆变电路的主要组成部分是晶闸管(BJT)、M0SFET、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等电力电子元件。逆变电路中的电力电子元件导通时，元件中导通的大电流会产生大量的焦耳热，焦耳热会对元件性能造成影响，同时也降低了逆变电路的工作效率。
[0008]将高温超导材料应用在逆变电路当中，取代电力电子开关器件，可以利用高温超导材料在超导状态时电阻为零的特性，消除开关器件焦耳热的产生，这样可以减少很多不必要的能量损耗，提高逆变器的工作效率和能源的利用率，正是符合现在国家正在倡导的低碳节能的理念。同时由于散热装置的减少，高温超导逆变器的体积将会比常规逆变器小很多。高温超导逆变器会在无线电能传输、特高压直流输电、海军军舰、船舶运输、航空、新能源发电并网等多种场合有着很好的应用前景。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是克服常规逆变器损耗大、载流能力弱等缺点，提出一种高温超导逆变器。本发明可以解决大功率装置器件的运行发热问题，减小装置的体积，延长装置使用寿命，提高在极端恶劣条件下工作的效率。本发明高温超导逆变器具有损耗低，载流能力强等优点，可以广泛应用在太阳能、风能等新能源发电并网中，有效地降低损耗，提高发电效率。
[0010]本发明包括输入部分和逆变部分，其中输入部分包括直流电源、电感和电阻，电阻串接在直流电源与电感之间。所述的电阻为可变电阻，所述的电感的容量需要足够大，以保证输出电流连续平直。逆变部分是超导逆变器的核心部分，本发明采用三相桥式逆变电路作为超导逆变器的逆变部分，该逆变部分采用六个超导模块代替常规逆变电路中的电力电子元件。第一超导模块和第四超导模块串联，第三超导模块和第六超导模块串联，第五超导模块和第二超导模块串联，三组串联的超导模块并联。电感的另一端与并联的超导模块的一端连接。直流电源的另一端与并联的超导模块的另一端连接。
[0011]所述的超导模块包括导线、螺线管和超导材料。超导材料置于螺线管中，螺线管为超导材料提供磁场。螺线管通过导线与交流电源连接，通过改变交流电源输入的电流大小来调节螺线管的磁场强弱，从而达到控制超导材料在超导状态和常规状态之间转换的目的。
[0012]所述的超导模块工作在液氮或制冷机致冷的低温环境中。
[0013]本发明采用超导模块替代常规逆变器的电力电子元件，将超导体的零电阻特性应用在逆变电路中，能够降低焦耳热的产生，减小装置的体积，有效地提高逆变器等装置的工作效率，同时提高逆变器的负载电流。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1本发明的二相桥式超导逆变电路结构不意图；
[0015]图2超导模块结构示意图；
[0016]图3超导模块的外加磁场变化状况示意图；
[0017]图4三相桥式超导逆变电路直流输出电压和电流波形图。
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步说明。
[0019]本发明包括输入部分和逆变部分，其中输入部分包括直流电源、电感和电阻，电阻串接在直流电源与电感之间。所述的逆变部分采用三相桥式逆变电路，并采用六个超导模块代替常规逆变电路中的电力电子元件，逆变部分的输出端为ao、bo、CO三相交流电。
[0020]图1是本发明高温超导逆变器的三相桥式超导逆变电路的结构示意图。如图1所不，六个超导模块1、2、3、4、5、6工作在液氮或制冷机致冷的低温环境中。电阻8的一端与直流电源9连接，电阻8的另一端与电感7连接。第一超导模块I和第四超导模块4串联，第三超导模块3和第六超导模块6串联，第五超导模块5和第二超导模块2串联，三组串联的超导模块并联。电感7的另一端与并联的超导模块的一端连接，直流电源9的另一端与并联的超导模块的另一端连接。
[0021]与常规的三相桥式逆变电路工作原理类似，本发明三相桥式超导逆变电路工作时，六个超导模块必须成对处于超导状态，保证电路构成通路。在电流连续的时候，每个超导模块处于超导状态2 π/3，每隔π/3换相一次，六个超导模块按照第一超导模块1、第二超导模块2、第三超导模块3、第四超导模块4、第五超导模块5、第六超导模块6的顺序依次处于超导状态。
[0022]图2为超导模块的结构示意图。超导模块包括导线a、螺线管b和超导材料C。超导材料c放置在螺线管b中央，超导材料c的两端引出导线a。螺线管b由常规铜线绕制而成，铜线两端分别与外部交流电源的正负极连接，交流电源为螺线管b供电，调节电流的大小可以改变螺线管磁场的强弱。
[0023]所述的导线a串联或并联超导模块中的超导材料C，实现超导模块之间的串联或并联。第一超导模块I中的超导材料引出的导线的一端串连第四超导模块4中的超导材料，第三超导模块3中的超导材料弓丨出的导线串联第六超导模块6的超导材料，第五超导模块5中的超导材料引出的导线串联第二超导模块2的超导材料；第一超导模块I的引出的导线的另一端、第三超导模块3中的超导材料引出的导线的另一端和第五超导模块5中的超导材料引出的导线的另一端连接在一起，第四超导模块4的引出的导线的另一端、第六超导模块6中的超导材料弓I出的导线的另一端和第二超导模块2中的超导材料弓丨出的导线的另一端连接在一起，三组串联的超导模块通过导线a实现并联；电感7的一端与并联的第一、第三、第五超导模块的连接点连接，直流电源9的一端与并联的第四、第六、第二超导模块的连接点连接。电感7的另一端连接电阻8，电阻8的另一端连接直流电源9的另一端。
[0024]本发明采用磁控方式来控制超导材料在常规状态和超导状态之间的转换。通过改变超导材料所处的外界磁场强度来实现超导材料在常规状态和超导状态之间的转换。螺线管b的磁场强度由外部交流电源调节，磁场强度控制超导模块的工作状态。
[0025]图3为六个超导模块的外加磁场变化示意图。外加磁场的变化可以使超导材料在超导和常规状态之间快速转换。如图3所示，当超导模块的外加磁场为零时，超导材料处于超导状态，电路中的电流从此模块通过；超导模块的外加磁场较大时，超过临界磁场，超导材料处于正常态，电路中的电流不从此模块通过，电流流向其它处于超导状态的超导模块。逆变电路的工作原理同常规逆变电路相似，通过如图3所示的磁控方式，可以实现电路的逆变功能。电流连续时，每个超导模块导通角为2 π/3，每隔π/3换相一次，超导模块依次按照第一超导模块1、第二超导模块2、第三超导模块3、第四超导模块4、第五超导模块5、第六超导模块6的顺序依次导通，如此实现电路的逆变功能。
[0026]如图3所不,在O?π/3时,第一超导模块I和第六超导模块6的外加磁场为零，第一超导模块I和第六超导模块6处于超导状态，电路中电流从第一超导模块I和第六超导模块6流过，直流输出电压Ul为AO和BO之间的线电压，即Uab ;在π /3?2 π /3期间，第一超导模块I和第二超导模块2的外加磁场为零，第一超导模块I和第二超导模块2处于超导状态，第六超导模块6恢复到常规状态，电流从第一超导模块I和第二超导模块2流过，直流输出电压Ul为AO和CO之间的线电压，即Uac。如此不断依次循环下去，实现了有源逆变。在整个周期内，输出电压波形由六段形状相同的电压波形组成。三相桥式超导逆变电路直流输出电压和电流图如图4所示。
[0027]在整个超导逆变电路工作过程中，电流只需要流经处于超导状态的超导模块，几乎不会产生焦耳热，可以很好地提高电路的工作效率，降低损耗。
【权利要求】
1.一种高温超导逆变器，包括输入部分和逆变部分，其特征在于，所述的输入部分包括直流电源(9)、电感(7)和电阻(8);电阻(8)的一端与直流电源(9)的一端连接，电阻(8)的另一端与电感(7)的一端连接；所述的逆变部分采用六个超导模块(1、2、3、4、5、6)代替三相桥式逆变电路中的电力电子元件；第一超导模块(I)和第四超导模块(4)串联，第三超导模块(3)和第六超导模块(6)串联，第五超导模块(5)和第二超导模块(2)串联，三组串联的超导模块并联；电感(7)的另一端与并联的超导模块的一端连接，直流电源(9)的另一端与-并联的超导模块的另一端连接；六个超导模块(1、2、3、4、5、6)工作在液氮或制冷机致冷的低温环境中。
2.根据权利要求1所述的高温超导逆变器，其特征在于，所述的超导模块包括导线(a)、螺线管(b)和超导材料(c);超导材料(c)位于螺线管(b)中央，与导线(a)连接；螺线管(b)由铜线绕制而成，铜线的两端分别与外部交流电源的正负极连接，交流电源为螺线管(b)供电，调节电流的大小可以改变螺线管磁场的强弱。
3.根据权利要求2所述的高温超导逆变器，其特征在于，所述的导线(a)串联或并联超导模块中的超导材料(C)，实现超导模块之间的串联或并联；第一超导模块(I)中的超导材料引出的导线的一端串连第四超导模块(4)中的超导材料，第三超导模块(3)中的超导材料引出的导线串联第六超导模块(6)的超导材料，第五超导模块(5)中的超导材料引出的导线串联第二超导模块(2)的超导材料；第一超导模块(I)的引出的导线的另一端、第三超导模块(3)中的超导材料引出的导线的另一端和第五超导模块(5)中的超导材料引出的导线的另一端连接在一起，第四超导模块(4)的引出的导线的另一端、第六超导模块(6)中的超导材料引出的导线的另一端和第二超导模块(2)中的超导材料引出的导线的另一端连接在一起，三组串联的超导模块通过导线(a)实现并联；电感(7)的一端与并联的第一、第三、第五超导模块的连接点连接，直流电源(9)的一端与并联的第四、第六、第二超导模块的连接点连接。
4.根据权利要求1或2所述的高温超导逆变器，其特征在于，所述的超导逆变电路工作时，六个超导模块(1、2、3、4、5、6)成对处于超导状态，使电路构成通路；在电流连续的时候，每个超导模块处于超导状态2 η /3,每隔π /3换相一次,六个超导模块(1、2、3、4、5、6)按照第一超导模块(I)、第二超导模块(2)、第三超导模块(3)、第四超导模块(4)、第五超导模块(5 )、第六超导模块(6 )的顺序依次处于超导状态。
【文档编号】H02M7/48GK103731056SQ201410033464
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月23日 优先权日:2014年1月23日
【发明者】张国民, 严金俊, 肖立业, 余卉, 林良真 申请人:中国科学院电工研究所