多模块高温超导脉冲变压器脉冲成形装置及控制方法
【技术领域】
[0001 ] 多模块高温超导脉冲变压器脉冲成形装置及控制方法，属于脉冲功率技术领域。
【背景技术】
[0002]脉冲功率技术是当前国际上非常活跃的前沿高科技之一，其研究的主要内容是如何经济地和可靠地储存能量，并将大能量和大功率有效地传输到负载上，以高电压、大电流、高功率、强脉冲为特点，也称为高功率脉冲技术。脉冲功率技术在国防科研、高新技术研究和民用工业等领域中发挥着越来越广泛的重要应用。在军事研究领域，脉冲功率技术可以为脉冲激光武器、粒子束武器、高功率微波武器、电化学炮、各种电磁弹射系统等新概念武器提供大功率脉冲电源；在现代科学研究领域，脉冲功率技术还可应用于受控核物理试验、强流粒子束加速器、脉冲强磁场、超高速碰撞力学以及半导体离子注入等研究方面；在民用工业领域，脉冲功率技术还可应用于机械加工、材料处理、环境治理、生物医疗等方面。由于军事武器、科学实验和民用工业领域对脉冲功率技术中能量存储、功率脉冲的上升时间、平顶度、重复率、稳定性和设备寿命等方面的提出了较高的要求，人们对脉冲功率技术提出了许多新的挑战，也促进了它向更广宽度发展。
[0003]—般来说，脉冲功率装置主要包括初级能源、中间储能、脉冲成形或能量压缩等三大部分，而中间储能元件是脉冲功率技术中的基础元件，是脉冲功率技术的关键部件，直接影响着脉冲功率装置的小型化、轻量化和模块化等应用发展方向。现有的脉冲功率装置中的储能元件大多采用电容器，存在以下缺点:(1)电容器的储能密度不高，很难降低脉冲功率装置的体积；(2)电容器具有一定的漏电流，不能长时间储能。超导电感的储能密度大，比电容器高1?2个数量级，且损耗小、储能效率高、能够较长时间储能，在脉冲功率技术中展现出了良好的应用前景。而且随着高温超导材料生产技术的不断发展，超导电感的单位体积储能密度会越来越高，符合脉冲功率装置小型化和轻量化的要求。
[0004]当前基于高温超导电感储能的脉冲功率技术实施模式主要有两种:一种是高温超导电感串联充电并联放电模式；另一种是基于高温超导脉冲变压器储能和放电模式。
[0005]高温超导电感串联充电并联放电模式，主要是以高温超导电感模块的叠加来实现输出电流脉冲的增大。它存在的问题是如果要得到幅值非常高的电流脉冲，则需要叠加的超导电感模块非常多，使系统的规模非常大，这不利于脉冲功率装置的实施和控制；而且由于放电时会在电感两端产生高电压，断路开关技术也是限制其发展的主要因素之一。
[0006]基于高温超导脉冲变压器储能和放电模式，以空心高温超导脉冲变压器为储能和脉冲压缩元件，集储能与脉冲成形于一体，易于集成化和模块化。高温超导脉冲变压器的原边储能绕组为多匝线圈，用高温超导Bi系或Y系带材绕制，副边绕组为几匝线圈，用铜线绕制。在储能期间，原边绕组的充电电流接近高温超导电感线圈的临界电流，副边绕组电感线圈中的电流为零。放电时，高温超导脉冲变压器的原边绕组切换到放电回路，使得原边电流迅速衰减，在原边与副边的互感作用下，副边绕组感应出高幅值的电流脉冲。
[0007]在现有技术中，申请号分别为CN2006101250531和CN201210228710的中国专利分别公开了高温超导磁体脉冲成形装置和一种基于超导常导混合脉冲变压器的脉冲功率电源。其中申请号为CN2006101250531的专利采用多模块高温超导电感串联充电并联放电，再利用高温超导脉冲变压器降压升流的工作原理，其优点是可以有效的减少高温超导电感的模块数，使系统体积减小，而其缺点是放电后各高温超导电感和高温超导脉冲变压器原边仍有较多能量剩余，能量传输效率偏低，而且各高温超导储能电感对高温超导脉冲变压器原边绕组放电属于电感对电感放电，电流的突变会产生很高的电压，需要附加保护装置；申请号为CN201210228710的专利采用的是自耦变压器原理的储能放电模式，是变压器的原边和副边串连充电，共同储能，其放电模式为变压器原边和副边共同利用电容器做转换模块，使副边回路感应出大电流脉冲，优点是储能和放电效率高，而其缺点是常导的副边参与储能时会增加损耗，不易实现多模块长时间储能，不易实现模块化。
[0008]在现有技术中，文献R.ff.Design and Testing of a Novel Inductive PulsedPower Supply Consisting of HTS Pulse Power Transformer and ZnO—Based NonlinearResistor [J].1EEE Transact1n on Plasma Science, 2013，41 (7): 1781-1785.提出了一种在放电时将原边电感中的电流切换到非线性电阻性放电回路。该模式的优点是在放电过程中，原边绕组的电压得到有效的限制；而存在的问题是:(1)原边对电阻性放电回路放电，因此不可避免的会产生能量损耗；(2)增大放电回路电阻可以有效降低能量损耗，提高系统传输效率，但是增大放电回路电阻，在放电时超导脉冲变压器原边产生的电压也会提高，不利于系统安全。
【发明内容】
[0009]本发明要解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种可对高温超导脉冲变压器原边绕组的剩余能量进行回收和释放，更加高效地利用高温超导脉冲变压器储能和放电特性，提高系统的输出功率和能量传输效率，并能有效的改善输出波形的多模块高温超导脉冲变压器脉冲成形装置及控制方法。
[0010]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:该多模块高温超导脉冲变压器脉冲成形装置，其特征在于:包括控制模块以及与控制模块相连的:
至少一组高温超导脉冲变压器，控制模块控制高温超导脉冲变压器的原边绕组实现串耳关;
初级充电电源，初级充电电源通过控制模块对完成串联的高温超导脉冲变压器的原边绕组进行充电，控制模块同时对初级充电电源的工作状态进行控制；
转换模块，转换模块通过控制模块与高温超导脉冲变压器的原边绕组相连，与高温超导脉冲变压器的原边绕组之间实现能量的回收和释放，控制模块对转换模块的导通状态进行控制；
同时设置有负载开关，高温超导脉冲变压器的副边绕组通过负载开关连接负载。
[0011]优选的，所述的控制模块包括:信号处理单元以及由信号处理单元实现控制的断路开关单元以及闭合开关单元。
[0012]优选的，在所述的断路开关单元中包括由所述信号处理单元控制开合同时与高温超导脉冲变压器数量相符的至少一个开关，开关串联在初级充电电源与高温超导脉冲变压器原边绕组之间以及相邻高温超导脉冲变压器原边绕组同名端与非同名端之间。
[0013]优选的，在所述的闭合开关单元中包括由所述信号处理单元控制开合同时与高温超导脉冲变压器数量相符的至少一组开关，开关分别串联在高温超导脉冲变压器原边绕组的同名端和非同名端与转换模块的并联回路中。
[0014]优选的，所述的转换模块包括电容器C1、晶闸管S1~S2以及二极管D4，电容器C1的一端同时连接晶闸管S1的阳极以及二极管D4的阴极，电容器C1的另一端与晶闸管S2的阳极并联后同时通过闭合开关单元中的开关连接高温超导脉冲变压器的同名端；晶闸管S2的阴极与晶闸管S1的阴极以及二极管D4的阳极并联后通过闭合开关单元中的开关连接高温超导脉冲变压器的非同名端。
[0015]优选的，所述的高温超导脉冲变压器的数量为1~32个，同时置于低温杜瓦中。
[0016]优选的，所述的高温超导脉冲变压器的原、副边绕组耦合系数大于0.9，变比为5-50 ο
[0017]多模块高温超导脉冲变压器脉冲成形装置实现的控制方法，其特征在于:包括如下步骤:
步骤a，启动多模块高温超导脉冲变压器脉冲成形装置的控制方法；
步骤b，控制模块发出控制信号，断开高温超导脉冲变压器与转换模块之间的连接，同时控制转换模块截止；
步骤c，控制模块发出控制信号，闭合高温超导脉冲变压器与初级充电电源之间的连接，并设定充电电流参数；
步骤d，控制模块向初级充电电源发出控制信号，初级充电电源对各模块高温超导原边串联充电；
步骤e，信号处理单元