一种可实现宽电流范围调节的低压大电流直流电源

摘要

本申请属于超导磁体线圈负载供电技术领域，具体涉及一种可实现宽电流范围调节的低压大电流直流电源；该电源，包括：恒压源模块和电流源模块；所述恒压源模块的输入端连接输入电压，输出端连接所述电流源模块的输入端；所述电流源模块的输出端连接负载；所述恒压源模块，包括：三相PWM整流桥；所述电流源模块，包括：稳压电容；所述三相PWM整流桥的输入端连接所述输入电压，输出端连接所述电流源模块的输入端；所述稳压电容并联在所述三相PWM整流桥的输出端。本申请可以实现宽范围内符合网侧电能质量要求的输出电流调节。

说明书

技术领域

本申请属于超导磁体线圈负载供电技术领域，具体涉及一种可实现宽电流范围调节的低压大电流直流电源。

背景技术

超导磁体技术是磁约束核聚变研究的重要技术，为未来聚变堆实现商业化提供了可能性，在托卡马克装置中需要向磁体线圈提供大电流，以激发强大的电磁场，实现等离子体位形、位置和等离子体电流等控制。超导线圈相比于普通磁体线圈，无导线电阻产生的电损耗，也没有因铁芯存在而产生的磁损耗，并且具有很高的电流密度，可以较容易地满足关于高均匀度或高磁场梯度等方面的特殊要求，所以具有很强的实用价值。随着超导托卡马克装置的技术不断应用，需要对超导线圈做进一步的研究，考虑到超导线圈不同于普通线圈，为了避免超导线圈两端的电压波动而击穿超导线圈内部绝缘，需要严格限制端电压幅值。

目前直流电源多数采用AC-DC或者AC-DC-AC-DC拓扑，尽管输出电流可以符合负载的需求，但是在消除网侧滤波，提高功率因数方面依然是采用传统的参数固定的无源滤波器，一般采用滤波器-可控晶闸管整流桥-滤波器(即AC-DC拓扑)或者滤波器-二极管整流桥-逆变桥-高频变压器-单相整流桥-滤波器(即AC-DC-AC-DC拓扑)的拓扑结构。设计工况有较大局限性，针对不同的工况需要重新整定滤波参数，不能很好的符合宽电流调节范围下的电能质量要求。

发明内容

本申请的目的是提供一种可实现宽电流范围调节的低压大电流直流电源，解决现有技术无法满足超导线圈所需的宽电流调节范围下的电能质量要求的问题。

实现本申请目的的技术方案：

本申请实施例提供的一种可实现宽电流范围调节的低压大电流直流电源，包括：恒压源模块和电流源模块；

所述恒压源模块的输入端连接输入电压，输出端连接所述电流源模块的输入端；所述电流源模块的输出端连接负载；

所述恒压源模块，包括：三相PWM整流桥；所述电流源模块，包括：稳压电容；所述三相PWM整流桥的输入端连接所述输入电压，输出端连接所述电流源模块的输入端；所述稳压电容并联在所述三相PWM整流桥的输出端。

可选的，所述三相PWM整流桥采用电流内环控制和电压外环控制的双闭环控制，实现对输入交流电流和输出直流电压调节。

可选的，所述电流内环控制采用派克变换，将对称的三相电流转化为dq分量分别控制；所述电压外环控制包括对所述稳压电容两端的电压进行控制。

可选的，所述恒压源模块，还包括：隔离变压器和前级电感；

所述隔离变压器和所述前级电感逐一串联在所述输入电压和所述三相PWM整流桥之间。

可选的，所述电流源模块，还包括：单相逆变桥、高频变压器、单相全波整流桥和输出滤波器；

所述单相逆变桥、所述高频变压器、所述单相全波整流桥和所述输出滤波器逐一串联在所述恒压源模块的输出端和所述负载之间。

可选的，所述单相逆变桥为H桥逆变器。

可选的，所述高频变压器为降压变压器。

可选的，所述单相全波整流桥为二极管整流桥，将交流信号转化为直流信号。

本申请的有益技术效果在于：

本申请实施例提供的一种可实现宽电流范围调节的低压大电流直流电源，电源运行时，由基于三相PWM整流桥组成的恒压源为后级电路提供一个稳定的电压源，基于高频整流电路组成电流源为负载提供一个稳定的电流源。电压源模块采用双闭环控制，电流内环实现对输入电流的调整。电压外环控制实现整流桥稳定输出一个直流电压值。高频整流电路前级由单相逆变桥将电压源模块提供的直流电压逆变为高频电压信号，高频电压经过高频变压器，再经过二极管整流桥再次整流，采用高频信号的原因是减小高频变压器体积，从而减小电源的设计体积。

本申请实施例提供的一种可实现宽电流范围调节的低压大电流直流电源，可以实现宽范围内符合网侧电能质量要求的输出电流调节。同时由于控制系统主动的调节谐波含量和功率因数，显著的减小无功损耗，降低电源容量，从而减小电源的生产成本，具备很好的经济性。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种可实现宽电流范围调节的低压大电流直流电源的电路拓扑。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请，下面将结合本申请实施例中的附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚-完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本申请实施例中的一部分，而不是全部。基于本申请记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本申请保护的范围内。

为了解决现有技术问题，本申请发明人针对现有低压大电流电源的优缺点，结合PWM整流和高频整流技术，本申请提供了一种可实现宽电流范围调节的低压大电流直流电源，这种拓扑的核心器件为高频的开关器件，通过对开关器件占空比的控制，可以很好的调节网侧输入电流波形，在稳定输出负载电流的同时，消除网侧谐波，提高电源工作的功率因数。并且适用于多种工况。

基于上述内容，为了清楚、详细的说明本申请的上述优点，下面将结合附图对本申请的具体实施方式进行说明。

参见图1，该图为本申请实施例提供的一种可实现宽电流范围调节的低压大电流直流电源的电路拓扑。

本申请实施例提供的一种可实现宽电流范围调节的低压大电流直流电源，包括：恒压源模块和电流源模；

恒压源模块的输入端连接输入电压Vin，输出端连接电流源模块的输入端；电流源模块的输出端连接负载Load；

恒压源模块，包括：三相PWM整流桥10和稳压电容C；三相PWM整流桥101的输入端连接输入电压Vin，输出端连接电流源模块200的输入端；稳压电容C并联在三相PWM整流桥101的输出端。

在本申请实施例中，稳压电容C用于稳定三相PWM整流桥101的输出电压，避免电压波动对电源输出性能的影响。电源运行时，由基于三相PWM整流桥101组成的电流源模块为后级电路提供一个稳定的电压源，基于高频整流电路组成电流源为负载提供一个稳定的电流源，可以实现超导磁体线圈的低压大电流直流输出，可以符合近似纯电感负载的宽范围内直流电流的调节。在具体实施时，电源可以采用模块化结构。

在本申请一些可能的实现方式中，三相PWM整流桥101采用电流内环控制和电压外环控制的双闭环控制，实现对输入交流电流和输出直流电压调节。可以实现宽电流范围内调节，网侧功率因数和谐波含量均可符合电能质量要求。在额定的调节范围内，要求谐波因数含量(THD)小于5％，功率因数(PF)大于0.85。由于控制系统主动的调节谐波含量和功率因数，显著的减小无功损耗，降低电源容量，从而减小电源的生产成本，具备很好的经济性。

在一个例子中，电流内环控制采用派克(abc-dp)变换，将对称的三相电流转化为dq分量分别控制，实现对交流侧功率因数恒为1的控制；电压外环控制包括对稳压电容C两端的电压进行控制。电流内环控制实现对输入电流的调整。电压外环控制实现整流桥稳定输出一个直流电压值。

在本申请一些可能的实现方式中，恒压源模块，还包括：隔离变压器102和前级电感L；

隔离变压器102和前级电感L逐一串联在输入电压Vin和三相PWM整流桥101之间。

隔离变压器102可以隔离电力网络和电源系统，同时降低交流输入电压，使得三相PWM整流桥101输出合适的电压水平。前级电感L为三相PWM整流桥提供boost电路的特性，同时可以起到的滤波效果。

在本申请一些可能的实现方式中，电流源模块，还包括：单相逆变桥201、高频变压器202、单相全波整流桥203和输出滤波器204；

单相逆变桥201、高频变压器202、单相全波整流桥203和输出滤波器204逐一串联在恒压源模块100的输出端和负载Load之间。

单相逆变桥201是调节输出电流的核心部分，通过调整IGBT导通的占空比，调节输出电压的有效值，改变后级电路的电压波形，从而调节电源直流输出电流。作为一个示例，单相逆变桥201可以为H桥逆变器。

高频变压器202是后级电路输出大电流的核心器件，在二次侧输出直流大电流。一般情况下，高频变压器202的工作频率越高，变压器体积越小，这有利于产品体积优化。作为一个示例，高频变压器202可以为降压变压器。

单相全波整流桥203将交流信号转化为直流信号。输出滤波器204可以很好的过滤直流电压中的高次谐波，降低直流电压峰值，以实现符合负载的电压幅值要求。在一个例子中，单相全波整流桥203可以为二极管整流桥。

上面结合附图和实施例对本申请作了详细说明，但是本申请并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。本申请中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。