本發(fā)明涉及四象限變流器設(shè)計方法領(lǐng)域，具體是一種帶旁通的大電流四象限晶閘管變流器一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

聚變能是解決人類能源問題的重要途徑之一，而ITER計劃是由歐盟、美國、中國、日本、俄羅斯、韓國、印度等7方共同建造的國際熱核聚變實驗堆，中國承擔(dān)ITER聚變裝置電源系統(tǒng)的研制任務(wù)。該聚變電源需要研制一種輸出±55kA/±1.42kV帶旁通的四象限晶閘管變流器，且動穩(wěn)定電流達350kA以上。該晶閘管變流器是ITER電源系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，它從電網(wǎng)吸收能量，將50Hz電網(wǎng)能量通過四象限變流器變換后，可實現(xiàn)任意的電流波形輸出，其負(fù)載是數(shù)百毫亨到數(shù)亨的超導(dǎo)電感線圈，由于有限的安裝空間限制，要求帶旁通的大電流四象限變流器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)一體化，減少占地空間。

晶閘管四象限變流器一般由兩臺整流變壓器、四臺六脈波晶閘管橋、旁通、電抗器和控制器等組成，如圖1所示可以任意輸出所需的電流波形。兩臺整流變壓器放置在一個油箱，原邊共用一個三相進線，副邊分別輸出相移30度的兩組三相交流母排。四象限變流器的四個變流橋和旁通安置于一個結(jié)構(gòu)上，其中變流橋1(CU1)和變流橋2(CU2)采用背靠背結(jié)構(gòu)，其交流進線共用一臺整流變壓器的交流輸出母排；同理變流橋3(CU3)和變流橋4(CU4)也采用背靠背結(jié)構(gòu)，其交流進線公用另一臺整流變壓器的交流輸出母排，旁通位于四臺變流橋的中心位置，其中CU1、CU3和CU5(旁通)共用四象限變流器負(fù)極直流母排、CU2、CU4和CU5共用四象限變流器正極直流母排。

傳統(tǒng)的大功率四象限變流器結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，是由四個在結(jié)構(gòu)上相互獨立的變流橋、旁通橋組成，獨立安裝后再通過外部大電流母排連接，組成一個四象限變流器系統(tǒng)。其優(yōu)點是各變流橋之間電磁耦合帶來的各種影響可以不予考慮，每個變流橋在電氣和結(jié)構(gòu)上可以獨立設(shè)計，而設(shè)計時主要采用定性的分析方法，僅考慮各支路自感和電阻，以及晶閘管的固定通態(tài)壓降來進行變流器結(jié)構(gòu)設(shè)計，其存在的主要問題是：設(shè)計效率低、均流效果差、結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定性低，并將導(dǎo)致變流器設(shè)備占地空間大和成本較高。

本發(fā)明通過變流器結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計方法，將四象限變流器的四個變流橋及旁通橋，作為一個整體來考慮和進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。一體化設(shè)計的大電流四象限變流器由于四個變流橋和旁通處于一個緊密的結(jié)構(gòu)上，數(shù)萬安培大電流運行時產(chǎn)生強而快速變化的交變電磁場帶來的變流橋間、橋內(nèi)各橋臂和并聯(lián)晶閘管元件的均流，以及各支路電動力等問題，必須采用新的設(shè)計方法來進行解決。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種帶旁通的大電流四象限晶閘管變流器一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，以提高大功率變流器結(jié)構(gòu)設(shè)計的效率，降低設(shè)計成本，提高均流效果和結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定性，同時減少設(shè)備占地空間和降低成本。

為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

帶旁通的大電流四象限晶閘管變流器一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特征在于：包括以下步驟：

(1)、根據(jù)變流器總體電氣參數(shù)要求，初步設(shè)計大電流四象限變流器的結(jié)構(gòu)，利用相關(guān)電磁分析軟件建立四象限變流器結(jié)構(gòu)的電磁耦合分析模型，通過有限元分析法計算出不同變流橋以及與旁通間的電磁參數(shù)，該電磁參數(shù)至少包含自感、互感和電阻參數(shù)；

(2)、利用上述步驟(1)求解的電磁參數(shù)構(gòu)成電磁耦合關(guān)系矩陣，并考慮晶閘管特性的影響，建立包括各變流橋和旁通間的四象限變流器的電路分析模型，利用MATLAB軟件進行編程求解，計算相互之間電磁耦合的四象限變流器各導(dǎo)電支路和各并聯(lián)的晶閘管電流參數(shù)，再計算各導(dǎo)電支路所受的電動力和均流系數(shù)；

(3)、根據(jù)上述步驟(2)計算結(jié)果，優(yōu)化四象限變流器的橋臂及各導(dǎo)電支路連接設(shè)計結(jié)構(gòu)，再利用上述步驟(1)和(2)建立的電磁和電路分析模型進行計算校核，直到帶旁通的大電流四象限變流器結(jié)構(gòu)滿足晶閘管元件均流要求和各導(dǎo)電支路電動穩(wěn)定性要求為止。

所述的帶旁通的大電流四象限晶閘管變流器一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特征在于：步驟(1)中所述的電磁參數(shù)，是根據(jù)變流器初步結(jié)構(gòu)，利用ANSYS或MAXWELL電磁分析軟件，建立包括各變流橋臂內(nèi)各支路、各橋臂之間和連接橋臂的交、直流母排的變流器的各導(dǎo)電支路空間結(jié)構(gòu)的電磁耦合分析模型，通過有限元分析法計算得到包含自感、互感和電阻參數(shù)在內(nèi)的與各變流橋臂和導(dǎo)電支路結(jié)構(gòu)相關(guān)的電磁耦合關(guān)系的電感矩陣。

所述的帶旁通的大電流四象限晶閘管變流器一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特征在于：步驟(2)所述的電路分析模型，不僅考慮與各變流橋橋臂和導(dǎo)電支路結(jié)構(gòu)相關(guān)的電磁耦合關(guān)系的電感矩陣的影響，還充分考慮并聯(lián)晶閘管的非線性阻抗特性的影響，來建立電路分析方程，利用MATLAB軟件求解得到各導(dǎo)電支路和并聯(lián)晶閘管的電流波形，以及上述步驟(1)的變流器電磁分析模型，計算得到各橋臂支路和導(dǎo)電支路各部分所受電動力下的形變和變流器的均流系數(shù)。

本發(fā)明的有益效果有：

1)設(shè)計效率高：基于電磁分析軟件和MATLAB軟件建立分析模型和編寫計算程序，實現(xiàn)變流器結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計的參數(shù)化與程序化，大大提升設(shè)計效率，降低設(shè)計成本；

2)均流效果好：充分考慮各變流橋臂和支路結(jié)構(gòu)的相互電磁耦合關(guān)系和并聯(lián)晶閘管的非線性通態(tài)特性，通過定量分析計算，設(shè)計出的變流器均流性能較常規(guī)的定性分析方法更好；

3)性價比高：通過對大電流四象限變流器結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計，由于其均流效果好，與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比，可減少設(shè)備的占地空間和降低成本；

4)應(yīng)用范圍廣：可廣泛應(yīng)用于大功率電力電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計。

附圖說明

圖1為帶旁通的大電流四象限晶閘管變流器結(jié)構(gòu)的電路拓?fù)洹?/p>

圖2為帶旁通的大電流四象限變流器電磁耦合分析模型。

圖3為大電流四象限變流器橋臂結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計過程示意圖。

圖4為帶旁通的大電流四象限變流器結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計結(jié)構(gòu)。

具體實施方式

大電流四象限變流器結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計方法，包括以下主要步驟：

1)根據(jù)大電流四象限晶閘管變流器的總體電流和電壓等電氣輸入?yún)?shù)要求，將如圖1所示的四象限變流器的四個變流橋及旁通橋，作為一個整體來考慮，設(shè)計帶旁通的四象限變流器初步結(jié)構(gòu)；

2)根據(jù)變流器初步設(shè)計結(jié)構(gòu)，利用ANSYS或MAXWELL等電磁分析軟件建立如圖2所示的帶旁通的大電流四象限變流器空間電磁耦合分析模型；

3)通過有限元分析方法，可計算包括橋臂內(nèi)部各支路、各橋臂之間和連接橋臂的交、直流母排等的各導(dǎo)電支路的自感、互感和電阻等與各變流器橋臂和導(dǎo)電支路結(jié)構(gòu)相關(guān)的電磁耦合關(guān)系的電感矩陣；

4)利用上述步驟3)求得的各變流橋臂和各導(dǎo)電支路結(jié)構(gòu)相關(guān)的電磁耦合關(guān)系的電感矩陣，同時考慮并聯(lián)晶閘管的非線性阻抗特性，建立相應(yīng)的電路分析模型，利用MATLAB軟件，可求解得到各導(dǎo)電支路和并聯(lián)晶閘管的電流。

如圖3所示為示意了上述一體化設(shè)計方法的四個關(guān)鍵設(shè)計步驟，應(yīng)用在核心的變流器橋臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程。具體過程解釋如下：

如圖3左側(cè)所示為根據(jù)輸入?yún)?shù)要求，經(jīng)設(shè)計得到的變流器橋臂初步結(jié)構(gòu)；

如圖3中間下部所示為根據(jù)初步結(jié)構(gòu)利用MAXWELL電磁軟件建立的橋臂空間電磁模型，如圖3中間上部所示為通過有限元分析計算得到的變流橋臂內(nèi)部包括各支路自感、互感和電阻的耦合電感矩陣；

如圖3右側(cè)上部所示為建立的橋臂電路分析方程(以下黑體字代表矩陣)，它包括考慮橋臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)的耦合方程：考慮并聯(lián)晶閘管的非線性阻抗特性：RI_B+U(I_B)，考慮外部其它各橋臂結(jié)構(gòu)對被分析橋臂結(jié)構(gòu)之間的耦合關(guān)系方程：以及一個開關(guān)周期內(nèi)的橋臂總電流波形：It＝K_BI_B。根據(jù)上述電路方程，可求解得到如圖3右側(cè)下部所示的橋臂內(nèi)各晶閘管支路電流。

5)利用步驟4)計算得到的各導(dǎo)電支路和并聯(lián)晶閘管的電流，上述步驟2)建立的變流器電磁耦合分析模型，可計算得到變流器各橋臂和導(dǎo)電支路部分所受的電磁力結(jié)果，以及變流器的均流系數(shù)。

6)根據(jù)步驟5)計算的變流器均流系數(shù)和電磁力下的形變計算結(jié)果，對變流器的設(shè)計結(jié)構(gòu)進行校核，并根據(jù)設(shè)計要求，優(yōu)化四象限變流器的橋臂及支路連接等設(shè)計結(jié)構(gòu)，再重新計算，使得大電流四象限變流器結(jié)構(gòu)滿足晶閘管元件均流和動穩(wěn)定性設(shè)計要求。

運用該大電流四象限變流器結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計方法的發(fā)明，分別完成了如圖4所示的帶旁通的大電流四象限變流器結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計，以及一體化設(shè)計的大電流四象限變流器設(shè)備的生產(chǎn)制造。

此外，對該大電流四象限變流器設(shè)備進行了各項型式試驗和常規(guī)試驗的測試，試驗結(jié)果表明，該一體化設(shè)計的帶旁通的大電流四象限變流器結(jié)構(gòu)，在55kA穩(wěn)態(tài)電流下的均流系數(shù)達到0.9以上，在350kA以上短路電流下的均流系數(shù)達到0.8以上，在最大動穩(wěn)定電流達415kA的條件下，變流器結(jié)構(gòu)完好。上述結(jié)果充分表明該一體化設(shè)計的發(fā)明方法對大功率變流器設(shè)計具有重要的工程參考和應(yīng)用價值。