高温超导磁储能脉冲功率电源系统设计

发布时间：2017-07-29 03:08

  本文关键词：高温超导磁储能脉冲功率电源系统设计

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【摘要】：脉冲功率技术是一门多学科交叉的新兴技术学科,在国防、工业以及民用领域应用广泛。但是,目前制约其发展的主要因素是装置的储能密度过低、缺乏合适的高功率开关以及输出频率过低。超导脉冲功率技术是利用超导电感储能高密度无损储能的优势,达到脉冲功率装置小型化、实用化和集成化的要求。但是作为电感储能脉冲功率电源,仍然需要改进放电模式、断路开关及保护电路来提高系统性能。本论文以电磁推进用脉冲功率电源为设计目标,针对传统放电模式的弊端,提出了两种超导磁储能脉冲放电电路,设计了超导储能脉冲变压器,对系统进行了相关脉冲放电实验。论文首先理论分析了电容储能和超导储能推动电磁推进负载的效果,发现两种储能模式下直接带动轨道型推进装置的理论可行性及能量损耗与电路的关系。利用储能脉冲变压器升流模式可以克服电感直接推动负载的低效率、模块众多以及与负载不匹配的问题。然后,分析了低温超导储能脉冲变压器型放电模式的放电机理,并引入了高温超导储能脉冲变压器型放电电源。针对其断路开关过电压的问题,采用中间转换电路提高电源的性能,仿真研究了电阻性电阻转换电路和电容性转换电路对断路开关过电压保护、脉冲输出波形以及能量传递效率的影响。然后,提出了超导电感电容混合储能脉冲功率放电模式,并将其作为轨道型电磁推进负载的电源,这种放电模式下电感和电容共用一个初始电源,在提高储能容量的基础上进一步限制了断路开关电压峰值,并且引入了能量回收机制,理论和仿真结果表明,混合储能脉冲放电模式将超导电感储能和电容储能有效结合在一起,达到了高速率和低断路开关峰值电压的目的。为了验证混合储能脉冲放电模式的可行性,设计了小型超导储能脉冲变压器,并比较了两种连接方式下的性能,实验结果有力的证明了新型放电模式的可行性及设计原则。最后,为了减轻多模块超导脉冲变压器并联运行的设计复杂度,结合低温IGBT和ZnO压敏电阻技术,提出了全低温多模块超导储能变压器型脉冲功率电源,并就器件的低温电气特性以及失超保护电路进行了实验和理论分析。接着在理论分析的基础上设计了全低温耦合双模块超导储能变压器型脉冲功率电源,在理论研究的基础上建立了基于Simplorer和Maxwell的联合仿真模型,并对超导脉冲变压器中原副边并联绕组的环流问题进行了研究,提出了相关抑制措施。该电源由上下相互耦合的超导储能脉冲变压器模块组成,采用串联充电-并联放电技术,在80A的初始储能电流下,在负载上得到了5.42kA的脉冲电流。
【关键词】：超导脉冲功率 高温超导 脉冲变压器 脉冲成形 液氮冷却
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN86
【目录】：

• 摘要6-7
• abstract7-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 论文研究的目的和意义11-12
• 1.2 超导及超导脉冲功率技术研究12-17
• 1.2.1 超导材料及超导电性12-14
• 1.2.2 超导脉冲功率技术发展现状14-16
• 1.2.3 相关低温电力器件研究现状16-17
• 1.3 论文的工作与章节安排17-18
• 第2章 超导电感储能脉冲功率电源放电模式研究18-28
• 2.1 电磁推进原理及储能比较18-23
• 2.1.1 轨道型电磁推进原理18-20
• 2.1.2 电源储能比较20-23
• 2.2 基于中间转换电路的超导储能脉冲变压器放电模式研究23-27
• 2.2.1 转换电路原理分析24-26
• 2.2.2 仿真分析26-27
• 2.3 本章小结27-28
• 第3章 新型超导电感电容混合储能脉冲功率电源28-48
• 3.1 超导电感电容混合储能脉冲功率电源28-36
• 3.1.1 放电原理29-31
• 3.1.2 系统参数对输出特性的影响31-36
• 3.2 高温超导储能脉冲变压器设计36-43
• 3.2.1 超导脉冲变压器原副边绕组37-39
• 3.2.2 不同连接方式的比较39-43
• 3.3 实验研究43-46
• 3.4 本章小结46-48
• 第4章 全低温多模块超导储能变压器型脉冲功率电源48-57
• 4.1 全低温脉冲电源引入及基础研究48-54
• 4.1.1 液氮温区下IGBT的电气特性研究50-53
• 4.1.2 液氮温区下ZnO的超导磁体稳压特性研究53-54
• 4.2 超导绕组失超保护54-56
• 4.3 本章小结56-57
• 第5章 基于Simplorer和Maxwell的双模块超导储能脉冲功率电源仿真与实验57-67
• 5.1 双模块超导储能变压器结构参数57-60
• 5.1.1 电路原理57-58
• 5.1.2 系统效率分析58-59
• 5.1.3 电路构成59-60
• 5.2 基于Simplorer和Maxwell的联合仿真模型60-64
• 5.2.1 软件介绍及仿真设置61-63
• 5.2.2 环流原因及抑制措施63-64
• 5.3 实验研究64-66
• 5.4 本章小结66-67
• 结论67-69
• 致谢69-70
• 参考文献70-74
• 攻读硕士期间发表的论文及科研成果74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

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中国博士学位论文全文数据库 前1条

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中国硕士学位论文全文数据库 前1条

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本文编号：587191