40T混合磁体外超导磁体电源的控制器研究与设计
本文关键词:40T混合磁体外超导磁体电源的控制器研究与设计 出处:《中国科学技术大学》2017年博士论文 论文类型:学位论文
更多相关文章: 超导磁体 高稳定度 高精度模拟测量 电源控制系统 数字RST算法
【摘要】:中科院强磁场科学中心在建的40T稳态强磁场装置是由内水冷磁体和外超导磁体两部分构成。本文选题为外超导磁体高稳定度电源控制系统设计。外超导磁体电源最大输出8V/16kA,且要求输出电流纹波为1Oppm以内,输出电压纹波有效值在1%以内。控制系统的设计内容涵盖:被控对象的建模、控制指标的提出、控制系统相关参数的确定、控制方式的选择、控制器的设计。当设计方案确定后,还需要进行模型仿真及实际电路验证,以及执行机构、接口器件等实现。对整个电源系统进行分析得出,对于高稳定度电源最关键的三部分分别是:给定、接口器件(包含测量和反馈部分)及控制算法。此外,其他部分也非常关键。文中都有详细的介绍。首先,对被控对象建模。考虑到成本、控制难易等因素,电源主拓扑结构依然采用的是传统的双反星可控硅整流方案。然而,由于其开关频率较低,而且可控硅导通压降较大不可忽略,所以建立主回路模型有一定的难度。本文结合平均电路法和各种干扰模型,对其建立等效电路模型。并对该模型进行仿真,与实测值进行对比,验证所建立的模型在要求的频率范围内是可信的。其次,是对电源实现高稳定度输出的关键因素及相关技术进行详细论证,包含给定、高精度模拟测量电路、数字控制算法的选择以及同步信号滤波电路等。接下来,结合传统自动控制理论,提出了电源控制系统设计的一般方法。本文针对电源系统的特点,分别对系统响应速度、开环截止频率和系统带宽给出了更符合实际电源系统特性的定义,并提出了求取开环截止频率的简单而实用的方法。此外,重点研究了带LC滤波器的功率变换器,通过画近似闭环bode图的方式,得出其系统带宽是接近LC自然频率的,这对电源控制系统的设计非常有意义。然后,针对超导磁体这一大惯性负载,从对50Hz及100Hz纹波的有效补偿及降低对ADC采样频率要求的角度,提出了双环控制架构,其中电流外环采用数字控制方式。本文对双环结构做了深入分析,并提出了双环控制器设计的一般准则。数字外环的控制算法采用RST算法,本文给出了详细的算法原理及参数计算过程。最后,控制系统的具体实现及调试。其中,调试分为二个阶段进行,一是利用假负载测试电压内环的性能;二是将整个控制系统应用于超导磁体。最终的测量结果证明该控制系统能够实现电源要求,整个设计是可信的。
[Abstract]:40T steady high magnetic field device of strong magnetic field in the construction of the science center is composed of an inner and outer water-cooled magnet superconducting magnet is composed of two parts. The topic of this paper is to design a superconducting magnet power supply control system with high stability. The maximum output of 8V/16kA superconducting magnet power supply, and the output current ripple is less than 1Oppm, the output voltage ripple RMS in 1% within the design of control system. The contents include: object modeling, puts forward the control indicators, determine the relevant parameter control system, control mode selection, the design of controller. The design scheme is determined, but also the need for model simulation and actual circuit verification, and actuator interface devices to realize the whole power supply system. Analysis for the three part, the key to high stability power supply are given, interface devices (including measurement and feedback part) and control algorithm. In addition, other Part is also very critical. Described in detail in this paper. First of all, the modeling of the controlled object. Considering the cost, control difficulty and other factors, the main circuit topology is still the traditional double reverse star SCR scheme. However, due to its low switching frequency, and thyristor pressure drop can not be ignored, so the establishment of the main circuit model has a certain degree of difficulty. This paper combined with the average circuit method and various interference model, the equivalent circuit model is established. And the simulation of the model are compared with the measured value to verify the proposed model is credible in the specified frequency range. Secondly, on the power supply the key factors to achieve high stability output and related technologies are demonstrated in detail, including given high precision analog measurement circuit, digital control algorithm and synchronous signal filtering circuit. Then, combined with the traditional automatic control In theory, presents a general method for the design of power supply control system. Based on the characteristics of the power supply system, respectively on the system response speed, open loop cut-off frequency and the bandwidth of the system is defined more in line with the actual power system characteristics, and puts forward the calculating open loop cut-off frequency of simple and practical method. In addition, focus on the power converter with LC filter, the approximate closed-loop Bode diagram by the way of painting, the bandwidth of the system is close to the natural frequency of LC, the power supply control system design is very meaningful. Then, for a superconducting magnet the large inertia load from the effective compensation and reduce the 50Hz and 100Hz sampling frequency ripple requirements for ADC point of view, put forward the double loop control structure, in which the current loop using digital control method. This paper made a thorough analysis of double loop structure, and put forward the general guidelines for controller design of double number. The outer ring of the word control algorithm with RST algorithm, this paper gives the algorithm principle and parameters of the calculation process in detail. Finally, the specific implementation and debugging of the control system. The test is divided into two stages, one is the performance of false load test voltage loop; two is the whole control system is applied to the superconducting magnet. The measured results show that the control system can realize the power requirements, the whole design is credible.
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TL62
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 ;打破技术垄断 国产商用1.5T超导磁体实现产业化[J];硅谷;2011年05期
2 高广箴;4mm脉塞用超导磁体系统通过鉴定[J];电工电能新技术;1986年02期
3 ;英国研制成最大超导磁体[J];材料导报;1988年01期
4 ;世界上一个不用低温冷却剂的工业用超导磁体[J];稀有金属材料与工程;1996年02期
5 耿战修;我国研制成功大型鞍式超导磁体[J];高技术通讯;1997年03期
6 ;绽放在大科学装置上的应用之花[J];高科技与产业化;2013年12期
7 王明华;第三代磁体──超导磁体[J];农村电气化;2000年02期
8 王明华;第三代磁体——超导磁体[J];生物磁学;2003年02期
9 韩跃,张丰元,陈浩树,张超骥,任瑛;紧凑型两维超导磁体[J];船电技术;2004年02期
10 须磊;;超导磁体及其应用[J];现代物理知识;2006年02期
相关会议论文 前10条
1 彭海东;张庆福;;密绕超导磁体的稳态稳定分析[A];数学·物理·力学·高新技术研究进展(一九九六·第六期)——中国数学力学物理学高新技术交叉研究会第6届学术研讨会论文集[C];1996年
2 崔益民;潘皖江;武松涛;万元熙;;大型超导磁体低温胶的研究分析[A];第五届全国低温工程大会论文集[C];2001年
3 关明智;王省哲;辛灿杰;马力祯;;超导磁体结构的多场环境下的力学测量与分析[A];第十三届全国实验力学学术会议论文摘要集[C];2012年
4 宋乃浩;林良真;张亮;徐向东;王天成;蔡玉荣;付宝全;冯勇;;制冷机直接冷却的超导磁体系统[A];第四届全国低温工程学术会议论文集[C];1999年
5 刘安明;汪少华;;超导磁体低温真空的特点及泄漏对真空的影响[A];第二届全国真空检漏技术工业应用研讨会论文集[C];2000年
6 刘安明;汪少华;;超导磁体低温真空的特点及泄漏对真空的影响[A];中国真空学会质谱与检漏专委会第十届年会及中国计量测试学会真空校准专委会第五届年会论文(摘要)集[C];2001年
7 周又和;;ITER超导磁体设计与制备中的若干关键力学问题[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年
8 江德智;陈海波;李洁;郑振耀;陈忠;;基于以太网通信的超导磁体高精度室温匀场电源[A];第十六届全国波谱学学术会议论文摘要集[C];2010年
9 陈运鑫;张小斌;甘智华;邱利民;;用于小型NbTi超导磁体的二元电流引线理论与数值研究[A];第八届全国低温工程大会暨中国航天低温专业信息网2007年度学术交流会论文集[C];2007年
10 郑振耀;谈军;李洁;江德智;陈海波;陈忠;叶朝辉;;基于FPGA和以太网的超导磁体高精度室温匀场电源[A];第十六届全国波谱学学术会议论文摘要集[C];2010年
相关重要报纸文章 前10条
1 记者 李大庆;中科院高能所超导磁体技术中心成立[N];科技日报;2010年
2 齐芳;我国已具备自行设计制造大型低温超导磁体能力[N];光明日报;2007年
3 本报记者 陶映荃;超导磁体技术国产产业化实现新突破[N];工人日报;2010年
4 记者 毛庆 通讯员 杜玮;海归博士造出超导磁体[N];南京日报;2010年
5 记者 张晔;我自主生产的1.5T超导磁体实现产业化[N];科技日报;2011年
6 主讲人 赵忠贤 整理 谭娜;超导的神奇妙用[N];北京科技报;2010年
7 记者 汪永安;“铌锡热处理”系统填补国内空白[N];安徽日报;2011年
8 余建斌;我国加速器低温超导技术获重大突破[N];人民日报;2007年
9 孙芳华;我加速器低温超导技术获重大突破[N];中国知识产权报;2007年
10 记者 张立;推动超导磁体技术发展[N];中国矿业报;2010年
相关博士学位论文 前9条
1 崔英敏;复合超导磁体的稳定性研究[D];华北电力大学;2015年
2 陈孝元;超导磁储能能量交互模型及其应用研究[D];电子科技大学;2015年
3 闻程;超导发电机中超导磁体的设计及其实践[D];东南大学;2016年
4 宋敏慧;40T混合磁体外超导磁体电源的控制器研究与设计[D];中国科学技术大学;2017年
5 关明智;低温超导磁体复杂环境下的力磁行为实验研究[D];兰州大学;2012年
6 卞文龙;非对称超导磁体设计[D];中国科学院研究生院(近代物理研究所);2014年
7 汤洪明;BEPCⅡ SCQ、SSM 超导磁体系统低温工作特性研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
8 彭楠;ITER纵向场超导磁体系统降温过程热力学分析[D];中国科学院研究生院(理化技术研究所);2009年
9 白红宇;HT-7U超导托卡马克氦制冷系统热力学分析及设计研究[D];中国科学院研究生院(等离子体物理研究所);2002年
相关硕士学位论文 前10条
1 俎维振;无绝缘超导磁体研究[D];东北大学;2014年
2 李洪宇;ADS超导磁体水平测试降温过程研究[D];哈尔滨工业大学;2016年
3 姜立秋;J-TEXT装置ECRH超导磁体系统运行及磁场测量技术研究[D];华中科技大学;2015年
4 孙铮;应用超导磁体电磁优化[D];华中科技大学;2007年
5 李峰;小型实验超导磁体的稳定性分析与综合保护系统设计[D];西南交通大学;2009年
6 牟永斌;MICE超导磁体励磁卸载过程中的热分析[D];哈尔滨工业大学;2008年
7 龙瑛;超导磁体电流源的设计与实现[D];合肥工业大学;2003年
8 肖广大;基于超导磁体的快速换能系统研究[D];西南交通大学;2009年
9 魏钦伟;基于ANSYS的超导磁体应力数值模拟研究[D];西南交通大学;2009年
10 韩东;ADS注入器超导磁体降温过程研究[D];哈尔滨工业大学;2014年
,本文编号:1394102
本文链接:https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/gckjbs/1394102.html