高温超导磁储能脉冲功率电源系统设计

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1、万方数据西南交通大学士研究生学位论文第V页第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⋯⋯475．1双模块超导储能变压器结构参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．475．1．1电路原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯475．1．2系统效率分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯485．1．3电路构成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯495．2基于Simplorer和Maxwell的联合仿真模

2、型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯505．2．1软件介绍及仿真设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯515．2．2环流原因及抑制措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯535．3实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。545．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯56结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．57致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

3、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．59参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯60攻读硕士期间发表的论文及科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64万方数据西南交通大学士研究生学位论文第1页1．1论文研究的目的和意义第1章绪论脉冲功率技术是20世纪30年代以来发展起来的-1"7新兴学科，首先它利用初级储能装置产生所需要的基本脉冲波形，然后利用开关器件和脉冲成形装置对脉冲进行时间上的压缩，从而得到极短时间内的高功率脉冲输出【1．3l。在过去相当长的时间内，脉

4、冲功率技术的研究多集中在以美国和前苏联为中心的发达国家，研究方向多为军事方面的研究。近年来，随着脉冲功率技术的蓬勃发展，它已经渗透到我们日常生活的方方面面。在军事方面，它可以应用在电磁推进、大功率微波、卫星推进和受控激光核聚变等装置中；在工业领域，它可以用于驱动激光器完成切割与焊接等工作、处理废气废水以及食品保鲜；在医用领域，脉冲功率技术可以用NO吸入疗法治疗呼吸系统疾病以及粉碎结石等，应用十分广泛14．刀。脉冲功率技术是一门发展迅速的年轻学科，它的发展得益于新型科学技术对其的需求和相关外围器件的

5、发展。定期召开的国际脉冲功率会议(IEEEPulsedPowerConference)为科研和工程人员提供了一个展示交流的平台，现已成为重要的国际学术会议，促进了脉冲功率技术的发展。目前，制约脉冲功率技术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Il埘。n。疗咖啪幻。”珊lf^口>f＼^^)l一-J∞))oQuc—umcI价万方数据西南交通大学士研究生学位论文第2页率脉冲；电容储能是脉冲功率技术中最常用的储能方式，电容器可以分为两种，一种为高压绝缘脉冲电容器，其放电功

6、率大，但是储能密度低，另一种为超级电容器，其储能密度高，但是放电功率小，因此电容储能很难兼顾储能密度和放电功率；电感器储能密度高、体积小，并且随着超导技术的发展，超导电感储能(SMES)进一步减少了运行过程中的能量损耗，并且使储能密度提升了一个量级，具有广阔的应用前景。各种储能方式的典型参数如图1．1所示。高温超导可以显著降低系统的运行成本，这将会对电工领域的发展产生巨大的推进作用，也会对脉冲功率技术领域带来实质性的影响。超导电感储能(SMES)长期无损储能，并且可以承受短时高脉冲电流的冲击【8。

7、91，非常适合应用到脉冲功率技术中。电磁推进系统将电磁能转变为动能，通过电磁力做功将物体加速到高速的一种电气传动装置。经过一百多年的发展，电磁推进技术的应用领域已经从最初的电磁炮拓展到航母电磁弹射、船舶电磁推进、高速运输等领域。电磁推进技术具有发射成本低、效率高、能量清洁、可控性好、发射抛体质量调节范围大等优点，具有着广阔的应用前景【1m131。脉冲功率电源是电磁推进系统最重要的组成部分，电磁推进装置需要几百kA甚至MA级别的电流脉冲，并且单次工作的时间为几ms。因此，这将会对脉冲电源提出更加苛刻

8、的要求。采用传统电容器制作的初始储能电源的体积和重量不能满足实用化的要求；而超导电感储能本身即是电流源，并且储能密度高、损耗小，非常适合作为脉冲电流源应用到电磁推进系统中。在以下的章节过程中，将重点介绍超导材料的发展、超导脉冲功率技术以及相关电力器件的发展，并以此提出具有创新意义和输出特性的两种新型高温超导电感储能放电模式。1．2超导及超导脉冲功率技术研究1．2．1超导材料及超导电性超导体具有零电阻特性、迈斯纳效应、约瑟夫森效应以及超导态．常态之间的相变等特性。下面将着重介绍零电阻