脉冲强磁场电源系统设计及实现

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1、ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringDesignandRealizationofPulsePowerSupplySystemforPulsedHighMagneticFieldCandidate:JiangChengxiMajor:PowerSystemandItsAutomationSupervisor:Prof.PanYuanProf.DingHongfaHuazhongUniversityofSc

2、ience&TechnologyWuhan430074,P.R.ChinaMay29,2013独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授

3、权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打―√‖）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学博士学位论文摘要强磁场作为一种基础研究的重要极端条件，在凝聚态物理、材料科学等研究领域发挥着不可替代的作用。作为获得高场强磁场有效方法的脉冲强磁场实验装置，在全世界范围内受到广泛关注和大力发展。脉冲强磁场电源为脉冲强磁场实验装置提供能量，并影响磁场的强度、波形和质量，是装置的关键和核心部件。本文根据各类脉

4、冲强磁场电源的特点和优劣，并结合华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心（筹）现有条件和规划，选择电容器型电源与脉冲发电机型电源作为脉冲强磁场装置的能量来源，重点研究了这两种脉冲强磁场电源系统的具体设计与实现方案。针对磁体供电要求，以及电容器型电源单模块和多模块并联两种工作状态，分析了电容器型电源主要参数对磁场强度、波形的影响，并提出了12.6MJ/25kV电容器型电源系统的总体设计方案；根据电容器型电源模块可靠性及稳定运行的要求，确定各组成部分的功能及其参数要求，重点设计了脉冲电容器及阻尼电感、放电开关及保护电感、续流二极管及续流电阻、极性转换开关等主要元件的实现方案。在电容

5、器型电源系统研制过程中，对该电源系统的主要元件和整个系统的性能和参数进行了测试和分析，验证了设计方案的可行性，并通过对模块阻抗的测试，建立了精确的电容器型电源模块模型，为后续分析奠定模型基础；针对电容器型电源放电瞬间因线路寄生参数引起的瞬态过电压问题，分析了引起瞬态过电压的具体因素，并设计了相应的阻容吸收支路，实验表明该阻容吸收支路能有效抑制瞬态过电压幅值。在脉冲发电机型电源系统设计方面，分析了现有的100MVA/185MJ脉冲发电机系统和磁体需求，优化了脉冲整流器系统的直流侧参数，提出了135MVA脉冲整流器系统的整体设计方案；根据系统特点提出了由晶闸管开关和机械开关并

6、联组成的Crowbar支路作为直流侧故障保护方案；以规划50T/100ms磁体作为负载，仿真分析了脉冲发电机型电源系统的整体工作情况，验证了该设计方案的可行性。在脉冲发电机型电源系统纹波分析及控制策略研究方面，分析了单线圈和双线圈磁体的供电方式和影响平顶磁场纹波的主要因素，以磁场纹波最小化为目标，提出了交流电压，出口电抗器，线路阻抗等参数的系统配置原则；针对双线圈磁体等效电路，提出了全电流平顶、无电流平顶、半电流平顶三种控制策略，分析了各自的优缺点和适用场合，并通过实验验证了无电流平顶控制策略的有效性；针对阶梯波单线圈磁体，分析了在串联12脉波与串联24脉波整流器两种拓扑

7、电路下，两个整流器触发角不对I华中科技大学博士学位论文称运行方式时产生的磁场纹波，并给出了纹波最小要求下的最优触发角分配曲线。关键词：脉冲电源脉冲强磁场脉冲电容器脉冲发电机晶闸管开关晶闸管相控整流器双线圈磁体II华中科技大学博士学位论文AbstractThehighmagneticfieldisoneoftheimportantandbasicresearchtoolsincondensedmatterphysics,materialsscienceandotherresearchareas.Therefore,thepuls