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《北京理工大学》 2016年
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基于超导储能电感的脉冲放电系统的研究

王帅兵  
【摘要】:随着科技的发展,脉冲功率技术有着越来越广泛的应用,诸如电磁轨道炮、高能激光武器、电磁弹射等应用对脉冲放电系统的要求也在不断提高。具有高功率密度、高储能密度的超导磁储能系统应用于脉冲功率技术中具有独特的优势。本论文对基于超导储能的脉冲放电系统中的一些关键技术进行了研究,包括脉冲成形电路、超导磁体的优化设计等技术以及脉冲放电系统的应用与实用化。本文根据实际脉冲负载的需求提出了一种基于超导电感储能的电流型脉冲成形拓扑,并设计了应用电路,该放电电路可以实现充电、储能、放电、终止放电、剩余能量回收五种工作模态。相较于传统的脉冲成形电路,增加的终止放电模态对于一些可能需要提前终止放电的脉冲负载具有重要意义,增加的能量回收模态可以降低系统的能量损耗率。然后结合电磁轨道炮对上述电路进行了仿真,仿真证明本文设计的脉冲成形电路能够应用于轨道炮,而且终止放电模态和剩余能量回收模态对于炮口消弧和减小能量损耗具有积极的作用。为满足大容量脉冲放电系统的技术要求与实用需求,还提出了多模块并联同步、异步放电模式。此外由于超导体的特殊性与其昂贵的价格,有必要对中间储能装置超导磁体进行优化设计,借助Ansys有限元工具进行了储能量10kJ的超导磁体的优化设计。最后,搭建了超导储能脉冲放电系统实验平台,采用IGBT作为脉冲成形电路的开关管,采用DSP作为系统的控制核心。实验实现了设计的模态,并且实现了脉冲电流的输出,实现了终止放电过程,而且通过对剩余能量进行回收降低了系统的能量损耗率。
【关键词】:超导储能 脉冲功率 轨道炮 超导磁体
【学位授予单位】:北京理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TJ866
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-11
  • 第1章 绪论11-17
  • 1.1 论文的研究背景与意义11-13
  • 1.2 超导储能脉冲放电系统研究现状13-15
  • 1.3 本文主要研究内容及论文结构15-17
  • 第2章 超导储能脉冲成形电路研究17-30
  • 2.1 电感储能型脉冲成形电路17-20
  • 2.2 新型脉冲成形电路拓扑研究20-24
  • 2.2.1 脉冲成形电路拓扑结构20
  • 2.2.2 工作模态分析20-24
  • 2.3 全模态脉冲成形应用电路设计与仿真24-28
  • 2.3.1 全模态应用电路设计24-26
  • 2.3.2 PSIM仿真26-28
  • 2.4 本章小结28-30
  • 第3章 脉冲放电系统用于轨道炮的仿真分析30-45
  • 3.1 轨道炮的数学模型30-32
  • 3.2 PSIM仿真研究32-36
  • 3.2.1 仿真模型与仿真参数32-34
  • 3.2.2 仿真结果34-36
  • 3.2.3 效率分析36
  • 3.3 电路参数对系统的影响36-39
  • 3.3.1 电容参数的影响36-38
  • 3.3.2 终止放电时机的影响38-39
  • 3.4 模块化方案研究39-44
  • 3.4.1 并联同步放电40-42
  • 3.4.2 并联异步放电42-44
  • 3.5 本章小结44-45
  • 第4章 螺线管型超导磁体的优化设计45-56
  • 4.1 超导体的特性45-47
  • 4.1.1 超导体的基本特性45
  • 4.1.2 超导体的临界值45-46
  • 4.1.3 超导带材的各向异性46-47
  • 4.2 超导磁体的优化设计方法47-48
  • 4.2.1 设计流程47
  • 4.2.2 临界电流确定方法47-48
  • 4.2.3 Ansys有限元分析48
  • 4.3 10kJ超导磁体的优化设计48-55
  • 4.3.1 带材种类48-49
  • 4.3.2 结构选择49-50
  • 4.3.3 尺寸参数50
  • 4.3.4 Ansys仿真分析50-54
  • 4.3.5 Ansys优化计算54-55
  • 4.4 本章小结55-56
  • 第5章 超导储能脉冲放电系统实验平台56-73
  • 5.1 脉冲成型主电路实现56-58
  • 5.2 超导储能磁体58-60
  • 5.3 控制与驱动电路设计实现60-67
  • 5.3.1 DSP控制单元60-62
  • 5.3.2 辅助电源单元62-63
  • 5.3.3 系统检测单元63-66
  • 5.3.4 驱动电路设计66-67
  • 5.4 软件程序设计实现67
  • 5.5 实验结果及分析67-72
  • 5.5.1 脉冲放电基本模态验证67-69
  • 5.5.2 改变吸收电容参数69-70
  • 5.5.3 终止放电与能量回收模态的实现70-72
  • 5.6 本章小结72-73
  • 第6章 总结与展望73-75
  • 6.1 工作总结73-74
  • 6.2 工作展望74-75
  • 参考文献75-79
  • 附录79-81
  • 攻读学位期间发表论文与研究成果清单81-82
  • 致谢82

【参考文献】
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