高稳定度平顶脉冲强磁场有源调控方法研究与实现

摘要

强磁场是当今前沿科学的重要研究工具之一，在物质探索、生物医疗和工业生产等领域有广泛的应用。强磁场实验环境分为稳态强磁场和脉冲强磁场，分别在各领域得到重要的应用。稳态强磁场的磁场稳定度高、持续时间长，而脉冲强磁场的磁场强度高、运行维护简单。随着基础科学研究的不断深入，科研人员对强磁场实验条件提出了越来越高的要求。平顶脉冲强磁场综合了稳态强磁场高稳定度和脉冲强磁场高磁场强度的优点，逐渐得到了更多科研人员的关注。本文结合武汉国家脉冲强磁场中心现有脉冲电源类型和磁体系统实验条件，对基于有源调控方法的高稳定度平顶脉冲强磁场展开了深入研究。内容涉及脉冲发电机供电的平顶脉冲强磁场系统特性研究与仿真分析、脉冲发电机供电的平顶脉冲强磁场有源调控方法研究、蓄电池供电的平顶脉冲强磁场有源调控方法研究以及有源调节器样机的研制与实验研究等。
　　在脉冲发电机供电的平顶脉冲强磁场系统研究方面，分析了脉冲发电机转速的下降、整流器输出电压和磁体内阻的非线性变化等问题对磁场平顶稳定度的影响。根据脉冲发电机电源系统拓扑结构，建立了基于传统比例积分(Proportional Integral,PI)控制策略的单线圈磁体和双线圈磁体的平顶脉冲强磁场控制系统模型，并通过数字仿真实现了50T/140ms的平顶脉冲强磁场，平顶稳定度约4000ppm。针对脉冲发电机型供电电源的非线性运行特性，提出了基于BP神经网络(Back Propagation Neural Network, BPNN)的自适应PI调节控制策略，通过仿真产生50T/140ms的平顶脉冲强磁场，平顶稳定度约1000ppm。
　　在脉冲发电机供电的平顶脉冲强磁场有源调控方法研究方面，提出了基于级联H桥式逆变器拓扑结构的有源调控方案，并确定了其主电路参数。建立了采用移相三角载波调制和PI控制策略的有源调节器系统仿真模型，产生了50T/140ms的平顶脉冲强磁场，平顶稳定度<100ppm。在此基础上，针对有源调节器和脉冲发电机之间的环流问题，提出了选择性PI调节和重复控制相结合的优化控制策略，并进行了仿真验证。其中，有源调节器采用选择性PI调节控制策略，而脉冲发电机采用基于自适应PI调节的重复控制策略。将50T/100ms平顶脉冲强磁场实际实验中整流器晶闸管触发角数据代入系统仿真模型，进一步验证了采用优化控制策略的有源调控系统能够产生高稳定度平顶脉冲强磁场，并且，脉冲发电机和有源调节器之间的环流得到了有效抑制。
　　在蓄电池供电的平顶脉冲强磁场有源调控方法研究方面，根据脉冲强磁场系统电路拓扑结构和电路原理，分析了蓄电池型电源产生脉冲强磁场的原理。在脉冲放电过程中，由于蓄电池自身极化电阻和磁体电阻的变化，蓄电池型供电电源不能独立产生高稳定度平顶脉冲强磁场。结合国家脉冲强磁场中心蓄电池型脉冲电源实际情况，提出了基于多模块并联拓扑结构的蓄电池有源调控方案以及减小IGBT器件开关应力的“循环导通”控制策略。建立了蓄电池供电的平顶脉冲强磁场系统仿真模型，仿真结果表明采用有源调节的蓄电池型电源可以产生35T/250ms的高稳定度平顶脉冲强磁场，平顶稳定度<100ppm。
　　在有源调节器样机研制和实验研究方面，根据前文对有源调节器的理论分析和系统仿真，提出了兼顾脉冲发电机供电的平顶脉冲强磁场和蓄电池供电的平顶脉冲强磁场的有源调节器样机实施方案，并进行了相关主电路器件选型和控制系统硬件研制。搭建了蓄电池供电的平顶脉冲强磁场系统实验平台，开展了蓄电池组独立放电实验、有源调节器单模块功能测试、有源调节器多模块并联实验和高稳定度平顶脉冲强磁场实验等一系列实验，产生了16T/200ms的平顶脉冲强磁场，平顶稳定度<100ppm。实验结果验证了应用于蓄电池供电的脉冲强磁场的有源调控方法能够有效产生高稳定度平顶脉冲强磁场。

目录

声明

1 绪论

1.1研究背景

1.2平顶脉冲强磁场研究现状

1.3提高负载电流稳定度的方法

1.4本文的研究方向及拟解决的科学问题

1.5本文的章节安排

2 基于脉冲发电机供电的平顶脉冲强磁场

2.1引言

2.2脉冲发电机型电源系统简介

2.3脉冲发电机供电的脉冲强磁场系统数学模型

2.4脉冲发电机供电的平顶脉冲强磁场系统控制策略

2.5自适应PI调节器在平顶脉冲强磁场的应用

2.6本章小结

3 脉冲发电机供电的平顶脉冲强磁场有源调控方法研究

3.1引言

3.2应用于脉冲发电机供电的平顶磁场的有源调节器拓扑结构

3.3应用于脉冲发电机供电的平顶磁场的有源调节器控制策略

3.4减小电源环流的优化控制策略

3.5基于实验数据的平顶脉冲强磁场系统仿真研究

3.6本章小结

4 蓄电池供电的平顶脉冲强磁场有源调控方法研究

4.1引言

4.2基于蓄电池供电的长脉冲强磁场

4.3应用于蓄电池平顶磁场的有源调节器拓扑结构

4.4应用于蓄电池平顶磁场的有源调节器控制策略

4.5本章小结

5 有源调节器样机研制与实验研究

5.1引言

5.2有源调节器硬件设计与器件选型

5.3脉冲强磁场系统初步实验

5.4平顶脉冲强磁场系统实验

5.5本章小结

6 全文总结

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

附录2 攻读博士学位期间参与的科研项目