基于蓄电池电源的45T长脉冲强磁场研究

摘要

华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心已经建成了蓄电池型电源系统，它采用模块化结构，通过蓄电池的串并联实现不同电压和电流的输出，也可以通过输出母排的转换实现多个电源的灵活供电。本文拟开展基于蓄电池电源系统的45T长脉冲平顶磁场研究，目的是获得满足核磁共振和比热测量等前沿科学研究所需要的既有较高磁场又有稳定平顶的强磁场。分析了三线圈磁体的结构和参数，通过电源的理论分析和仿真研究，设计了满足实际需要的三套独立蓄电池电源结构和参数，确定了三线圈磁体供电的控制方案。本文的主要研究内容包括：
　　首先，针对强磁场下的前沿科学研究对长脉冲平顶强磁场的新需求，结合蓄电池电源系统具有的能量大，输出为直流，理论上是不存在纹波等特点，提出了采用三个独立的蓄电池组电源供电实现三线圈磁体供电的技术路线，实现45T长脉冲平顶磁场，具有重要的科学意义和应用价值。
　　其次，结合现有蓄电池电源系统的参数配置，通过三线圈磁体的参数设计分析，给出了三线圈的长脉冲磁体的主要参数，进而给出三套电源的蓄电池组电压、电流及脉冲长度等主要技术参数。最终确定实现45T长脉冲无纹波的平顶磁场技术方案。
　　进而，完成磁体和电源系统的建模，并利用MATLAB SIMULINK仿真软件对该方案进行了系统仿真，通过对电源的电压电流波形、磁场平顶、磁体温升曲线等主要参数的细节分析和参数优化，确定三套电源的结构配置以及主要放电开关和保护开关的技术指标。
　　在以上分析设计的基础上，针对三个电源同时供电大功率直流以及复杂的磁场环境，可靠的控制保护系统是确保系统安全运行的关键，原有的单电源蓄电池控制保护系统不能满足本文要求的复杂系统。为此重新设计了三线圈三电源的长脉冲平顶磁场的控制及保护系统。包括三线圈放电的时序控制、实时数据采集、故障信号诊断以及保护策略等，确保电源和磁体在短路以及失控等严重故障下整个系统能够安全地退出，保证磁体、电源、开关等重要部件以及人员的安全。
　　最后对全文进行总结，并对下一步的测试和深入研究等给出合理的建议和展望。

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1 绪论

1. 1 脉冲强磁场的介绍及应用

1. 2 脉冲强磁场电源系统介绍

1. 3 长脉冲强磁场研究意义

1. 4 本文主要内容

2 三线圈磁体方案设计及相关电源需求

2. 1 蓄电池电源系统介绍

2.1.1 蓄电池电源系统原理介绍

2.1.2 蓄电池电源的开关性能需求和选型

2.1.3 WHMFC蓄电池型电源系统介绍

2. 2 三线圈磁体初步方案设计

2.2.1 磁体参数设计

2.2.2 蓄电池组电源结构配置

2.2.3 开关系统配置

2. 3 本章总结

3 电源系统设计分析和Matlab仿真建模研究

3. 1 三线圈电源系统仿真模型

3.1.1磁体电阻变化模型

3.1.2晶闸管温升模型

3.1.3续流回路电阻模型

3. 2 系统仿真分析

3.2.1 仿真目的

3.2.2各元件的仿真参数

3.2.3 电源系统仿真结果分析

3. 3 本章小结

4 长脉冲平顶磁场控制及保护方案设计

4. 1 保护开关系统设计

4.1.1保护开关性能测试

4.1.2 法国直流断路器

4.1.3 保护开关系统配置

4. 2 蓄电池电源控制系统设计

4.2.1 控制系统概述

4.2.2 控制系统结构设计

4. 3 本章小结

5 总结与展望

5. 1 全文工作总结

5. 2 后续工作展望

致谢

参考文献