基于超导储能脉冲变压器的副边延时型脉冲电源系统设计

摘要

作为一门多学科交叉的新兴技术学科，脉冲功率技术在包括国防、工业以及民用在内的多个领域发挥着重要作用。超导磁储能具有的高密度、无损耗的特点能够帮助超导脉冲功率装置实现小型化、集成化以及实用化的发展目标。然而超导电感在脉冲功率系统的放电过程中依然存在着承载高电压的风险，需要通过优化放电模式、断路开关以及保护电路来改善系统的整体性能。本论文结合目前出现的基于高温超导脉冲变压器的脉冲功率系统，设计了一种副边电路延时型超导脉冲功率系统，并搭建实验平台对提出的电源系统进行相关的脉冲放电实验研究。 论文首先经过理论与仿真分析，对现有的基于超导磁储能的放电模式与基于超导脉冲变压器的放电模式展开研究。经过对比，发现各种放电模式各有特点，其中基于超导脉冲变压器的放电模式可以实现储能-放电一体化，在结构、重量上具有很大的优势。此外，本实验室提出了具有限压结构型以及自耦式脉冲功率放电模式，有效地限制了断路开关动作瞬间的高电压并提高了系统能量转换率。然后，基于传统的超导脉冲变压器型脉冲功率电源，本文设计了一种副边延时型脉冲功率系统，利用副边开关的延迟闭合，与原边电路形成一个可控时间差，使得原边能量在超导电感与电容中形成更加理想的分配，从而在负载输出更合需要的脉冲波形。经过仿真与实验分析可知，相比于相同条件下的传统放电模式，在较好的延时条件下该系统将产生具有更高脉冲峰值、更高能量转换效率与更加品质优良的脉冲输出。之后，为了扩大脉冲功率系统的应用范围，本文设计了一种改进型的多模块电感型脉冲功率系统，对于影响模块之间耦合效应的阵列结构、模块数量N、阵列半径R等参数进行了着重的理论与仿真分析。分析认为可以利用环形结构通过采取增加模块数量、增加排布紧密度的方式来增加模块之间的互耦效应，从而提高系统的整体性能，为扩大脉冲功率电源的应用范围和提高多模块系统性能提出了新的思路与方法。最后，将论文提出的副边延时型脉冲功率系统扩展为多模块系统，经过仿真，证明了具有六模块的副边延时型脉冲功率系统具有可行性。

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