高温超导脉冲功率应用电磁特性的基础研究

论文摘要

大功率脉冲技术作为高新、尖端技术日益受到重视,在新概念武器及未来高速运载工具方面,具有极大的发展潜力。在脉冲功率技术中,储能磁体、脉冲变压器、乃至脉冲成形回路中的开关、各类电感、线圈、传输线等,均是超导技术潜在的应用目标。本文针对Bi-2223/Ag高温超导材料在脉冲功率环境下的电磁特性、以及基于高温超导磁储能的脉冲功率成形技术进行基础性研究,发现了高温超导对脉冲过电流的承载特性,明确了高温超导磁储能脉冲功率技术的关键性问题。获得的研究结果对高温超导电力技术也具有重要的基础意义。论文对高温超导材料分别在直流、工频交流、振荡电流、脉冲电流作用下的失超与超导恢复特性进行了大量的实验研究,同时,应用传热学原理和有限元差分法对高温超导带材在各种形态过电流下失超后的传播过程以及恢复过程进行理论分析与仿真研究,通过比较高温超导材料在不同形态电流作用下失超后的常态电阻的发展特点和超导恢复性能,发现了高温超导材料在不同形态电流波形下的失超和超导恢复特性与过电流的幅值、频率、持续时间的关联关系;提出了失超发展的理论模型:失超发展与常态电阻产生的热量变化率dQr dt、液氮冷却带走的热量损失率dQl dt有关;得出了高温超导材料对短时交流和脉冲过电流具有一定的过载能力的结论。通过对高温超导线圈在工频交流过电流下的失超实验研究,发现了超导线圈在交流过电流下电流和失超后线圈电压的相位变化关系,提出了基于相位变化的超导线圈在交流下的失超判断方法,为超导装置在交流下的失超检测与保护提供了新的技术途径。在基本掌握超导带材、线饼电磁特性的基础上,研制了小型高温超导脉冲实验磁体,进行了磁体电气特性试验。通过应用MATLAB的Simulink软件仿真研究高温超导磁储能脉冲成形的方法,明确了技术关键,然后设计了脉冲成形回路,进行了基于高温超导磁储能的脉冲成形放电实验研究,提出了通过改变磁体放电回路接线方式和放电回路磁体参数的方法来实现脉冲成形的技术方案,获得了较好的负载脉冲波形。在全文研究的基础上,提出了高温超导脉冲功率应用设计的基本原则。为进一步研究将高温超导应用于脉冲功率技术奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 论文研究的目的和意义
• 1.2 超导及超导脉冲功率技术研究状况
• 1.3 论文研究的内容和创新点
• 2 超导脉冲功率技术实验装置的研制
• 2.1 引言
• 2.2 大电流脉冲实验装置
• 2.3 超导交流过电流控制器
• 2.4 小结
• 3 高温超导体在直流下的失超检测与仿真分析
• 3.1 引言
• 3.2 高温超导失超的基本物理量
• 3.3 高温超导带材临界电流随磁场的变化特性
• 3.4 高温超导失超传播的仿真分析
• 3.5 高温超导线饼直流失超实验研究
• 3.6 本章小结
• 4 高温超导体在工频交流过电流下的失超特性
• 4.1 引言
• 4.2 带材在工频交流过电流下的失超特性
• 4.3 带材在工频交流过电流下失超后的恢复特性
• 4.4 块材在工频交流过电流作用下的失超特性
• 4.5 本章小结
• 5 高温超导体的脉冲电气响应
• 5.1 引言
• 5.2 带材在不同频率的振荡过电流下的电气响应
• 5.3 带材在不同持续时间的脉冲过电流下的电气响应
• 5.4 带材在脉冲过电流下的失超仿真分析
• 5.5 实验参数对失超发展的影响
• 5.6 带材在脉冲电流下的极限试验
• 5.7 本章小结
• 6 高温超导线圈在交流下的失超检测
• 6.1 引言
• 6.2 超导线圈在交流下失超判断原理
• 6.3 超导线圈在工频交流下的失超实验研究
• 6.4 本章小结
• 7 高温超导磁体的脉冲特性
• 7.1 引言
• 7.2 高温超导脉冲实验磁体设计的基本考虑
• 7.3 高温超导脉冲实验磁体的制作
• 7.4 高温超导磁体的脉冲电气特性
• 7.5 高温超导磁储能脉冲功率成形实验研究
• 7.6 本章小论
• 8 超导脉冲功率成形技术及其仿真研究
• 8.1 引言
• 8.2 高温超导电感
• 8.3 超导开关特性
• 8.4 脉冲成形回路
• 8.5 脉冲成形仿真实验
• 8.6 超导脉冲功率技术的相关问题
• 8.7 本章小结
• 9 高温超导脉冲功率应用设计原则
• 9.1 磁体结构特点
• 9.2 过电流安全应用
• 9.3 脉冲成形方法
• 9.4 冷却条件
• 10 全文总结
• 10.1 总结
• 10.2 下一步研究的工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文
• 附录2 攻读博士学位期间参加和完成的课题项目
• 附录3 实验数据分析的主要程序
• 附录 4 大电流脉冲实验操作步骤和注意事项