论文摘要
电感有比电容高得多的储能密度,发展电感式功率脉冲电源有着诱人的前景,断路开关、快速充电、提高效率是这类电源技术的发展的三大瓶颈。采用超导技术可有效提高电源的效率,与超导电感储能电源一体化的断路开关、断路开关的快速性及大阻抗变化特性、相关的材料技术和电源整体技术的发展完善,都是亟待解决的课题。本文依据高温超导材料的特性和发展现状指出传统变阻式超导断路开关的局限性,设计了一种基于迈斯纳效应的激光触发变磁超导断路开关,文中首先进行它的结构设计,说明其基于迈斯纳效应的工作原理及进行影响断路性能的因素分析。之后对超导薄膜失超前后开关内磁场分布进行有限元仿真分析,并动态地模拟了耦合电感次级所获得的脉冲电流输出。文中设计了一种电容电感储能转换、高压脉冲变压器输出的电感式功率脉冲电源,以固态开关模拟超导开关,在脉冲变压器初级电流最大时断路,实现脉冲压缩。为了提高电源的重复频率,设计了LCC逆变充电器,借助充电电容等效为电压源的方法分析逆变器的工作原理,并给出器件选取原则和参数计算方法;接着分析了电容充电和向脉冲变压器放电的过程,说明放电电流最大时断路获取负载侧陡前沿高压窄脉冲的工作过程,并对变负载输出特性进行了分析;文中还设计和仿真分析了降压式的末级输出电路,以获取陡前沿大电流窄脉冲输出,满足电流放电效应的应用需求。整体硬件设计以PIC18F458为主控制器,以专用电路驱动IGBT逆变开关和后级断路开关,选取磁芯进行谐振电感和脉冲变压器设计,按控制器、LCC谐振逆变、电容充电和向变压器放电、末级脉冲输出、辅助电源电路等进行模块化结构设计和PCB加工。根据电源各环节的协调工作要求设计软件流程、编制控制程序。最后进行电源系统实验分析,分别进行了高压和大电流脉冲产生实验,并分析隔离二极管在消除输出负向预脉冲中的作用。课题研究成果是实现激光触发变磁超导断路开关装置的具体实施和实验所必需的前期工作,所研制的LCC逆变充电紧凑型功率脉冲电源在新兴工业领域的小型化应用中前景可期。
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摘要Abstract第1章 绪论1.1 课题研究的目的和意义1.2 高温超导材料的研究现状及发展方向1.3 高温超导功率脉冲电源及超导断路开关技术的现状及发展1.4 课题的主要研究内容第2章 变磁高温超导断路开关的设计和分析2.1 变磁高温超导断路开关的结构设计和工作原理2.1.1 结构设计2.1.2 工作原理及相关理论2.1.3 影响开关性能的因素分析2.1.4 应用领域2.2 变磁高温超导断路开关的有限元仿真2.2.1 Ansys有限元仿真简介2.2.2 超导断路开关静态仿真2.2.3 超导断路开关瞬态仿真2.3 基于变磁高温超导断路开关的功率脉冲电源2.3.1 功率脉冲发生电路2.3.2 主电路Pspice仿真和特性分析2.4 本章小结第3章 LCC谐振充电电感功率脉冲电源设计和分析3.1 功率脉冲电源主电路3.2 功率脉冲电源的工作分析和参数设计3.2.1 电容负载LCC谐振逆变器的工作分析和参数设计3.2.2 中间储能电容充放电工作分析及参数计算3.2.3 输出脉冲变压器的工作分析3.3 主电路Pspice仿真和特性分析3.3.1 主电路工作和输出脉冲特性Pspice仿真3.3.2 变负载输出特性分析3.4 本章小结第4章 紧凑型混合储能功率脉冲电源的硬件设计4.1 高压脉冲电源主电路元件参数和选型4.1.1 LCC逆变器的参数选择4.1.2 储能电容C的选择4.1.3 主开关IGBT的选择4.2 功率脉冲变压器的设计与校核4.2.1 铁芯材料参数及选型4.2.2 功率脉冲变压器的参数设计4.2.3 功率脉冲变压器参数校核4.3 谐振电感的设计与校核4.3.1 铁芯材料参数及选型4.3.2 谐振电感参数设计4.3.3 谐振电感参数校核4.4 高压脉冲电源废气处理系统控制电路设计4.4.1 PIC18F458 控制器4.4.2 监测信号获取及调理电路4.5 固态开关驱动与保护电路设计4.5.1 IGBT逆变桥驱动与保护电路4.5.2 IGBT主开关驱动与保护电路4.6 本章小结第5章 功率脉冲电源的控制软件设计5.1 编程语言和开发环境5.2 系统控制软件总体设计5.2.1 系统控制软件需求分析5.2.2 系统控制方案与软件流程5.3 峰值检测与软件滤波5.4 本章小结第6章 样机调试试验和分析6.1 功率脉冲电源装置6.2 调试步骤及试验波形6.3 试验结论结论参考文献攻读学位期间发表的学术论文致谢
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