基于超导储能脉冲变压器脉冲电源模式的研究与系统设计

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1、ClassifiedIndex：TM834U．D．C：621．3SouthwestJiaotongUniversityDoctorDegreeDissertationl哪叭吣叭㈣叭吣叭叭帆Y2574769MODESTUDYANDSYSTEMDESIGNOFAPULSEDPOWERSUPPLYBASEDONSUPERCONDUCTINGPULSEDPOWERTRANSFORMERSGrade：2U12Candidate：LiHaitaoAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：TheoryofElectric

2、alEngineeringandNewTechnologySupervisor：WangYu西南交通大学博士学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下：1．探讨了现有的基于超导储能脉冲变压器的脉冲电源模式，在此基础上提出了利用超导储能脉冲变压器的单谐振电路放电模式。该模式在保持了超导电感储能的优势的同时，既具有较高

3、的能量传输效率，又对断路开关的端电压进行了限制。2．采用饼式线圈叠加的结构方式，研制了实验用高温超导储能脉冲变压器。该超导储能脉冲变压器结构简单，可具有较高的耦合系数，而且具有可拆卸性和较高的临界电流。3．对基于高温超导储能脉冲变压器的单谐振电路进行了大电流的脉冲放电实验研究。在液氮环境温度下，单模块高温超导储能的脉冲电源实现了峰值超过4kA的电流脉冲。4．将高温超导储能脉冲变压器模块化，进行了多模块集成化的脉冲电源系统设计。多模块的脉冲电源系统不仅具有较高的储能密度，而且并联放电时储能电感侧与感应放电侧等效的耦合系数也得到了提高。5。探讨了基于超导储能脉冲变压器的单谐振电

4、路放电模式驱动电磁推进的可行性，并对影响能量转换效率的各因素进行了分析。学位论文作者签名≯迄漪日期：加n。／／。／歹西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密口，在年解密后适用本授权书；2．不保密囹，使用本授权书。(请在以上方框内打“4”)学位论文作者签名：夕参渤嚼指导老师签名：日期：砂／z．肌岱日

5、期：r缸¨彳¨刁～西南交通大学博士研究生学位论文第1页摘要脉冲功率技术是一门以现代科学研究和国防军事研究为基础发展起来的多学科交叉融合的新兴技术学科。目前影响其大规模实际应用的主要因素是脉冲功率电源的体积和工作频率，因此脉冲功率技术研究的核心问题是能量的高密度存储技术和高功率的快速释放技术。超导脉冲功率技术是超导技术和脉冲功率技术相结合而产生的一门新技术。其中，利用超导电感储能不仅可以实现能量的高密度存储和高功率的快速释放，而且还具有储能时间长，无损耗，体积小，重量轻，对输入级功率要求低等优势，这对脉冲功率电源在轻量化、小型化和实用化等未来发展要求的实现方面都具有重要的研究

6、意义。不过作为电感器件，它同样具有传统电感器件在储能放电中存在高电压的缺陷。本论文以电磁推进应用的脉冲电源为设计目标，结合目前出现的利用超导储能的脉冲电源模式，提出了利用单谐振电路放电的模式，研制了接近实用要求的高温超导储能脉冲变压器，进行了脉冲放电实验，在此基础上进行了多模块集成化脉冲电源系统设计，并对其驱动电磁推进的可行性进行了仿真分析。论文首先理论分析和实验研究了现有超导电感储能和放电的模式，发现了理想放电情况下电阻性转换电路的能量损耗与电路电感的关系，以及电流的转换时间与超导电感端压限制的关系。利用脉冲变压器提升电流的模式可以有效的获得高电流脉冲峰值，减少并联模块数

7、量，但这种模式存在能量传输效率低的问题。然后，论文对传统的基于低温超导储能脉冲变压器的脉冲电源模式进行了分析，引入并探讨了利用电容转换meat．grinder电路模式的可行性，在上述分析的基础上，提出了单谐振电路的放电模式。通过仿真分析和比较得出，单谐振电路的放电模式除了具有储能回路可全部超导化的同时，既保持了较高的能量传输效率，又限制了断路开关的电压，为电磁推进用脉冲电源的小型化提供了新的技术途径。为了验证单谐振电路放电模式的可行性，研制了接近实用的小型高温超导储能脉冲变压器，在液氮浸泡条件下进行了电气特性测试和