用于脉冲电源的高温超导脉冲变压器模型及其参数影响分析

高温超导脉冲变压器用于能量存储以及电流脉冲放大,是电感储能型脉冲电源的重要设备。为了合理地设计高温超导脉冲变压器线圈的几何参数,满足脉冲功率系统体积小型化和储能密集化的发展趋势,本文选择了同轴饼式线圈叠加结构的脉冲变压器模型,利用有限元仿真软件Ansoft Maxwell进行建模仿真,分析了几何参数对高温超导脉冲变压器原边超导线圈的临界电流密度、储能容量、线圈中超导带材的受力以及变压器耦合系数的影响。通过对仿真结果的综合分析,得出原边超导线圈的高厚比小于0.3时,小型高温超导脉冲变压器可以获得较高的性能,为脉冲功率技术的基础性实验验证研究提供了一定的理论基础。     

两种基于超导脉冲变压器的脉冲电源研究

为探索电感储能的脉冲电源,介绍了两种利用超导脉冲变压器储能和脉冲放大的脉冲电源模式,分别分析了两种脉冲电源的工作原理,以同一个实验用小型超导脉冲变压器的实际参数为依据,对两种脉冲电源模式进行了仿真计算,并分别分析了不同限压等级条件下的脉冲输出特性及效率特性。结果显示,两种电源模式都对超导脉冲变压器的原边有较好的限压,不过,利用电容限压的模式的综合性能要好于利用非线性电阻限压的模式。     

小型YBCO超导脉冲变压器线圈结构优化设计

超导脉冲变压器在电感储能的脉冲功率电源技术中具有非常大的应用潜力.设计合理的线圈结构参数,可以减小脉冲功率电源系统的体积和成本.本文基于YBCO超导带材的临界特性,探讨了高温超导线圈的临界电流计算方法,以饼式线圈叠加形式为超导脉冲变压器的基本结构,通过有限元仿真软件Ansoft Maxwell建模分析了结构参数对脉冲变压器中超导线圈的最大磁场、临界电流密度、储能和变压器耦合系数的影响.通过结果分析,确定了能够实现较大储能和较高耦合系数要求的结构参数范围,最后综合脉冲功率电源的要求选择了一个小型高温超导脉冲变压器的结构参数.     

不同线圈结构高温超导脉冲变压器电磁性能分析

高温超导脉冲变压器是电感储能型脉冲功率电源的重要设备之一,在脉冲功率技术中有良好的发展前景。选择合理的线圈结构,能提升超导脉冲变压器的储能密度,降低脉冲功率电源的成本。设计了采用D型、跑道型线圈的单模块超导脉冲变压器,利用有限元仿真软件Ansys EM建立了三种结构超导变压器的模型,计算并分析了结构对脉冲变压器耦合系数和超导线圈储能密度的影响。仿真结果表明,当带材总量一定,圆环形线圈和D型线圈单模块超导脉冲变压器的储能容量和耦合系数较高,跑道型线圈较低;考虑线圈中心空气域,D型线圈变压器的超导线圈储能密度最大。     

高温超导混合脉冲变压器的研制与放电测试研究

为了利用脉冲变压器模式有效提升输出电流,介绍了一种在常规脉冲变压器基础上引入超导技术混合应用的方法.通过理论分析和参数计算,研制出了由3个超导双饼绕组和2个单饼式铜绕组组成的实验用高温超导混合脉冲变压器.对研制好的混合变压器进行脉冲放电测试,实验结果表明:在初始电容器充电610V的条件下,变压器副边实现2.6kA的大电...     

用于超导储能系统的变压器持续电流开关的研究

本基于变压器的特性提出了一种能用于超导储能系统的新型超导持续电流开关，即变压器持续电流开关。变压器原边线圈Ｔ１的匝数大于副边线圈的匝数，在变压器逼边设置彼此反接的两副边线圈Ｔ２和Ｔ３以减少开关的电感和避免变压器的铁芯饱和。     

XH-1装置电感储能系统的电路模拟

 针对XH-1装置电感储能系统,建立了电爆炸断路开关基于开关电阻倍增比与比能关系的电路模型,给出了与电感储能系统耦合时,利用PSPICE模拟计算得到的开关上的电流电压波形和负载上的电压波形,分析了负载阻抗参数对输出脉冲的影响。     

电容参数对超导储能重复频率脉冲电源性能影响

介绍了单级超导电感储能重复频率脉冲电源电路,对放电过程及转换电路中电容器的作用进行了分析,建立了单级脉冲电源的基础试验平台和电路仿真模型,利用仿真分析了不同电容参数对脉冲电源性能的影响。仿真波形与实际试验波形具有较好的一致性,能够很好地反映超导电感储能重复频率脉冲电源的输出性能,证明了电路仿真模型是可行的。仿真结果表明:电容参数对电容电压和最大电容储能比例影响较大,对输出脉冲峰值和负载的实际能量利用效率影响相对较小,选择较大的电容参数,可以降低电容电压,从而降低脉冲电源对断路开关的耐压要求,但是同样会降低输出脉冲峰值和增大最大电容储能比例。在未来大功率系统中,应在满足断路开关耐压的条件下,选择较小的电容参数。     

多原边脉冲变压器的优化设计及应用

通过对脉冲变压器原副边回路参数、绕组结构、铁心材料的优化设计,实现了小尺寸变压器对大电流三电极开关的触发。变压器空载输出可达40 kV,增加中间储能环节后,在大电流触发管的触发极可产生百A数量级的触发电流,可以实现触发管在较低的欠压比下稳定触发。通过对脉冲变压器绝缘结构的优化设计,确保了脉冲变压器在与触发管配合过程中可以承受其输出电缆折返射造成的过电压与反灌电流。     

基于超导脉冲变压器的连续脉冲电源模块化研究

为了探索连续电磁发射用电感储能连续脉冲电源,首先对基于单模块高温超导脉冲变压器的连续脉冲电源电路及其实验验证结果进行了分析,然后在单模块的基础上设计了多模块的电路拓扑和多模块超导脉冲变压器线圈模型,最后利用多模块脉冲电源的设计参数,进行了连续脉冲成形仿真。通过构建3组环形结构,每组12个模块的高温超导脉冲变压器,在0.1Hz的固定工作频率下,系统总储能5.7MJ,负载电流脉冲峰值可达640k A,放电结束后原边电感回收的剩余能量占总储能的44.4%。仿真结果证明了脉冲电源模块化方案的可行性,在放电结束后的系统剩余能量能够有效回收利用,不过断路开关电压仍然较大,需要较多的断路开关串联使用。     

基于超导储能脉冲变压器的多模块脉冲电源设计

为了探索一种更加紧凑的导轨型电磁推进基础实验用脉冲电源,以实验室现有高温超导储能脉冲变压器为单元模型,在单谐振电路脉冲成形方案的基础上,设计了环形结构的多模块脉冲电源,分析了环形结构中考虑互感的多模脉冲电源电路的充放电过程。通过对八模块环形结构脉冲电源进行仿真分析,得到了接近150kA的电流脉冲,原边电压限制13kV左右。可以得出,利用单谐振电路的多模块超导储能脉冲变压器并联放电方式,可以实现大电流脉冲的输出的要求,而且环形结构中各线圈存在的互感更有利于多模块脉冲电源。     

高温超导脉冲变压器线圈结构参数影响分析

用于脉冲功率电源的高温超导脉冲变压器,集超导储能与脉冲放电为一体,在脉冲功率技术中有着良好的发展前景。设置合理的线圈结构参数可以提升高温超导脉冲功率变压器的耦合系数和储能容量,满足脉冲功率电源小型化、轻量化的优化目标。本文利用有限元仿真软件Anysys EM,建立了同轴饼式线圈叠加结构的单模块变压器模型和环形结构的多模块变压器模型,根据磁场分布和后期计算,分析了结构参数对脉冲变压器耦合系数和原边超导线圈的储能的影响。仿真分析结果表明,在77 K时,采用相同用线量的情况下,单模块高温超导脉冲变压器耦合系数和原边电感线圈的储能随线圈高度减小逐渐增大;多模块高温超导脉冲变压器减小线圈高度、增大内半径能够获得较高的性能,为超导脉冲变压器的脉冲电源实验验证提供了一定的参考依据。     

直线变压器驱动源馈入方式模拟研究

在采用以水介质形成线馈入直线变压器初级的技术路线来研制脉冲功率源时,馈入方式影响着变压器的参数及电磁波的传输。运用Maxwell等软件,从场均匀性的角度对不同馈入方式进行了模拟分析,结果显示:单侧馈入时,变压器初级线圈内的电流密度分布很不均匀,激磁电感比一般等效公式计算的结果大很多,但对耦合系数影响微小;四侧馈入能获得更大的场均匀性,但成本高,设备复杂;双侧馈入的方式能以较低的成本大幅提高场均匀性,为建议采用的馈入方式。     

PPCP用固态脉冲电源的实验研究

 介绍了一种采用半导体开关与磁开关、可饱和脉冲变压器相结合技术的固态脉冲电源，此电源可用于脉冲放电等离子体烟气治理。在理论分析的基础上建立了实验模型，通过实验验证了此类电源的可行性，解决了8支晶闸管开关串联的动静态均压及开通同步性问题，并对可饱和脉冲变压器及磁开关的工作特性进行了分析计算。电源在阻性负载上得到峰值电压37.5 kV、前沿101 ns、脉宽1 μs的脉冲，重复频率300 Hz，输出功率10 kW。     

重复脉冲强流电子束源长时间稳定运行实验研究

 简要阐述了脉冲变压器型重复脉冲强流电子束加速器CHP01的组成、主要特点及工作原理，利用设计的重复脉冲强流电子束源进行了长时间运行实验研究，实验结果达到：在100 Hz重复频率下连续运行5 s，脉冲变压器能稳定输出电压1.15 MV,强流束二极管输出电压超过800 kV、束流7 kA、脉冲宽度45 ns，阴极电子发射密度超过10 kA/cm²，且运行稳定可靠。利用该电子束源进行了X波段类周期慢波结构微波器件实验研究，在50 Hz重复频率下连续运行5 s，输出微波功率超过1 GW，脉冲宽度大于25 ns。     

CRAFT超导磁体电源换流变压器短路阻抗设计

聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）超导磁体电源兼具大电流稳态运行、高功率脉冲运行和瞬态故障抑制能力的需求。换流变压器的短路阻抗与超导磁体电源的特性密切相关。为了优化超导磁体电源的性能,基于交直流系统的参数和换流变压器的等效电路模型,研究了换流变压器短路阻抗与超导磁体电源的输出电压、谐波电流、短路故障电流和无功损耗的关系。短路阻抗越小,超导磁体电源的额定输出电压越高,无功损耗越小,这些特性对CRAFT超导磁体电源的性能有利,但是短路故障电流和谐波电流增加,影响电源的短路故障抑制能力和谐波特性。在CRAFT超导磁体电源换流变压器短路阻抗设计时,首先短路阻抗必须满足直流电源的额定输出电压和故障电流抑制能力,其次,由于CRAFT超导磁体电源是多相变流器,仅产生高次特征谐波电流,含量少便于抑制,因而尽量选择较小的短路阻抗。     

A mobile test facility based on a magnetic cumulative generator to study the stability of the power plants under impact of lightning currents

The report presents the results of the development and field testing of a mobile test facility based on a helical magnetic cumulative generator (MCGTF). The system is designed for full-scale modeling of lightning currents to study the safety of power plants of any type, including nuclear power plants. Advanced technologies of high-energy physics for solving both engineering and applied problems underlie this pilot project. The energy from the magnetic cumulative generator (MCG) is transferred to a high-impedance load with high efficiency of more than 50% using pulse transformer coupling. Modeling of the dynamics of the MEG that operates in a circuit with lumped parameters allows one to apply the law of inductance output during operation of the MCG, thus providing the required front of the current pulse in the load without using any switches. The results of field testing of the MCGTF are presented for both the ground loop and the model load. The ground loop generates a load resistance of 2–4 Ω. In the tests, the ohmic resistance of the model load is 10 Ω. It is shown that the current pulse parameters recorded in the resistive-inductive load are close to the calculated values.     

利用爆磁压缩发生器产生高功率脉冲高电压

 爆磁压缩发生器产生脉冲高电压技术可以用于产生高功率微波及强电磁脉冲的实验研究。给出了利用螺旋型爆磁压缩发生器（HEMG）驱动电爆炸丝功率调节系统产生高功率脉冲高电压的实验方法和主要的结果。在利用HEMG驱动电爆炸丝断路开关（EEOS）产生脉冲高电压实验中，获得了最高电压700~800kV,功率大于20GW的脉冲输出。     

脉冲成形网络参数对轨道型电磁驱动系统效率的影响

针对分布馈电式(DES)轨道型电磁驱动系统,建立了基于PSpice的电路模型;采用最常见的电容储能方式构成脉冲成形网络(PFN);负载模型充分考虑电枢运动时的滑动摩擦,以及导轨电感、电阻等非线性因素。由仿真结果得到的电流值可以计算出电枢所承受的电磁力,从而得到电枢的加速度、速度,以及动能。分别选取不同电容器组的电容量或初始电压,脉冲成形电感器的电感量,主放电开关的闭合时间间隔,以及PFN模块参数(包括模块的数量、结构等),进行仿真分析,得出在各种参数下的系统效率,并加以比较,确定了几种可以有效提高轨道型电磁驱动系统效率的方法或者最优化的参数。仿真结果表明:在电枢质量与加速距离不变的条件下,电容器组的电容量或初始电压越高,电枢初速度越大,而系统效率随着电压的升高先增大后减小;脉冲成形电感器的电感量越大,电感器中的剩余能量越大,系统效率越低;主放电开关的闭合时间间隔越短,系统的效率越高;在初始能量一定的前提下,电源的模块数越多,电枢的出膛速度越大,系统效率也越高,可以通过采用多组小电容值的电容,来提高系统的效率;优化的PFN模块参数设计能够提高系统的效率。     

水介质形成线泄漏电阻对充电效率的影响

研制了一种基于直线变压器技术的脉冲功率系统,采用水介质脉冲形成线并联充电作为脉冲形成装置。分析了给形成线充电时泄漏电阻对充电电压效率和能量效率的影响,给出了泄露电阻的能量损耗率计算公式;结合实验参数计算了本实验中水介质形成线的泄漏电阻,介于8.2kΩ与3kΩ之间。根据泄露电阻取值范围,分析了双模块和四模块实验中水介质形成线充电过程中的电压效率与能量效率,结果表明水介质形成线的能量损失占其获得能量的5%～12%;计算结果同时表明:随着实验模块数增加,能量损失逐渐增大。