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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

高温超导同步直线电机的数值仿真分析

利用Comsol Multiphysics多物理场耦合软件对单极高温超导直线电机进行有限元电磁仿真分析,首先详细介绍高温超导直线电机的二维仿真模型和计算流程,并通过计算结果和实验结果作对比的方法对该模型进行了有效性验证;利用仿真模型详细分析高温超导线圈几何参数对力学性能的影响:高温超导线圈匝数、高度对直线电机力学性能的影响;随着线圈匝数的增加,虽然最大推进力随匝数的增加而单调增加,但对应的作用力增量却随匝数的增加而逐渐减小.另外随着超导线圈高度的增加,当推进力达到一定饱和值后,继续增大线圈高度只能导致法向力的增大,却并不能带来推进力的进一步提高.最后重点讨论在高温超导带材线圈中引入铁磁材料后,铁芯和背部铁轭几何参数对直线电机作用力的影响.所得结论对高温超导直线电机的电磁结构设计具有指导意义.     

500 kVA/10 kV高温超导变压器设计及稳态特性研究

设计了一台500 kVA/10 kV单相高温超导变压器,对其在工况下的电磁特性与温度特性进行仿真研究。根据工程经验公式给出超导变压器的铁心规格与绕组结构等重要参数,使用有限元软件建立了超导变压器的二维轴对称仿真模型,基于高温超导体的H方程与传热理论,计算超导变压器正常运行时的磁通密度、温度及交流损耗。仿真结果表明,在超导变压器绕组端部存在较大的径向漏磁通,导致端部线圈损耗较大、温度较高,需采用适当方法减小径向漏磁通。     

高温超导线饼电感的数值计算方法研究

随着高温超导材料技术的进步,高温超导磁体的研究也成为研究的重点对象。鉴于其零电阻、高电流密度等相对于常规导体磁体所不具备的优点,高温超导磁体在电力工业中储能系统、电机、变压器、限流器等电气装置中也有重要的应用意义。饼绕超导磁体的核心即超导线圈绕制而成的线饼,而超导磁储能系统的动态过程则是围绕着磁体的电感充电与放电开展,因此对高温超导磁体内部线饼的电感及互感耦合的分析显得极为重要。文中在单个线饼的基础上,首先介绍了高温超导线饼的结构,提出计算线饼自感及互感参数的若干数值算法及有限元仿真方法,并结合实际测量数值,对高温超导线饼自感及互感参数进行了对比分析;接着对低温相比常温下线饼电感数值下降的情况进行了简单的原因分析。     

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。     

基于高温超导脉冲变压器的脉冲电源测控系统

为了监测脉冲电源的放电特性、控制脉冲电源的可靠工作,采用现代测试技术、虚拟仪器技术和数据库技术,设计了基于高温超导脉冲变压器的脉冲电源测控系统,硬件系统由计算机、单片机、数据采集卡、驱动电路板和电压电流传感器等组成,软件系统采用LabVIEW来进行设计.在脉冲电源的测量算法中,采用基于EEMD的消噪算法,消除了噪声,采用基于最小二乘法的数据拟合算法,准确的测量出脉冲电源电流的峰值、脉宽等参数.实验结果表明,该系统可以实时监测和控制脉冲电源的工作过程,实现了电参数的在线测量和整体系统的闭环控制.     

脉冲功率系统储能型超导脉冲变压器放电研究

为了研究储能型超导脉冲变压器的电气参数对输出电流脉冲和效率的影响,介绍了储能型超导脉冲变压器的工作机理,运用MATLAB/Simulink软件对放电过程进行丁建模仿真.主要研究了储能型超导脉冲变压器放电电路的电阻参数(包括释能电阻与负载电阻)和电感参数(包括脉冲变压器原边电感和副边电感)对输出的电流脉冲和效率的影响.仿...     

基于感应变压器原理的多路开关同步触发技术

为满足直线变压器驱动源(LTD)中大规模开关同步触发的技术需求,提出了一种采用逆LTD结构、基于感应变压器原理的多路LTD开关同步触发技术（LTD-trigger）。它的工作原理类似若干个串联工作的脉冲变压器,即初级输入一个高压快脉冲,通过脉冲变压器的感应耦合后在次级输出多路的同步触发脉冲,且能够与LTD中的气体开关形成很好的对应关系。与传统的触发技术相比,LTD-trigger的同轴结构有效地减小了触发脉冲的延时与抖动,并且通过合理设计,能够满足LTD模块对于同步触发的要求。分析了LTD-trigger的工作原理,建立了电路模型和仿真模型,通过仿真结果和一些故障模式分析,结合已开展的初步实验结果,验证了同步触发技术的可行性。     

基于RBF-PID的超导变压器励磁电源控制系统研究

超导导体测量装置中的超导变压器由于次级线圈接头电阻的损耗会引起次级电流的衰减,为了克服次级电流衰减的影响,改善超导变压器的输出性能.对超导变压器原理进行分析,建立超导变压器数学模型,采用一种基于RBF-PID算法对超导变压器励磁电源进行控制.在MATLAB/Simulink中搭建超导变压器控制系统仿真模型,结果表明,与传统PID控制系统相比,RBF-PID控制系统的响应速度更快,超调量更小,鲁棒性能更好.     

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。     

Levitating states of superconducting rings in the field of a fixed ring with constant current

We consider the possibility of designing a plasma trap with a magnetic system formed by super-conducting rings and coils levitating in the field of a fixed coaxial coil carrying constant current. An analytic dependence of the potential energy of such a system with one or two levitating superconducting rings having trapped preset magnetic fluxes on their coordinates in the uniform gravitational field is obtained in the thin ring approximation. Calculations performed in the Mathcad system show that equilibrium states of such a system exist for certain values of parameters. Levitating states of a single superconducting ring and two superconducting rings in the field of the coil with constant current are observed experimentally in positions corresponding to calculated values.     

非接触供电在高温超导磁体中的应用探究北大核心

高温超导磁悬浮列车运行过程中,由于磁体自身存在工作损耗难以实现恒流运行,寻找适用于高温超导磁体的运行补偿供电方法成为其能否稳定可靠运行于轨道交通环境的关键.本文基于磁耦合非接触供电技术,提出一种适用于高温超导磁体的非接触补偿供电方法,利用电路理论建立电路等效模型,对电路结构进行了优化设计.考虑到电路参数对于系统性能的影响,根据电磁场理论,对线圈结构进行了设计优化.通过搭建非接触供电系统实验装置,对系统特性、不同线圈结构对磁体供电系统的影响进行了研究,验证了本文所提出的非接触补偿供电方法的可行性.     

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。     

高温超导变压器在电网中的应用

随着高温超导带材性能的不断提高,高温超导变压器在电力系统中的应用可以有效提高系统效率。在广泛调研的基础上,分析了高温超导变压器的关键技术以及目前的技术瓶颈。在此基础上,结合近几年来国内外对高温超导变压器的研究进展,对高温超导变压器的应用前景进行了分析,并给出了高温超导变压器的发展路线。