【摘要】：脈沖強磁場作為一種有利于揭示物質(zhì)未知現(xiàn)象和效應的極端實驗環(huán)境,被廣泛地應用于物理,化學,生物等領域的前沿科學實驗中。平頂脈沖強磁場結(jié)合了脈沖強磁場和穩(wěn)態(tài)強磁場的優(yōu)點,成為了強磁場研究領域內(nèi)科學家和工程師們關注的熱點問題之一。隨著對物質(zhì)特性的探索進程的進一步深入,平頂脈沖強磁場的參數(shù)水平尚不能滿足一些科學實驗的嚴苛要求,因此提高平頂脈沖強磁場的參數(shù)水平具有重要的理論意義和實驗價值。電源系統(tǒng)是平頂脈沖強磁場系統(tǒng)的核心部件之一,其主要類型包括脈沖發(fā)電機整流型電源、電容器型電源、蓄電池型電源等。平頂脈沖強磁場的主要參數(shù)(磁場峰值強度、平頂穩(wěn)定度和平頂持續(xù)時間)與脈沖磁體供電方案的選擇、控制策略的設計等因素密切相關。因此,本文在廣泛閱讀相關文獻的基礎上,結(jié)合武漢國家脈沖強磁場科學中心現(xiàn)有電源系統(tǒng),以實現(xiàn)高參數(shù)的平頂脈沖強磁場為目標,針對平頂脈沖強磁場電源系統(tǒng)的關鍵理論和技術進行了深入研究。研究內(nèi)容包括:100 MVar脈沖發(fā)電機整流型電源供電平頂磁場系統(tǒng)的控制策略和動態(tài)無功補償、平頂磁場系統(tǒng)的有源嵌入式磁場調(diào)控以及多電源組合供電平頂磁場系統(tǒng)。在脈沖發(fā)電機整流型電源的控制策略研究方面,從提高時變非線性復雜系統(tǒng)控制精度的角度出發(fā),提出了硬件電路解耦方案和兩種高精度控制策略以提高平頂磁場的平頂穩(wěn)定度。針對50 T雙線圈磁體的電流耦合效應引起的磁場平頂階段控制困難的問題,在線路中串聯(lián)了互感與50 T磁體的互感相抵消的去耦變壓器,通過硬件電路解耦提高了控制系統(tǒng)的控制精度和魯棒性;提出了基于遺傳算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡的復合控制策略,利用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡的初始參數(shù),避免了BP神經(jīng)網(wǎng)絡初始參數(shù)整定困難,易陷入局部最優(yōu)、收斂速度較慢的問題;針對單閉環(huán)PI反饋控制、雙閉環(huán)帶前饋控制和PI參數(shù)在線自整定等控制策略不能很好的適應非線性時變復雜系統(tǒng)的問題,通過建立12脈波整流器的外特性預測模型和磁體電阻非線性預測模型,提出了適用于12脈波整流器電源供電平頂磁場系統(tǒng)的基于模型預測控制的高精度控制策略;脈沖發(fā)電機整流型電源供電平頂磁場系統(tǒng)的數(shù)字仿真模型驗證了硬件電路解耦方案以及控制策略的有效性。在脈沖發(fā)電機整流型電源的動態(tài)無功補償研究方面,從減小整流器輸入電壓波動對控制策略精度影響的角度出發(fā),提出了基于15 MVar單調(diào)諧濾波器組和10 MVar STATCOM的無功補償系統(tǒng),通過減小整流器輸入電壓的下降幅值,解決了控制策略隨著放電時間深入而出現(xiàn)的控制精度下降問題,延長了平頂磁場的平頂持續(xù)時間。在分析負載無功功率變化規(guī)律的基礎上,對單調(diào)諧濾波器組和STATCOM的無功補償容量進行了優(yōu)化設計,以保證無功補償系統(tǒng)具有較高的經(jīng)濟性、穩(wěn)定性和適應性;提出了基于晶閘管投切并聯(lián)電容器的單調(diào)諧濾波器組和利用移相變壓器實現(xiàn)四重化結(jié)構(gòu)的STATCOM電路拓撲結(jié)構(gòu),以補償固定值的無功功率并兼顧特定次諧波的濾波功能;提出了基于模型預測方法的控制策略以精確跟蹤負載消耗無功功率的變化;在脈沖發(fā)電機整流型電源供電平頂磁場系統(tǒng)仿真模型的基礎上建立了無功補償系統(tǒng)的仿真模型,并結(jié)合基于模型預測控制的脈沖發(fā)電機整流型電源供電平頂磁場系統(tǒng)控制策略,分析了無功補償系統(tǒng)的運行狀況并驗證了補償效果。在有源嵌入式磁場調(diào)控系統(tǒng)的研究方面,從跟蹤并補償磁場在平頂階段的磁場波動的角度出發(fā),提出了基于磁場疊加原理的有源嵌入式磁場調(diào)控系統(tǒng)以提高平頂磁場的平頂穩(wěn)定度。提出了基于超級電容器的全橋MOSFET電路,以實現(xiàn)能量的雙向流動并產(chǎn)生跟蹤磁場波動的補償磁場;在考慮科學實驗要求、工程實現(xiàn)性和通用性的基礎上提出了可嵌入原磁體的調(diào)控系統(tǒng)磁體線圈;提出了串聯(lián)在放電回路中的平波電抗,避免了調(diào)控系統(tǒng)出現(xiàn)互感電壓過大導致的過補償現(xiàn)象;在采用高頻率開關器件的基礎上,提出了基于雙極性PWM的控制策略以滿足調(diào)控系統(tǒng)對響應速度、補償精度和魯棒性的要求,并進一步提出了脈沖發(fā)電機整流型電源供電平頂磁場系統(tǒng)和有源嵌入式磁場調(diào)控系統(tǒng)的協(xié)同控制策略;利用數(shù)字仿真平臺,分別結(jié)合電容器型電源供電平頂磁場系統(tǒng)、蓄電池型電源供電平頂磁場系統(tǒng)和脈沖發(fā)電機整流型電源供電平頂磁場系統(tǒng)分析了有源嵌入式磁場調(diào)控系統(tǒng)的工作過程并驗證了調(diào)控效果。在多電源組合供電系統(tǒng)的研究方面,從利用多電源組合供電而發(fā)揮多種電源系統(tǒng)各自優(yōu)點的角度出發(fā),提出了多種組合供電系統(tǒng),以在滿足平頂持續(xù)時間和平頂穩(wěn)定度的要求的基礎上提高平頂磁場的磁場峰值強度。初步設計了多種組合供電系統(tǒng)的電路拓撲和磁體參數(shù);提出了考量組合供電系統(tǒng)磁體線圈經(jīng)濟性和工程實現(xiàn)性的評價函數(shù);電容器型電源和脈沖發(fā)電機并聯(lián)整流型電源組合供電系統(tǒng)的磁場峰值強度最高且磁體線圈的經(jīng)濟性和工程實現(xiàn)性最優(yōu),因此進一步針對基于該組合供電系統(tǒng)的65 T平頂磁場系統(tǒng)的電路拓撲結(jié)構(gòu)和65 T雙線圈磁體進行了優(yōu)化設計;針對65 T平頂磁場系統(tǒng)中兩種電源的輸出電壓差較大而可能出現(xiàn)的短路擊穿故障,提出了多電源協(xié)同工作時的保護系統(tǒng);提出了針對65 T平頂磁場系統(tǒng)的多電源協(xié)同工作控制策略,以實現(xiàn)線圈電流的高精度控制;在數(shù)字仿真平臺上建立了65 T平頂磁場系統(tǒng)的仿真模型并驗證了系統(tǒng)的有效性。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM73
【圖文】：

圖 1.1 WHMFC 電容器型電源系統(tǒng)實物圖圖 1.2 WHMFC 電容器型電源系統(tǒng)電路原理圖，減小磁場下降階段的時間進而減小磁體線圈累積的焦耳熱以 C0通過極性轉(zhuǎn)換電路對磁體線圈放電，T 是回路的主放電開體線圈的電感和電阻。型電源系統(tǒng)的初始電壓較高，放電波形較為平滑，但是放電脈T儲能及續(xù)流回路C0充電機S1S1S2R1R1充電及泄能回路DR2極性轉(zhuǎn)換電路極性轉(zhuǎn)換及放電回路RcLc

池型電源系統(tǒng)型電源具有放電脈寬較長，輸出電壓較穩(wěn)定的優(yōu)點，并且可以提高輸出電壓和輸出電流。Ni-Cd、Ni-MH、Na-S 型電池價昂貴。相比之下，鉛酸型蓄電池具有成本較低、高倍率放及通用性較強的優(yōu)點[46]。因此，WHMFC 建設了基于鉛酸型體線圈提供能量[47]。圖 1.3 給出了 WHMFC 的蓄電池型電源C 的蓄電池型電源系統(tǒng)包含 1050 個 6GFM-200 型閥控式鉛 12 V，額定容量 200 A.h，同時單個蓄電池可以靈活串聯(lián)或4 給出了蓄電池型電源系統(tǒng)的電路原理圖。蓄電池組的每條極管以避免反向電流。直流斷路器 S1可以在電流過大時切T2是主回路的放電開關；電容器 Cb、晶閘管 T3、電感 Lb組主開關 T2的關斷[48-50]；R2和 D 組成了續(xù)流回路以調(diào)整下降

【參考文獻】

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本文編號：2726028