超導磁體是大多數(shù)超導電力設備的主要元件之一,其交流損耗直接關系到整個系統(tǒng)的效率,損耗產生的熱量將會導致磁體溫度升高,甚至會導致磁體失超,影響系統(tǒng)的安全可靠運行。針對超導磁體運行的安全問題,精確地計算和測量磁體的交流損耗,評估磁體內部的溫升,獲取安全可靠的電流運行區(qū)間,結合安全理論和電氣技術對超導磁體的結構進行優(yōu)化設計,從超導線圈本身出發(fā)防止失超事故的發(fā)生,做到本質安全化,對整個系統(tǒng)的安全、高效運行有著重要意義。本文綜合考慮線圈的電磁場、溫度場,采用電磁熱耦合的方法對高溫超導材料ReBCO繞制的單餅線圈進行了建模分析,分別研究了面向無線電能傳輸、電磁儲能控制、低溫直流斬波的超導線圈的交流損耗和線圈內部的溫升情況,根據(jù)線圈的熱穩(wěn)定性來對線圈進行了安全運行分析,得到了面向不同應用時超導線圈的安全電流范圍。具體內容如下:(1)闡述了高溫超導體失超的機理,給出了高溫超導線圈安全運行判據(jù)。介紹了超導線圈的交流損耗計算方法、實驗測量方法以及超導線圈熱穩(wěn)定性的分析方法。(2)在Comsol Multiphysics中使用H公式法建立了ReBCO超導線圈的二維軸對稱仿真模型,分別計算了面向三種不同應用場合的超導線圈的交流損耗,從超導線圈內部磁場和電流密度的分布進行分析,討論了不同運行電流對超導線圈損耗的影響。另外,對不同結構的分磁環(huán)的減損性能進行了評估,且對其進行了優(yōu)化設計。采用鎖相放大器法,測量了各應用場合下超導線圈的損耗,并與積分計算結果和仿真結果進行對比,三者結果具有良好的一致性,從實驗驗證了仿真模型的可用性。(3)利用電磁熱耦合的方法,仿真計算了超導線圈在運行過程中的內部溫度,對線圈的熱穩(wěn)定性進行了分析,對超導線圈容易出現(xiàn)失超的區(qū)域進行了說明,界定了線圈能夠安全運行的電流范圍:面向無線電能傳輸系統(tǒng)的超導線圈,易失超區(qū)域為第8匝,安全電流上限為148.1A;面向電磁儲能控制系統(tǒng)的超導線圈,易失超區(qū)域為第11匝附近,安全電流上限為176.2A;面向低溫直流斬波系統(tǒng)的超導線圈,易失超區(qū)域為第6匝,安全電流上限為184A。本文針對面向三種不同應用的超導磁體的電磁熱特性進行了系統(tǒng)的分析,獲得了可靠的安全電流區(qū)間,為采取有效的保護措施提供了一定的參考。
【學位單位】：四川師范大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TM26
【部分圖文】：

3面向無線電能傳輸?shù)某瑢Ь�圈電磁熱耦合仿真及實驗29號發(fā)生器輸出的信號，測試信號為超導線圈兩端的電壓信號。將測試信號和參考信號輸入到鎖相放大器中，鎖相放大器就可以輸出與參考信號同頻同相的電壓值，將電壓值乘以電流值即得到交流損耗值。ACRscR2Lsc鎖相放大器信號發(fā)生器液氮虛擬信號測試信號SR865A-4MHz鎖相放大器圖3.15基于鎖相放大器的自場損耗測量原理圖實驗過程中，由于超導線圈兩端的電壓值很小，極容易收到環(huán)境中各種因素的影響，導致測量精度不高，為了更精確地測量超導線圈的交流損耗，實驗前期必須排除各種可能影響實驗結果的因素。為了抑制外來的各種干擾信號，可以采取各種措施，例如：“8”字形測量回路、使用采用雙絞屏蔽線、樣品中點接地等[88]。因此在本實驗開始前，首先，根據(jù)大量研究者對超導線圈損耗測量的經(jīng)驗，實驗中必須在帶材的邊緣焊接用于測量線材電壓的引線，并且?guī)У陌雽挾葢撌请x開帶中心的1/3處，這一步是用來確保測量過程中傳輸電流流過帶材所產生的磁場大部分被包括在電壓引線所圍的環(huán)路中。此外，為了排除外界環(huán)境中的電磁干擾，將電壓測量回路改成“8”字形，可有效地消除外部磁場變化在回路中產生的感應電壓。除此之外，實驗中，將待測樣品中點接地、將測量電壓引線進行雙絞來消除外部信號對測量的影響，如圖3.16所示。圖3.16“8”字引線連接示意圖電流引線電壓引線超導帶材

四川師范大學碩士學位論文30在超導帶材中，既包括電阻又包括電感，電壓引線的連接方式會影響測量精度[89]。當正弦交流電通過超導帶材時，帶材會產生兩部分電壓，一個是電阻電壓，一個是電感電壓，兩者之間的相位差是90°。實驗需要得到的是電阻電壓，將其與電流相乘，即可得到損耗功率，所以實驗過程中應該抑制感應分量。在實驗中所采取的方法是利用補償線圈進行補償，如圖3.17，將電壓測試線和一個補償線圈進行反串聯(lián)，調整補償線圈的位置，盡可能地降低感應分量，并將抑制感性分量后的電壓信號傳輸給鎖相放大器。反串聯(lián)的操作主要是為了讓補償線圈產生的信號和電壓測試信號疊加，從而達到減小感應分量的目的。實驗測量時電流的測量工具是電流鉗。如圖3.18所示是實驗電路：圖3.17補償線圈示意圖圖3.18線圈交流損耗測試電路補償線圈功率分析儀超導線圈

四川師范大學碩士學位論文30在超導帶材中，既包括電阻又包括電感，電壓引線的連接方式會影響測量精度[89]。當正弦交流電通過超導帶材時，帶材會產生兩部分電壓，一個是電阻電壓，一個是電感電壓，兩者之間的相位差是90°。實驗需要得到的是電阻電壓，將其與電流相乘，即可得到損耗功率，所以實驗過程中應該抑制感應分量。在實驗中所采取的方法是利用補償線圈進行補償，如圖3.17，將電壓測試線和一個補償線圈進行反串聯(lián)，調整補償線圈的位置，盡可能地降低感應分量，并將抑制感性分量后的電壓信號傳輸給鎖相放大器。反串聯(lián)的操作主要是為了讓補償線圈產生的信號和電壓測試信號疊加，從而達到減小感應分量的目的。實驗測量時電流的測量工具是電流鉗。如圖3.18所示是實驗電路：圖3.17補償線圈示意圖圖3.18線圈交流損耗測試電路補償線圈功率分析儀超導線圈
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本文編號：2861767