基于多模块超导脉冲变压器的脉冲电源模式及其电磁特性研究

The high temperature superconducting (HTS) magnetic energy storage is one of the most potential methods in high-density energy storage at present. It has great significance in reducing the volume and weight of pulsed power supply in electromagnetic launch and other applications. This project intends to use HTS pulse transformers as intermediate energy storage units which working under single resonant pulse discharge mode. By establishing the multi-module pulsed power circuit and structural model, the impact of magnetic field distribution, force and its critical current in HTS coils will be analyzed. The basic principles of design of multi-module pulsed power supply will be proposed as well. By studying the parallel discharge characteristics of multi-module HTS pulse transformer, the realistic pulse modulation strategy will be given. On these bases, we will make simulation and theoretical feasibility analysis combining with the simple rail-gun circuit model, and explore a more efficient rail-gun output mode with the multi-module pulsed power. This project is expected to provide a new way for the future development of lightweight, compact and practical electromagnetic launch technology and other applications needing large current pulsed current power.

高温超导储能是目前最具有应用潜力的高密度储能方式之一，对于减小电磁发射及其它脉冲功率技术应用方向脉冲电源的体积和重量方面具有非常重要的意义。本项目拟以高温超导储能脉冲变压器为中间储能单元模块，研究多模块脉冲变压器的单谐振脉冲放电模式，优化单谐振超导储能脉冲电源多模块模式的电路模型和结构模型，分析多模块脉冲变压器中高温超导储能线圈的磁场分布、受力和其临界电流的影响情况，提出脉冲电源多模块模式设计的基本原则；通过仿真分析多模块超导储能脉冲变压器并联放电的基本特性，研究高幅值和宽脉宽的脉冲调制策略，并结合简单导轨型电磁发射器的电路模型进行可行性的仿真验证和理论分析，以期为今后发展轻量化、小型化和实用化的电磁发射技术以及其它使用大电流脉冲电源的应用方向提供一条新途径。

探索研究电感储能脉冲电源模式，尤其是基于高温超导电感储能的脉冲电源模式，对于减小电磁发射及其它脉冲功率技术应用方向脉冲电源的体积和重量方面具有非常重要的意义。. 课题针对基于高温超导脉冲变压器的脉冲电源模式，研究了结构参数对单模块和多模块高温超导脉冲变压器性能的影响规律；分析了电路参数对单谐振脉冲电源输出特性的影响，明确了多模块电路并联放电与单模块电路参数的等效关系；研究了多模块电路并联驱动电磁发射的动态过程，并实验验证了多模块电路并联放电的可行性；提出了多组多模块电路分组延时共用一组电容器的电路拓扑，分析了该拓扑在产生高幅值和宽脉宽的电流脉冲方面的优势和不足。. 针对单谐振脉冲电源模式的不足和当前连续电磁发射对脉冲电源的要求，课题在单谐振脉冲电源模式的基础上进一步改进，提出了重复频率脉冲电源模式。课题研究了重复频率脉冲电源模式的电路参数影响规律；分析了其驱动电磁发射的动态特性；提出了重复频率脉冲电源模式的模块化方案；建立了基于高温超导脉冲变压器的脉冲电源的实验验证平台，在常温和液氮环境下对重复频率脉冲电源的输出特性进行了实验和对比，并对比了9.9Hz和4.95Hz两种操作频率下重复频率脉冲电源的输出特性。. 研究结果显示，与传统电感储能脉冲电源模式相比，重复频率脉冲电源模式用于电磁发射具有四个方面的突出优点：一是适当提高副边电感值，可得到近似平顶波的电流脉冲，使抛体加速过程平缓；二是在发射即将结束时，利用桥式电容转换电路可以快速切断负载电流，并控制系统的剩余能量转移至高温超导脉冲变压器原边电感，提高系统的能量利用效率；三是在新的工作周期，高温超导脉冲变压器原边电感可在回收的能量的基础上继续充电，缩短充电时间，提高系统工作频率；四是可以在电枢和抛体即将离开出口时控制负载电流刚好衰减为零，可避免导轨出口产生电弧。