高穩(wěn)定度平頂脈沖強磁場有源調(diào)控方法研究與實現(xiàn).pdf

1、強磁場是當今前沿科學的重要研究工具之一，在物質(zhì)探索、生物醫(yī)療和工業(yè)生產(chǎn)等領域有廣泛的應用。強磁場實驗環(huán)境分為穩(wěn)態(tài)強磁場和脈沖強磁場，分別在各領域得到重要的應用。穩(wěn)態(tài)強磁場的磁場穩(wěn)定度高、持續(xù)時間長，而脈沖強磁場的磁場強度高、運行維護簡單。隨著基礎科學研究的不斷深入，科研人員對強磁場實驗條件提出了越來越高的要求。平頂脈沖強磁場綜合了穩(wěn)態(tài)強磁場高穩(wěn)定度和脈沖強磁場高磁場強度的優(yōu)點，逐漸得到了更多科研人員的關注。本文結(jié)合武漢國家脈沖強磁場中心

2、現(xiàn)有脈沖電源類型和磁體系統(tǒng)實驗條件，對基于有源調(diào)控方法的高穩(wěn)定度平頂脈沖強磁場展開了深入研究。內(nèi)容涉及脈沖發(fā)電機供電的平頂脈沖強磁場系統(tǒng)特性研究與仿真分析、脈沖發(fā)電機供電的平頂脈沖強磁場有源調(diào)控方法研究、蓄電池供電的平頂脈沖強磁場有源調(diào)控方法研究以及有源調(diào)節(jié)器樣機的研制與實驗研究等。
　　在脈沖發(fā)電機供電的平頂脈沖強磁場系統(tǒng)研究方面，分析了脈沖發(fā)電機轉(zhuǎn)速的下降、整流器輸出電壓和磁體內(nèi)阻的非線性變化等問題對磁場平頂穩(wěn)定度的影響。根據(jù)

3、脈沖發(fā)電機電源系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，建立了基于傳統(tǒng)比例積分(Proportional Integral,PI)控制策略的單線圈磁體和雙線圈磁體的平頂脈沖強磁場控制系統(tǒng)模型，并通過數(shù)字仿真實現(xiàn)了50T/140ms的平頂脈沖強磁場，平頂穩(wěn)定度約4000ppm。針對脈沖發(fā)電機型供電電源的非線性運行特性，提出了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(Back Propagation Neural Network, BPNN)的自適應PI調(diào)節(jié)控制策略，通過仿真產(chǎn)生50T/14

4、0ms的平頂脈沖強磁場，平頂穩(wěn)定度約1000ppm。
　　在脈沖發(fā)電機供電的平頂脈沖強磁場有源調(diào)控方法研究方面，提出了基于級聯(lián)H橋式逆變器拓撲結(jié)構(gòu)的有源調(diào)控方案，并確定了其主電路參數(shù)。建立了采用移相三角載波調(diào)制和PI控制策略的有源調(diào)節(jié)器系統(tǒng)仿真模型，產(chǎn)生了50T/140ms的平頂脈沖強磁場，平頂穩(wěn)定度<100ppm。在此基礎上，針對有源調(diào)節(jié)器和脈沖發(fā)電機之間的環(huán)流問題，提出了選擇性PI調(diào)節(jié)和重復控制相結(jié)合的優(yōu)化控制策略，并進行了仿

5、真驗證。其中，有源調(diào)節(jié)器采用選擇性PI調(diào)節(jié)控制策略，而脈沖發(fā)電機采用基于自適應PI調(diào)節(jié)的重復控制策略。將50T/100ms平頂脈沖強磁場實際實驗中整流器晶閘管觸發(fā)角數(shù)據(jù)代入系統(tǒng)仿真模型，進一步驗證了采用優(yōu)化控制策略的有源調(diào)控系統(tǒng)能夠產(chǎn)生高穩(wěn)定度平頂脈沖強磁場，并且，脈沖發(fā)電機和有源調(diào)節(jié)器之間的環(huán)流得到了有效抑制。
　　在蓄電池供電的平頂脈沖強磁場有源調(diào)控方法研究方面，根據(jù)脈沖強磁場系統(tǒng)電路拓撲結(jié)構(gòu)和電路原理，分析了蓄電池型電源產(chǎn)生

6、脈沖強磁場的原理。在脈沖放電過程中，由于蓄電池自身極化電阻和磁體電阻的變化，蓄電池型供電電源不能獨立產(chǎn)生高穩(wěn)定度平頂脈沖強磁場。結(jié)合國家脈沖強磁場中心蓄電池型脈沖電源實際情況，提出了基于多模塊并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)的蓄電池有源調(diào)控方案以及減小IGBT器件開關應力的“循環(huán)導通”控制策略。建立了蓄電池供電的平頂脈沖強磁場系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果表明采用有源調(diào)節(jié)的蓄電池型電源可以產(chǎn)生35T/250ms的高穩(wěn)定度平頂脈沖強磁場，平頂穩(wěn)定度<100ppm。<

7、br>　　在有源調(diào)節(jié)器樣機研制和實驗研究方面，根據(jù)前文對有源調(diào)節(jié)器的理論分析和系統(tǒng)仿真，提出了兼顧脈沖發(fā)電機供電的平頂脈沖強磁場和蓄電池供電的平頂脈沖強磁場的有源調(diào)節(jié)器樣機實施方案，并進行了相關主電路器件選型和控制系統(tǒng)硬件研制。搭建了蓄電池供電的平頂脈沖強磁場系統(tǒng)實驗平臺，開展了蓄電池組獨立放電實驗、有源調(diào)節(jié)器單模塊功能測試、有源調(diào)節(jié)器多模塊并聯(lián)實驗和高穩(wěn)定度平頂脈沖強磁場實驗等一系列實驗，產(chǎn)生了16T/200ms的平頂脈沖強磁場，平頂