高穩(wěn)定度平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)有源調(diào)控方法研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、強(qiáng)磁場(chǎng)是當(dāng)今前沿科學(xué)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(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境分為穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)和脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，分別在各領(lǐng)域得到重要的應(yīng)用。穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)穩(wěn)定度高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，而脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度高、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單。隨著基礎(chǔ)科學(xué)研究的不斷深入，科研人員對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件提出了越來(lái)越高的要求。平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)綜合了穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)高穩(wěn)定度和脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)高磁場(chǎng)強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，逐漸得到了更多科研人員的關(guān)注。本文結(jié)合武漢國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)中心

2、現(xiàn)有脈沖電源類(lèi)型和磁體系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)基于有源調(diào)控方法的高穩(wěn)定度平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)展開(kāi)了深入研究。內(nèi)容涉及脈沖發(fā)電機(jī)供電的平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)系統(tǒng)特性研究與仿真分析、脈沖發(fā)電機(jī)供電的平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)有源調(diào)控方法研究、蓄電池供電的平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)有源調(diào)控方法研究以及有源調(diào)節(jié)器樣機(jī)的研制與實(shí)驗(yàn)研究等。
　　在脈沖發(fā)電機(jī)供電的平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)系統(tǒng)研究方面，分析了脈沖發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的下降、整流器輸出電壓和磁體內(nèi)阻的非線(xiàn)性變化等問(wèn)題對(duì)磁場(chǎng)平頂穩(wěn)定度的影響。根據(jù)

3、脈沖發(fā)電機(jī)電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(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(xiàn)圈磁體和雙線(xiàn)圈磁體的平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)控制系統(tǒng)模型，并通過(guò)數(shù)字仿真實(shí)現(xiàn)了50T/140ms的平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，平頂穩(wěn)定度約4000ppm。針對(duì)脈沖發(fā)電機(jī)型供電電源的非線(xiàn)性運(yùn)行特性，提出了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Back Propagation Neural Network, BPNN)的自適應(yīng)PI調(diào)節(jié)控制策略，通過(guò)仿真產(chǎn)生50T/14

4、0ms的平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，平頂穩(wěn)定度約1000ppm。
　　在脈沖發(fā)電機(jī)供電的平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)有源調(diào)控方法研究方面，提出了基于級(jí)聯(lián)H橋式逆變器拓?fù)浣Y(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(qiáng)磁場(chǎng)，平頂穩(wěn)定度<100ppm。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)有源調(diào)節(jié)器和脈沖發(fā)電機(jī)之間的環(huán)流問(wèn)題，提出了選擇性PI調(diào)節(jié)和重復(fù)控制相結(jié)合的優(yōu)化控制策略，并進(jìn)行了仿

5、真驗(yàn)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(jī)采用基于自適應(yīng)PI調(diào)節(jié)的重復(fù)控制策略。將50T/100ms平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步驗(yàn)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(qiáng)磁場(chǎng)，并且，脈沖發(fā)電機(jī)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(qiáng)磁場(chǎng)有源調(diào)控方法研究方面，根據(jù)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)系統(tǒng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電路原理，分析了蓄電池型電源產(chǎn)生

6、脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)的原理。在脈沖放電過(guò)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(dú)立產(chǎn)生高穩(wěn)定度平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)。結(jié)合國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)中心蓄電池型脈沖電源實(shí)際情況，提出了基于多模塊并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的蓄電池有源調(diào)控方案以及減小IGBT器件開(kāi)關(guān)應(yīng)力的“循環(huán)導(dǎo)通”控制策略。建立了蓄電池供電的平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)，平頂穩(wěn)定度<100ppm。<

7、br>　　在有源調(diào)節(jié)器樣機(jī)研制和實(shí)驗(yàn)研究方面，根據(jù)前文對(duì)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(jī)供電的平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)和蓄電池供電的平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)的有源調(diào)節(jié)器樣機(jī)實(shí)施方案，并進(jìn)行了相關(guān)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(qiáng)磁場(chǎng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展了蓄電池組獨(dú)立放電實(shí)驗(yàn)、有源調(diào)節(jié)器單模塊功能測(cè)試、有源調(diào)節(jié)器多模塊并聯(lián)實(shí)驗(yàn)和高穩(wěn)定度平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)等一系列實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生了16T/200ms的平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，平頂