發(fā)布時間：2020-10-30 01:28

　　 超導(dǎo)磁體是大多數(shù)超導(dǎo)電力設(shè)備的主要元件之一,其交流損耗直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的效率,損耗產(chǎn)生的熱量將會導(dǎo)致磁體溫度升高,甚至?xí)䦟?dǎo)致磁體失超,影響系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。針對超導(dǎo)磁體運(yùn)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(nèi)部的溫升,獲取安全可靠的電流運(yùn)行區(qū)間,結(jié)合安全理論和電氣技術(shù)對超導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,從超導(dǎo)線圈本身出發(fā)防止失超事故的發(fā)生,做到本質(zhì)安全化,對整個系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)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(dǎo)材料ReBCO繞制的單餅線圈進(jìn)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(dǎo)線圈的交流損耗和線圈內(nèi)部的溫升情況,根據(jù)線圈的熱穩(wěn)定性來對線圈進(jìn)行了安全運(yùn)行分析,得到了面向不同應(yīng)用時超導(dǎo)線圈的安全電流范圍。具體內(nèi)容如下:(1)闡述了高溫超導(dǎo)體失超的機(jī)理,給出了高溫超導(dǎo)線圈安全運(yùn)行判據(jù)。介紹了超導(dǎo)線圈的交流損耗計算方法、實驗測量方法以及超導(dǎo)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(dǎo)線圈的二維軸對稱仿真模型,分別計算了面向三種不同應(yīng)用場合的超導(dǎo)線圈的交流損耗,從超導(dǎo)線圈內(nèi)部磁場和電流密度的分布進(jìn)行分析,討論了不同運(yùn)行電流對超導(dǎo)線圈損耗的影響。另外,對不同結(jié)構(gòu)的分磁環(huán)的減損性能進(jìn)行了評估,且對其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。采用鎖相放大器法,測量了各應(yīng)用場合下超導(dǎo)線圈的損耗,并與積分計算結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行對比,三者結(jié)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(dǎo)線圈在運(yùn)行過程中的內(nèi)部溫度,對線圈的熱穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,對超導(dǎo)線圈容易出現(xiàn)失超的區(qū)域進(jìn)行了說明,界定了線圈能夠安全運(yùn)行的電流范圍:面向無線電能傳輸系統(tǒng)的超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用的超導(dǎo)磁體的電磁熱特性進(jìn)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(hù)措施提供了一定的參考。
【學(xué)位單位】：四川師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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?dǎo)線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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)致測量精度不高，為了更精確地測量超導(dǎo)線圈的交流損耗，實驗前期必須排除各種可能影響實驗結(jié)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(dǎo)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?yīng)該是離開帶中心的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(chǎn)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(chǎn)生的感應(yīng)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(jìn)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(dǎo)帶材

四川師范大學(xué)碩士學(xué)位論文30在超導(dǎo)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(dāng)正弦交流電通過超導(dǎo)帶材時，帶材會產(chǎn)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(yīng)該抑制感應(yīng)分量。在實驗中所采取的方法是利用補(bǔ)償線圈進(jìn)行補(bǔ)償，如圖3.17，將電壓測試線和一個補(bǔ)償線圈進(jìn)行反串聯(lián)，調(diào)整補(bǔ)償線圈的位置，盡可能地降低感應(yīng)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(bǔ)償線圈產(chǎn)生的信號和電壓測試信號疊加，從而達(dá)到減小感應(yīng)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(bǔ)償線圈示意圖圖3.18線圈交流損耗測試電路補(bǔ)償線圈功率分析儀超導(dǎo)線圈

四川師范大學(xué)碩士學(xué)位論文30在超導(dǎo)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(dāng)正弦交流電通過超導(dǎo)帶材時，帶材會產(chǎn)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(yīng)該抑制感應(yīng)分量。在實驗中所采取的方法是利用補(bǔ)償線圈進(jìn)行補(bǔ)償，如圖3.17，將電壓測試線和一個補(bǔ)償線圈進(jìn)行反串聯(lián)，調(diào)整補(bǔ)償線圈的位置，盡可能地降低感應(yīng)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(bǔ)償線圈產(chǎn)生的信號和電壓測試信號疊加，從而達(dá)到減小感應(yīng)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(bǔ)償線圈示意圖圖3.18線圈交流損耗測試電路補(bǔ)償線圈功率分析儀超導(dǎo)線圈
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