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紧凑重频脉冲导引磁场电源的研究

作　者: 余小辉
导　师: 杨汉武
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 物理电子学
关键词: 紧凑重复频率脉冲磁场涡流损耗串联谐振恒流初级能源智能控制系统
分类号: O441.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

采用重频脉冲磁场作为重频高功率微波源的导引磁场,该磁场的初级能源具有功耗低、发热量小、结构紧凑等优点,符合当代高功率微波装置朝紧凑化、重频方向的发展要求,近年来在国内外受到了广泛关注。本文通过对产生磁场的螺线管、初级能源(为螺线管供电)的功率电路和智能控制系统三个关键子系统进行理论分析、工程设计和实验研究,完整地提出了脉冲磁场的设计方法和步骤,并研制出一台平均输出功率达4.65kW的磁场初级能源,利用它为实验室某Ka波段返波管(BWO)的螺线管脉冲放电,可获得所需的2.21T的峰值磁场,在10Hz重频下运行稳定可靠。本文的研究结果对重频脉冲磁场在低重频高功率微波领域的应用具有一定的指导意义。论文研究内容主要包括以下几个方面：1.分析了螺线管的设计和直流磁场不同,脉冲磁场需要考虑微波管的涡流损耗问题。对产生重频脉冲磁场的电路进行了简单分析。从产生重频脉冲磁场的电流表达式出发,根据涡流损耗不能太大、品质因数要高和电容储能要小的原则,给出了脉冲磁场产生系统的储能电容和充电电压的最优设计方法,最后举例说明了螺线管的设计方法。2.对初级能源的功率电路部分进行了详细的研究初级能源对螺线管重频脉冲放电,故要求其充电速度快,能量效率高。本文首先通过对电容器充电方式的简单分析,得出了高频恒流充电充电速度快,能量利用效率高。对几种常见的高频恒流充电方式进行了介绍和比较,选取了串联谐振恒流充电电路作为初级能源的电路工作方式,再从理论上利用等效电路模型推导了恒流充电电流的表达式。对设计的功率电路工作过程进行了理论分析,对电路的相关参数进行了公式的推导,给出了电路参数的设计方法和设计实例。最后,对变压器的设计进行了介绍。3.对智能控制系统进行了介绍对智能控制系统的工作原理进行了简单的分析,给出了硬件系统的工作框图和软件流程图,对主控板上的主要子电路进行了介绍,讨论了抗干扰措施。随后对触发板电路工作原理进行了分析,最后简单介绍了软件系统的设计。4.重频脉冲磁场系统的实验研究开展了初级能源的低压和高压的电路仿真和实验研究,最后研制出一台结构紧凑的初级能源,输出电压在0-2.5kV范围内可调,最大平均输出功率达4.65kW,达到了设计要求。利用第二章设计的螺线管,在储能电容C=200μF、充电电压U=1350V时,能输出脉冲峰值电流750A,对应2.21T的导引磁场,重频10Hz下运行稳定可靠。

全文目录

摘要  12-14
ABSTRACT  14-16
第一章绪论  16-26
  1.1 高功率微波的导引磁场  16-20
    1.1.1 高功率微波的定义和发展现状  16-17
    1.1.2 部分高功率微波源需要导引磁场  17-19
    1.1.3 导引磁场技术综述  19-20
  1.2 常见导引磁场简介  20-24
    1.2.1 传统的脉冲磁场  20-21
    1.2.2 超导磁场  21-22
    1.2.3 永磁磁场  22
    1.2.4 直流磁场(准稳恒磁场)  22-23
    1.2.5 重频脉冲磁场  23-24
  1.3 课题研究的意义及主要内容  24-26
    1.3.1 课题研究的意义  24
    1.3.2 课题研究的主要内容  24-26
第二章磁场螺线管的设计  26-33
  2.1 电容和电压的优化选取  26-28
  2.2 螺线管的设计举例  28-32
    2.2.1 设计目标  29-30
    2.2.2 螺线管电参数的计算  30-31
    2.2.3 放电回路参数的计算  31-32
  2.3 小结  32-33
第三章初级能源的分析与设计  33-57
  3.1 最佳充电过程  33-36
    3.1.1 电容器恒压充电方式  33-34
    3.1.2 电容器谐振充电方式  34-35
    3.1.3 电容器高频恒流充电方式  35-36
    3.1.4 小结  36
  3.2 几种常见的恒流充电方式的比较  36-41
    3.2.1 全桥变频充电方式  37-38
    3.2.2 基于BUCK变换器的恒流充电方式  38-39
    3.2.3 串联谐振方式  39-40
    3.2.4 并联谐振方式  40-41
    3.2.5 小结  41
  3.3 恒压恒流变换  41-44
    3.3.1 L-C谐振电路的恒流机制  42-43
    3.3.2 串联谐振变换电路的恒压恒流原理  43-44
  3.4 初级能源电路工作过程的理论分析  44-50
    3.4.1 电路的工作原理  44-45
    3.4.2 工作过程分析  45-47
    3.4.3 电路参数的设计和电路仿真  47-50
  3.5 高频变压器的设计  50-56
    3.5.1 磁芯材料的选用原则  50-51
    3.5.2 磁芯的选取  51-52
    3.5.3 高频高压变压器研制的难点  52-53
    3.5.4 高频高压变压器绕制方法  53-55
    3.5.5 变压器的测试  55-56
  3.6 总结  56-57
第四章智能控制系统的设计  57-66
  4.1 主控板的设计  57-62
    4.1.1 数据转换电路设计  58-60
    4.1.2 光电隔离电路设计  60-61
    4.1.3 看门狗和电源监控电路设计  61-62
    4.1.4 通讯电路设计  62
  4.2 可靠性设计  62-63
  4.3 触发脉冲产生板的设计  63-64
  4.4 控制系统软件设计  64-65
  4.6 小结  65-66
第五章初级能源和重频脉冲磁场的电路模拟与实验研究  66-80
  5.1 初级能源的电路模拟  66-72
    5.1.1 PSpice软件简介  68
    5.1.2 单相市电输入电路模拟  68-69
    5.1.3 实际三相市电输入电路模拟分析  69-72
    5.1.4 讨论  72
  5.2 初级能源的实验研究  72-76
    5.2.1 低压下的调试  74-75
    5.2.2 高压下的实验  75-76
    5.2.3 小结  76
  5.3 带螺线管负载的全电路仿真与实验调试  76-79
    5.3.1 全电路的PSpice仿真  76-78
    5.3.2 全电路的实验测试  78-79
  5.4 本章总结  79-80
第六章总结与展望  80-84
  6.1 主要结论  80-82
  6.2 今后工作展望  82-84
致谢  84-85
参考文献  85-90
作者在学期间取得的学术成果  90

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