下载文档原格式
超导磁体的储能应用研究超导磁体是一种通过在超低温环境下传导电流而产生强大磁场的装置。
由于其具有高能效、高储能密度等优点，超导磁体在能源领域的应用备受瞩目。
本文旨在探讨超导磁体在储能领域的应用研究，分析其在能源储存方面的潜在优势和挑战。
超导磁体的储能应用研究是一个具有挑战性和前沿性的课题。
随着能源需求不断增长和可再生能源的广泛应用，传统的储能技术已经无法满足现代社会对储能系统安全性、高效性和可靠性等方面的要求。
超导磁体以其高磁场稳定性和低能量损耗等特点，被视为一种潜在的高性能储能技术。
超导磁体在储能领域的应用主要包括超导磁体储能系统和超导磁体电感器。
超导磁体储能系统是指利用超导磁体的高能量密度和高效率来存储电能的设备。
其主要包括超导磁体、电流源、磁体绝缘系统和磁体冷却系统等组成部分。
超导磁体电感器则是利用超导磁体的高灵敏度和稳定性来检测电磁信号的装置。
这两种应用形式相辅相成，共同推动了超导磁体在储能领域的发展。
超导磁体储能系统具有许多优势。
首先，超导磁体具有高能量密度和高效率，能够在较小的体积内存储大量电能。
其次，超导磁体储能系统的运行成本低，无需额外的能源输入即可实现长期稳定运行。
此外，超导磁体具有较长的寿命和高可靠性，适用于长期运行和重复充放电循环。
因此，超导磁体储能系统在储能密度、安全性和经济性等方面具有明显优势。
然而，超导磁体在储能领域的应用也面临一些挑战。
首先，超导磁体的制造成本较高，需要大量稀有材料和高端技术支持。
其次，超导磁体需要在极低温环境下工作，对冷却系统和绝缘系统的要求较高，增加了系统复杂性和运行成本。
此外，超导磁体的稳定性和故障诊断也是当前研究的重点和难点。
因此，如何降低超导磁体的制造成本、提高系统可靠性和运行稳定性，是超导磁体储能应用研究的主要挑战。
为了解决上述挑战，当前的研究主要集中在以下几个方面。
首先，研究人员致力于开发新型超导材料和制备工艺，以降低超导磁体的制造成本和原材料成本。
超导材料的研究与应用超导材料是指在低温条件下表现出电阻为零的物质，具有极高的电导率和磁通排斥性能。
超导材料的研究和应用一直是物理学和材料科学的热点领域之一。
本文将介绍超导材料的基本原理、研究方法和应用情况。
一、超导材料的基本原理超导材料的基本原理可从两个方面来解释，即电子配对和电子与晶格的相互作用。
首先是电子配对。
根据国际能源机构的定义，超导性是指在临界温度以下，电子能够按照某种机制形成电子对。
这些电子对中的电子以库珀对的方式配对，通过与晶格的振动相互作用来克服库伦排斥力，从而实现电子的整体流动，即形成超导态。
其次是电子与晶格的相互作用。
晶格振动通过电子与晶格的相互作用来提供电子之间的吸引力。
当温度降低时，晶格振动减小，电子与晶格的相互作用增强，从而促进电子配对的形成。
二、超导材料的研究方法在超导材料的研究过程中，科学家采用了多种方法和技术来进行实验和分析。
以下是一些常用的研究方法：1. 磁化率测量：通过测量材料的磁化率，可以确定其超导转变温度。
当温度低于临界温度，材料的磁化率会显著变化。
2. 电阻测量：电阻是判断材料是否超导的重要参数。
通过测量材料的电阻随温度的变化情况，可以确定超导转变温度和超导态的性质。
3. X射线衍射：通过研究超导材料的晶体结构，可以了解其晶格的变化和电子与晶格的相互作用。
4. 超导磁体实验：利用超导材料的超导性能可以制造强磁场。
科学家可以设计和制造超导磁体，并通过对其性能的研究来探索超导材料的物理性质。
三、超导材料的应用超导材料在多个领域都有广泛的应用，下面列举一些常见的应用：1. 超导电缆和输电线：利用超导材料的低电阻特性，可以生产高能效的输电线路和电缆，减少能源传输过程中的能量损耗。
2. 储能技术：超导材料可以用于储存和释放电能，提高能源利用效率。
超导磁能储存技术可以实现大规模储能，用于平衡电网的负荷变化。
3. 磁共振成像：超导材料的超导性能可以用于医学磁共振成像技术，在医学诊断中起到重要作用。
如何利用超导材料实现高效能源转换超导材料在能源转换领域具有巨大的潜力。
超导材料的特殊性质使其能够实现高效能源转换，从而为解决能源危机和环境问题提供了新的途径。
本文将探讨如何利用超导材料实现高效能源转换，并探讨其在不同领域的应用。
一、超导材料的基本原理超导材料是指在低温下电阻为零的材料。
这种特殊性质是由超导材料中的电子对（库珀对）的形成所致。
在超导材料中，电子通过库珀对的形成，可以在无阻力的状态下流动，从而实现高效的能源转换。
二、超导材料在能源转换中的应用1. 超导电缆超导电缆是利用超导材料的零电阻特性来传输电能的一种技术。
相比传统的铜导线，超导电缆能够大幅提高电能的传输效率。
超导电缆不仅能够减少能源损耗，还能够减少电缆的体积和重量，从而降低能源转换的成本。
2. 超导发电机超导发电机是利用超导材料的零电阻特性来提高发电机的效率。
传统的发电机由于电阻的存在会产生热量，导致能量损耗。
而超导发电机则可以在无阻力状态下运行，减少能量损耗，提高能源转换的效率。
3. 超导储能技术超导材料可以用于储能技术中，实现高效能源转换。
利用超导材料的零电阻特性，可以在储能过程中减少能量损耗，提高能源的利用效率。
超导储能技术可以应用于电动汽车、太阳能和风能等领域，为可再生能源的利用提供了新的途径。
4. 超导磁体超导材料在磁体领域的应用也具有巨大的潜力。
利用超导材料的零电阻特性，可以实现高强度的磁场，从而提高磁体的效率和性能。
超导磁体可以应用于核磁共振成像、磁悬浮列车等领域，为能源转换和交通运输提供了新的解决方案。
三、超导材料的挑战和前景尽管超导材料在能源转换领域具有巨大的潜力，但目前仍面临一些挑战。
首先，超导材料的制备和加工技术仍需要进一步提高，以降低成本和提高性能。
其次，超导材料需要在低温环境下运行，这对于应用和推广来说也带来了一定的限制。
然而，随着科学技术的不断进步，超导材料的应用前景仍然非常广阔。
研究人员正在不断探索新的超导材料，以提高其性能和稳定性。
超导磁体设计及其应用研究超导材料的发现和应用给人类带来了很多亮点。
其中，超导磁体作为一种应用主体，为能源、医学、交通等领域做出了巨大贡献。
本文将着重探讨超导磁体的设计原理以及其应用研究。
一、超导磁体的基本原理超导磁体是一种基于超导材料的电磁铁，它是由超导材料和外层材料（通常是铜）组成。
当超导磁体通电后，它能够产生极高的磁场。
磁场强度取决于超导材料的性质和制造质量。
基本上，超导体必须处于温度低于临界温度和处于超导状态的条件下，才能产生高强度和稳定的磁场。
超导磁体的设计原理主要分为三个方面：超导体的设计、磁体的设计和制造、电源的设计。
首先，超导体的选择非常重要。
一般来说，超导磁体使用的超导材料有多种，比如铜氧化物超导体、高温超导体和铁基超导体等。
在超导材料的选择中，常用的一个因素是超导体的临界电流密度，因为它是衡量超导体质量和性能的主要指标之一。
例如，铜氧化物超导体因具有较高的临界电流密度和可减小非均匀磁场等优点，被广泛应用于高能物理、医学和工业领域。
其次，超导磁体的磁体设计和制造也至关重要。
制造超导磁体的过程包括许多步骤，例如晶体生长、制备超导线材和超导磁体元件。
在磁体设计和制造中，需要考虑如何达到极高的磁场、保障超导体的稳定性和提高磁体的制造精度等因素。
最后，超导磁体的电源设计也是不可忽视的一部分。
必须提供足够的电流来激活磁体。
因此，必须确保电源设计满足磁体的需求，并保障磁场的准确控制。
此外，增加电源的稳定性和功率因素也是非常重要的。
二、超导磁体的应用研究超导磁体的应用研究涉及领域广泛，涵盖能源、医学、物理、交通和工业等多个方面。
下面简要介绍其中的一些应用。
1. 能源领域方面，超导磁体主要用于永磁变流器、高压直流输电系统和核磁共振（NMR）成像等。
永磁变流器是一种将交流电转换为直流电的设备，近年来由于其高效率、低能耗、压缩容积小和功率因数高等优点，受到了广泛的关注并普遍应用于电力变换领域。
超导直流输电系统也具有非常明显的优势，具有输电距离长、电阻低、损耗小、稳定性强等特点，能够实现长距离的电力传输。
电网分布式储能技术的实用研究Chapter 1 前言电网分布式储能技术是当前电力系统中一个热门的研究领域。
它在增加电力供应的同时，也可以降低对电网的压力，提高电力系统的稳定性和可靠性。
本文将从储能技术的意义、分布式储能技术的定义与分类、技术发展现状、技术原理与特点以及实用案例等方面进行深入探讨电网分布式储能技术的实用研究。
Chapter 2 储能技术的意义储能技术是指将电能等形式的能量在系统内部进行储存，到需要使用时释放出来。
在电力系统中，由于能量需求有起有伏，因此能够储存电能的储能装置具有很大的应用前景。
储能技术的应用可以实现电网的平稳运行，增加区域供电能力，降低能源消耗与污染排放，提高电网的经济效益等。
Chapter 3 分布式储能技术的定义与分类分布式储能技术是指将电能在电力用户端直接进行储存，可以根据负荷需求随时进行供能和回收，从而增强系统的供需平衡能力。
分布式储能技术可以分为以下几种类型：①电池储能：通过电池的充放电过程实现储能，在停电等情况下可以应急供电，同时在峰谷电量调峰时起到缓冲作用。
②超级电容器储能：超级电容器具有高功率、快充电、长寿命等特点，可以用于需要短时储能的场合，并提高系统稳定性。
③压缩空气储能：将空气压缩存储，释放时通过膨胀机转换为机械能或电能。
适用于大规模的长时储能和频繁的起伏电量调节。
④超导磁体储能：利用超导磁体在过渡温度以下的零电阻超导状态内的能量存储特性，通过放电时的电流产生磁场转化为机械能和电能。
Chapter 4 技术发展现状随着电力需求的不断增长，以及新能源、智能电网等新技术的推广，分布式储能技术也在不断发展。
目前，国内外主要企业已经在分布式储能领域进行了大量的研发与实践，取得了一定的进展。
国内大型能源企业如华能、国家电网、神华等都相继投入了相当规模的分布式储能设施建设。
国外的特斯拉、充电桩制造商Acciona等也在跨领域开展深入合作。
Chapter 5 技术原理与特点分布式储能技术最大的特点是分散部署和灵活性，可以根据负荷需求调整供电能力。
超导体在能源和储能中的应用近年来，随着能源问题越来越受到人们的关注，寻找替代能源和储能技术成为了全球科学研究的热点之一。
而超导体应用在能源和储能中的潜力日渐受到重视。
一、超导体在输电方面的应用传统的电力输送方式主要是通过铜线来完成的。
但是，铜导线的电阻和电感都会导致能量损失。
如果将铜导线替换成超导体，那么能源的输送损失将大大降低。
超导体在输电方面的应用已成为国际上研究的热点之一。
由于超导体的输电能力极强，超导线最高可以达到1300万安培（A）的电流密度，相比之下，铜线最高只能达到400A/m²的电流密度。
另外，超导线的输送效率也更高，超导电缆输电损失大约只有1%，而普通铜线损失可达10%以上。
因此，超导电缆在输送大量电力方面有着更为优异的性能。
二、超导体在电池储能中的应用超导体可以应用在电池储能系统中，可将电能按照需要在电池和供电网络之间进行传输，从而实现电池的快速充放电。
在电池储能系统中，超导体的使用能够极大地提高电池的能量密度，从而使电池的储能效率得到进一步提高。
在目前的电池储能系统中，超导磁体已经被广泛应用。
由于超导磁体的高强度磁场能够加速电池的充放电过程，因此提高了电池储能效率。
另外，超导电缆也能提高电池储能系统的性能。
超导电缆的输电效率极高，不会出现电能损失，从而增加电池的储能效率。
三、超导体在海水淡化技术中的应用海水淡化技术是解决全球淡水资源短缺的关键技术之一。
当前，膜分离技术被广泛应用于海水淡化。
但是，膜分离技术需要消耗大量电力，因此超导体在该技术中的应用已成为了研究的热点。
超导体在海水淡化技术中有着应用广阔的前景。
由于超导体极低的电阻和极高的电流密度，超导电缆可以在电力输送过程中降低能源损失。
另外，超导电缆还可以加速海水淡化过程，因为超导电缆能够快速传输能量，提高淡化效率。
四、超导体在环保方面的应用超导体的应用不仅可以提高能源的利用效率，还能够保护环境，减少能源消耗对环境的影响。
超导体在能源储存中的应用超导体是指某些材料在特定的温度下，电阻为零的材料。
超导体在能源储存中有着广泛的应用。
超导体在储能上的应用可分为两种，一种是超导电缆，一种是超导储能。
超导电缆的应用主要是解决长输电线损失吸收的问题，而超导储能则在电池组、电网储能和风力发电储能等重要方面有着广泛的应用。
本文主要介绍超导体在超导储能中的应用。
一、超导电感存储超导电感储能是利用超导体的零电阻和零自感性质，以磁场储存电能的一种方法。
具有超导电性质的材料磁场强度大，内部电流密度高，并且自感小，可以用磁场来储存大量的电能。
超导电感储能系统由充电、储存和放电三个环节组成。
该系统可将电网的充电功率转化为磁场能，随后将磁场能储存起来，在需要时放出电流。
储能系统与电网之间通过变压器进行电力交换。
超导电感储能技术相比传统的储能技术具有功率密度大、体积小的优点。
并且在储存电能时没有任何能量转换损失，能够起到高效节能的效果。
二、超导磁能存储超导磁能储能是利用超导体的超导特性，在磁场作用下，将电能转化为磁能进行储存，待需要时再将磁能通过超导体的自感作用转化为电能输出。
超导磁能储能系统由充电、储存和放电三个环节组成。
系统将直接收集风力或其他新能源发电的电能。
将电能转化为磁场进行储存。
超导磁能储能技术优势主要体现在储能密度大、放电稳定、储存成本低、循环寿命长等方面。
超导磁能储能技术可广泛应用于风力发电、太阳能光伏电池、电动汽车、农业节水、市政污水处理等领域。
三、超导电池组超导电池组是一种利用超导体的性能构建的储能装置。
超导电池组的电池单元由超导体和电池组成。
电池单元内的超导体可将电池反应中所生成的电能保存下来，并可在需要时将电能释放出来。
超导体的特性还可以使电池单元的电化学反应速率增大。
超导电池组技术具有储能量大、稳定性好、寿命长等特点。
具体来说，超导电池组技术的放电特性优于常见的锂离子电池等化学储能技术。
超导电池组技术广泛应用于太阳能光伏电池和储能系统，能够解决夜晚和阴雨天气无电供应的问题。
超导技术在新能源储能中的应用前景展望引言随着全球对可再生能源的需求不断增长，新能源储能技术的发展变得尤为重要。
在各种新能源储能技术中，超导技术因其高效、低损耗的特点，被认为是一种有潜力的解决方案。
本文将探讨超导技术在新能源储能中的应用前景，并展望其可能带来的变革。
一、超导技术的基本原理超导技术是指在超导材料中，电流的电阻为零的现象。
这种现象是由于超导材料的电子在低温下形成了一种特殊的电子对，能够无阻碍地传导电流。
超导技术的基本原理是通过将电能转化为超导材料中的电流，然后在需要的时候将电流转化回电能。
二、超导技术在新能源储能中的应用1. 储能容量的提升超导技术可以显著提高新能源储能系统的储能容量。
传统的储能技术如锂离子电池等容量有限，而超导技术可以通过提高超导材料的制备工艺和性能，实现更高的储能密度。
这将使得新能源储能系统能够更长时间地储存大量的电能，满足高能耗设备的需求。
2. 高效能量转换超导技术具有高效能量转换的特点。
在超导材料中，电流的传输几乎没有能量损耗，因此超导技术可以将电能的转换效率提高到接近100%。
相比之下，传统的储能技术在能量转换过程中会有能量损耗，效率较低。
超导技术的高效能量转换将使得新能源储能系统更加节能环保。
3. 快速充放电超导技术可以实现快速充放电，提高储能系统的响应速度。
传统的储能技术如化学电池需要较长的充电时间，而超导技术可以在短时间内将电流充入超导材料中，并在需要时快速释放。
这将使得新能源储能系统能够更好地应对突发需求，提高能源供应的可靠性。
三、超导技术在新能源储能中的挑战尽管超导技术在新能源储能中具有巨大的潜力，但也面临一些挑战。
1. 高成本目前，超导材料的制备和制造成本较高，限制了其在实际应用中的推广。
超导材料的研发和生产技术需要进一步改进，以降低成本并提高可扩展性。
2. 低温要求超导技术目前主要依赖于低温环境才能实现超导状态。
这限制了超导技术在实际应用中的灵活性和可行性。
超导储能磁体对电感性负载放电研究李海涛;朱英伟;邵慧;董亮;严仲明;胡基士;王豫【摘要】在基于超导电感储能的高功率脉冲电源中,超导磁体对电感性负载放电时存在的过电压严重威胁超导磁体的安全.本文就目前常用的抑制过压的方法展开了理论分析,并通过仿真分析和计算比较了三种转换电路在超导磁体对电感性负载放电过程中的性能特点,最后又分别分析了三种转换电路对超导磁体电压抑制的特点.结果表明:三种转换电路都可以很好地抑制过压,不过非线性电阻转换电路的转换性能优于线性电阻转换电路,适合于负载电流脉冲前沿上升率要求较高,且转换时间较短的应用场合;而电容性转换电路对于负载电流脉冲的幅值要求较高,且损耗较低的应用场合较为合适.【期刊名称】《电工电能新技术》【年(卷),期】2010(029)004【总页数】5页(P27-30,80)【关键词】功率脉冲;超导磁体;电感负载;过压;非线性电阻;电容【作者】李海涛;朱英伟;邵慧;董亮;严仲明;胡基士;王豫【作者单位】磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室,西南交通大学电气工程学院,四川,成都,610031;磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室,西南交通大学电气工程学院,四川,成都,610031;磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室,西南交通大学电气工程学院,四川,成都,610031;磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室,西南交通大学电气工程学院,四川,成都,610031;磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室,西南交通大学电气工程学院,四川,成都,610031;磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室,西南交通大学电气工程学院,四川,成都,610031;磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室,西南交通大学电气工程学院,四川,成都,610031【正文语种】中文【中图分类】TM861 引言基于超导电感储能的高功率脉冲电源可以通过缓慢的充电和大功率的电流脉冲放电而日益受到重视，其应用领域既包括现代科学技术研究领域、工业和民用的高尖技术领域，还包括国防应用等领域［1-3］。
从应用目标的电路特性来考虑，高功率脉冲电源的放电负载包括电阻性负载、电容性负载和电感性负载，或者它们的组合。
超导磁体的储能原理是超导电感的磁储能，目的是实现能量的缓慢积累和长期存储。
而负载为感性负载时，超导磁体放电过程中产生的高峰值过电压可能会造成磁体绝缘材料的击穿，使磁体损坏，对负载的绝缘和操作人员的安全也极为不利。
因此，我们需要深入研究减小磁体或电路中过电压的方法或措施，来提高磁体的安全性和可靠性。
2 存在问题与解决方法研究2.1 端压问题分析高功率脉冲电源的单模块电路如图1所示。
开关S1闭合时，超导磁体的充电电源DC开始对磁体充电，假设超导磁体预充电达到的电流为I0，充电过程中超导磁体的电流变化可用下式描述:其中τ=Ls/R，Ls为超导磁体电感，R为充电电阻。
图1 超导磁体放电单模块电路Fig.1 Pulse generating circuit with a singlesuperconducting magnet在放电过程中，开关S1断开过程相当于一个阻值迅速变大的电阻R1(例如IGBT的关断电阻为兆欧级)，如图1中虚线电阻所示。
由于超导电感和负载电感中的电流都不能突变，超导磁体中的电流只能在瞬间全部通过电阻 R1，则在电阻 R1两端产生了幅值为I0R1的高峰值脉冲电压。
负载电感电流在该脉冲电压下迅速上升，同时超导磁体中的电流也迅速地从电阻R1中转移至负载。
该过程中由于超导磁体两端感应出的电压要与电阻R1两端产生的电压相平衡，所以在超导磁体两端要承受一个峰值非常高的脉冲电压［4，5］，而且随着 R1的变化越迅速越大，该脉冲电压就会越高。
这很可能会造成超导磁体绝缘材料的击穿，导致磁体损坏［6］;同时开关S1中过高峰值的脉冲电压和瞬间过高的热损耗也有可能导致开关击穿或烧坏。
2.2 限压方法研究从图2中可以看出，在负载两端并联一个远小于开关S1断态阻值的电阻器可以减小磁体的过电压，该电路又称电阻性转换电路［4，5］。
并联的电阻器可分为两种:线性电阻和非线性电阻。
另外，在负载两端并联一个电容器作为电流转换器件，也可以起到限压作用，这又称电容性转换电路［4，5］。
本文分别就采用线性电阻、非线性电阻和电容器的转换电路来减小超导磁体放电端压的方法进行研究。
采用线性电阻转换电路时如图2所示，设计的线性电阻R≪R1，且要满足 R≫RL。
因放电时超导磁体的电流不能突变，绝大部分会瞬间流经线性电阻R。
超导磁体的端压最大值可近似为线性电阻R与磁体初始储能电流I0的乘积。
表达式为:图2 线性电阻转换电路Fig.2 Switching circuit with linear resistance线性电阻转换电路的放电过程可用以下微分方程组表示:整理可得由式(4)可求得线性电阻R的电流i1和负载电流iL，则超导磁体的电流可由i=i1+iL求得。
可求电阻R上的能量损耗为:其中t0为超导磁体开始放电时刻。
图3 氧化锌压敏电阻器的伏安特性曲线Fig.3 Volt-ampere curves of MYN2-820/4采用非线性电阻转换电路，主要是利用氧化锌、碳化硅等陶瓷材料做的非线性电阻器的阻值能够随着所加电压的大小而变化的特性，从而使电路中产生的过电压受到抑制，对电路中的设备或器件起到过电压保护。
当过电压过后，非线性电阻很快恢复，使电路正常工作［7］。
图3所示为 MYN2－820/4型氧化锌压敏电阻器在第一象限的伏安特性曲线。
非线性电阻的电压特性可用下式来描述［8］:其中α为常数，其值等于非线性电阻器在通流1A时的端电压值;β为非线性系数。
在磁体放电过程中，非线性电阻使高峰值脉冲电压限制并稳定在一定的范围内，其阻值随着电流的增大而减小。
在实际应用中，非线性电阻器的型号通常从标称电压和能量容量两个方面来确定。
标称电压下限和上限的选定分别是由电路工作电压和被保护磁体的耐压值来决定的;而非线性电阻器的能量容量则是由非线性电阻在能量转移过程中损耗多少所决定。
对于交流电路，一般取［9］:其中，UAC为电压有效值，Us为超导磁体的耐压值，UR是电阻流过规定电流值时的端电压，Wy为非线性电阻的额定能量容量，Wc为非线性电阻损耗的能量。
实际电路中非线性电阻上的能量损耗可以通过试验测得的电压和电流曲线计算得到。
利用电容性转换电路的工作方式有多种，文中讨论的工作方式如图4所示。
超导磁体放电时，由于负载电感电流不能突变而电容器相当于短路，超导磁体中的电流在放电的初始时刻先经过电容续流，并对电容充电。
电容器电压升高的过程也同时是负载电感电流增加的过程，在该过程中电容器只作短暂的换能。
电路方程组可得:整理可得电路的状态方程为:其中，uc(0)=0，is(0)=Isc，iL(0)=0。
由式(9)可求得电路中状态变量的变化表达式。
由于负载和电容器组成了 LC振荡电路，放电过程中产生较高振荡电压对超导磁体非常不利，所以我们使上式求出的电路变化工作在负载电流的上升阶段，在仿真中增加二极管VD2。
图4 电容转换电路Fig.4 Switching circuit with capacitor在理想情况下，电容器在能量转移过程中损耗的能量为零。
3 电路仿真仿真中假设超导磁体由高温超导线材Bi2223绕制，线圈电感 Ls=50mH，负载LL=2mH，RL=0.3Ω磁体的耐压设计值为2kV。
为方便以后实验验证，在电路仿真中取线圈的初始运行电流 I0=40A，设计磁体端电压的脉冲峰值限制在1kV左右。
采用线性电阻转换电路时，由(2)式可得，线性电阻R=25Ω。
用simplorer软件仿真的磁体对电感性负载放电时的电压和电流曲线如图5所示。
图5 线性电阻转换电路时的电压、电流变化曲线Fig.5 Simulation results with linear resistance从仿真得出的电流转换过程可以看出，超导磁体的脉冲电压峰值Um≈1kV，并呈指数规律衰减，大约在400μs时刻下降至15V左右。
线性电阻内的电流也呈指数规律衰减。
负载获得的电流脉冲上升沿大约200μs左右，最大值为37.56A。
线性电阻的电压和电流在磁体的电流转换完成后仍有较大残余电流和电压，也就是说电流转换结束后线性电阻仍然有较大耗能。
选用非线性电阻转换电路进行仿真，对非线性电阻器的参数定义参考MYN2-820/4型氧化锌压敏电阻器的伏安特性，取α=930，β=0.027(典型值)。
电流转换过程的仿真波形如图6所示。
图6 非线性电阻转换电路时的电压、电流变化曲线Fig.6 Simulation results with nonlinear resistance仿真结果显示，在电流转换过程中磁体两端电压维持在1.018～0.950kV左右，而非线性电阻器内的电流近似线性下降，负载电流近似线性上升。
负载电流的上升沿大约为76μs，最大值为38.44A。
在电流转换结束后，非线性电阻内的电流非常小，即非线性电阻在电流转换结束后耗能也非常小。
在电容性转换电路的仿真中，取C=3μF，初始电压为零。
超导磁体放电的仿真结果如图7所示。
从仿真结果中可以看出，使用很小参数电容器的转换后磁体也可达到磁体限压要求，但负载电流的上升沿较长，大约为200μs。
负载电流有一个较高幅值的振荡脉冲，之后呈微弱振荡衰减。
图7 电容性转换电路时的电压、电流波形Fig.7 Simulation results with capacitor4 不同转换电路的性能比较文中的电流转换过程只考虑超导磁体开始放电到负载电流上升至最大值(线性电阻为最大值的90%左右)期间，在表1列出了对三种转换电路计算和仿真得出的关键参数。
通过对三种转换电路的理论分析和仿真比较可以看出，在特定负载的电流转换过程中三种转换电路的损耗都不大。
从电流转换速度来比较，非线性电阻转换电路的电流转换速度最快，其次是线性电阻转换电路和电容性转换电路;从负载电流脉冲幅值来比较，电容性转换电路的负载电流有一个较高幅值的脉冲振荡，而非线性电阻和线性电阻转换电路的负载电流脉冲幅值较为相近。
表1 各种转换电路仿真得关键参数Tab.1 Performance parameters comparison负载电流脉冲Im(A)diL/dt(kA/s)转换时间t(μs)耗能/总储能(%)线性电阻37.56 175 200 4.94非线性电阻 38.44 505.8 76 3.96电容器72.22 361.1 200 0另外，从理论分析和一系列的仿真中可以得出，对于线性电阻转换电路，减小阻值会使超导磁体的端压限制得更小，但电流转换时间也会过长以及损耗也会过大，这都增加了其使用的局限性;非线性电阻转换电路从总体性能来看要优于线性电阻转换电路，但超导磁体需要持续承受一段时间的较高的电压值，且抑制的电压越低，电流转换时间也越长，相应的高压脉宽也会越宽，损耗也会越大;电容性转换电路在较小电容参数的情况下，即可以无损耗地更好地抑制超导磁体的端压，并能使负载电流达到较高的幅值，并随着电容参数的增大，超导磁体的电压可以限制得更低，但是随着电容参数的增大，同样会使电流转换时间变长。
