脉冲磁场产生装置

摘要

脉冲磁场产生装置，属于脉冲强磁场装置，目的在于产生高质量的平顶磁场波形，良好的磁场稳定度和相对较低的系统造价，以满足核磁共振等科学实验的要求。本发明中：电容器组依次与晶闸管主开关、去耦变压器一次侧、内线圈串联构成主磁场回路；续流二极管与电容器组并联，保护电容器组；脉冲发电机电源通过第一断路开关依次与去耦变压器二次侧、外线圈串联构成辅磁场回路；电阻和二极管串联，再依次与去耦变压器二次侧、外线圈串联构成辅磁场续流回路；可控直流电源通过第二断路开关依次与去耦变压器二次侧、外线圈串联构成磁场补偿回路。本发明可以实现上升沿快、顶部稳定度高的磁场，同时可以大大减少整个系统的造价。

权利要求

1.一种脉冲磁场产生装置，包括磁体、直流电源和去耦变压器，其特征在于：所述磁体由内线圈和外线圈组成；所述直流电源包括电容器组、脉冲发电机电源和可控直流电源；

电容器组依次与晶闸管主开关、去耦变压器一次侧和磁体的内线圈串联构成主磁场回路；续流二极管与电容器组并联，保护电容器组；

脉冲发电机电源通过第一断路开关依次与去耦变压器二次侧、磁体的外线圈串联构成辅磁场回路；电阻和二极管串联，再依次与去耦变压器二次侧、磁体的外线圈串联构成辅磁场续流回路；

可控直流电源通过第二断路开关依次与去耦变压器二次侧、磁体的外线圈串联构成磁场补偿回路。

2.如权利要求1所述的脉冲磁场产生装置，其特征在于：

所述脉冲发电机电源由脉冲发电机电源主电路和脉冲发电机电源控制部分组成，所述脉冲发电机电源主电路包括依次电信号连接的脉冲发电机、电机开关、12脉波整流变压器和12脉波整流桥；

所述脉冲发电机电源控制部分由PID控制器和误差比较器串联组成，主、辅磁场的叠加磁场信号与参考信号通过误差比较器比较，送入PID控制器，得到触发角控制信号，送到所述12脉波整流桥进行控制。

3.如权利要求1或2所述的脉冲磁场产生装置，其特征在于：

所述可控直流电源由可控直流电源主电路和可控直流电源控制部分组成，所述可控直流电源主电路包括依次电信号连接的三相不控整流桥、输入滤波器、IGBT逆变全桥、高频变压器、高频整流桥和输出滤波器；

所述可控直流电源控制部分由误差比较器、PID控制器和IGBT驱动器串联组成，主、辅磁场的叠加磁场信号与参考信号通过误差比较器比较，送入PID控制器，得到IGBT控制信号，由所述IGBT驱动器放大后，送到所述IGBT逆变全桥进行控制。

说明书

脉冲磁场产生装置

技术领域

[0001] 本发明属于脉冲强磁场装置，特别涉及一种产生高稳定度的脉冲平顶磁场的装置。

背景技术

[0002] 强磁场为现代科学研究提供极端实验条件，是重要的科学实验平台。强磁场分为脉冲强磁场和稳态强磁场。脉冲强磁场可以提供更高强度的磁场，更能满足某些科学实验对高强磁场的要求。但普通的脉冲磁场是时变的，而有些科学实验，如核磁共振(NMR)等，要求在一段时间内有较稳定的磁场。为此，科学家们提出了脉冲平顶磁场，希望它的磁感应强度较高且能在一段时间内稳定。

[0003] 美国国家强磁场实验室(NHMFL)脉冲发电机通过三组整流器同时对三线圈磁体供电，实现了60T/100ms的平顶磁场。如图1所示，脉冲发电机容量为1430MVA，可释放出650MJ的电能。先由原动力拖动脉冲发电机至额定转速1800rpm，将电能转化为机械能存储。然后脉冲发电机工作在发电状态，将机械能转化为电能。脉冲发电机通过24kV的母线和五个64MW(87.6MVA)电源转换模块对磁体供电。每个电源转换模块变压器和整流桥组成的12脉冲可控整流桥。图1中RS为反向开关，以满足科学实验要求的磁场反向。

[0004] 如图1和图2，磁体是由三组线圈构成的混合磁体：第一组有1-5号线圈，第二组有6-7号线圈组成，第三组有8-9号线圈。首先对最外层的第三组线圈供电产生14T磁场，它需要的能量较大，所以使用两个个电源转换模块供电，其磁场波形如图3中“线圈组3”；然后，对第二组线圈供电产生18T磁场，它需要的能量也较大，使用两个个电源转换模块供电，其磁场波形如图3中“线圈组2”；最后，对第一组线圈供电产生28T磁场，它位于内层，需要的能量较小，所以只使用一个电源转换模块供电，其磁场波形如图3中“线圈组1”。最终三组线圈可叠加产生60T/100ms的脉冲平顶磁场。

[0005] 这种方案需要大容量的脉冲发电机、5组大功率12脉冲整流桥，还需要制造9线圈组成的脉冲磁体，总体造价很高。另外磁场总的脉宽达2秒，而60T的磁场只有100ms的时间，上升时间和下降时间都很长，而平顶部分纹波也较大，总的来说，波形质量不高。

发明内容

[0006] 本发明提出一种脉冲磁场产生装置，目的在于产生高质量的平顶磁场波形，良好的磁场稳定度和相对较低的系统造价，以满足核磁共振等科学实验的要求。

[0007] 本发明的脉冲磁场产生装置，包括磁体、直流电源和去耦变压器，其特征在于：

[0008] 所述磁体由内线圈和外线圈组成；所述直流电源包括电容器组、脉冲发电机电源和可控直流电源；

[0009] 电容器组依次与晶闸管主开关、去耦变压器一次侧和磁体的内线圈串联构成主磁场回路；续流二极管与电容器组并联，保护电容器组；

[0010] 脉冲发电机电源通过第一断路开关依次与去耦变压器二次侧、磁体的外线圈串联构成辅磁场回路；电阻和二极管串联，再依次与去耦变压器二次侧、磁体的外线圈串联构成辅磁场续流回路；

[0011] 可控直流电源通过第二断路开关依次与去耦变压器二次侧、磁体的外线圈串联构成磁场补偿回路。

[0012] 所述的脉冲磁场产生装置，其特征在于：

[0013] 所述脉冲发电机电源由脉冲发电机电源主电路和脉冲发电机电源控制部分组成，所述脉冲发电机电源主电路包括依次电信号连接的脉冲发电机、电机开关、12脉波整流变压器和12脉波整流桥；

[0014] 所述脉冲发电机电源控制部分由PID控制器和误差比较器串联组成，主、辅磁场的叠加磁场信号与参考信号通过误差比较器比较，送入PID控制器，得到触发角控制信号，送到所述12脉波整流桥进行控制。

[0015] 所述的脉冲磁场产生装置，其特征在于：

[0016] 所述可控直流电源由可控直流电源主电路和可控直流电源控制部分组成，所述可控直流电源主电路包括依次电信号连接的三相不控整流桥、输入滤波器、IGBT逆变全桥、高频变压器、高频整流桥和输出滤波器；

[0017] 所述可控直流电源控制部分由误差比较器、PID控制器和IGBT驱动器串联组成，主、辅磁场的叠加磁场信号与参考信号通过误差比较器比较，送入PID控制器，得到IGBT控制信号，由所述IGBT驱动器放大后，送到所述IGBT逆变全桥进行控制。

[0018] 本发明使用了由内线圈和外线圈构成磁体实现脉冲平顶磁场，还使用了去耦变压器抵消两线圈间的相互影响；使用电容器组作为高压脉冲电源产生主磁场，所以主磁场的上升速度快；使用可控的大容量脉冲发电机电源作为辅磁场的电源，能保证叠加磁场达到目标的脉冲平顶磁场；采用可控直流电源作为补偿电源补偿脉冲平顶磁场，提高脉冲平顶磁场的稳定度(纹波水平)。

[0019] 本发明提出的脉冲强磁场装置可以实现上升沿快、顶部稳定度高的磁场，同时可以大大减少整个系统的造价。

附图说明

[0020] 图1为美国国家强磁场实验室实现平顶磁场装置的电路图；

[0021] 图中标记：励磁器E，断路器Br，脉冲发电机GE，限流保护器F，驱动器D，电抗器X，电源变换模块PM，续流开关CB，反相开关RS，隔离开关S，12脉波整流变压器TM，12脉波整流桥TB，第一磁体线圈组G1包括5个线圈、第二磁体线圈组G2包括2个线圈、第三磁体线圈组G3包括2个线圈。

[0022] 图2为图1的装置实现的60T/100ms平顶磁场波形；

[0023] 图中标记：线圈组G1(最外层)产生磁场波形1，线圈组G2产生磁场波形2，线圈组G3(最内层)产生磁场波形3，三组线圈的叠加磁场为波形4。

[0024] 图3为本发明原理电路示意图；

[0025] 图中标记：续流二极管D1、电容器组C1、脉冲发电机电源G、可控直流电源V、第一断路开关S1、第二断路开关S2、晶闸管主开关T1、二极管D2、电阻R2、去耦变压器M、内线圈L1、流经L1的电流i1、外线圈L2、流经L2的电流i2、内外线圈L1、L2之间的互感K。

[0026] 图4为图3中脉冲发电机电源G的详图；

[0027] 图中标记：脉冲发电机GE，电机开关S，12脉波整流变压器TM，12脉波整流桥TB，第一断路开关S1；测得叠加磁场信号B，参考信号Bref。误差比较器Er，PID控制器PID，触发角信号a。

[0028] 图5为图3中可控直流电源V的详图；

[0029] 图中标记：电网电源AC 380V，三相不控整流桥DQ1，输入滤波器LB1，IGBT逆变全桥GQ，高频变压器T，高频整流桥DQ2，输出滤波器LB2，第二断路开关S2；测得磁感应强度B，目标脉冲平顶磁感应强度Bref。误差比较器Er，PID控制器PID，IGBT开关的驱动器Dr。

[0030] 图6为本发明实现的脉冲平顶磁场波形示意图；

[0031] 图中标记：主磁场B1，辅磁场B2，叠加磁场B0。

具体实施方式

[0032] 以下结合附图对本发明进一步说明。

[0033] 如图3所示，本发明中，电容器组C1依次与晶闸管主开关T1、去耦变压器M一次侧、内线圈L1串联构成主磁场回路；续流二极管D1与电容器组C1并联，保护电容器组C1；

[0034] 脉冲发电机电源G通过第一断路开关S1依次与去耦变压器M二次侧、外线圈L2串联构成辅磁场回路；电阻R2和二极管D2串联，再依次与去耦变压器M二次侧、外线圈L2串联构成辅磁场续流回路；

[0035] 可控直流电源V通过第二断路开关S2依次与去耦变压器M二次侧、外线圈L2串联构成磁场补偿回路。

[0036] 内线圈L1为主磁体，提供主磁场；外线圈L2为辅磁体，提供辅磁场。内线圈L1由电容器组C1供电，它提供的磁场波形为图6中“B1”；外线圈L2由脉冲发电机电源G供电，提供磁场波形如图6中“B2”。主磁场是不控的，辅磁场通过反馈控制脉冲发电机电源G中的12脉波整流桥的触发角来输出电压实现，主辅磁场叠加的结果如图6中“B0”。

[0037] 由于内外线圈中存在互感K，电路中加入了去耦变压器M以抵消内外线圈间的相互影响。电路中还引入一个可控直流电源V，它的作用是补偿顶部纹波，提高磁场的稳定度，也是采用反馈控制的。

[0038] 如图4所示，脉冲发电机电源由主电路和控制部分组成，主电路包括依次电信号连接的脉冲发电机GE、电机开关S、12脉波整流变压器TM和12脉波整流桥TB；

[0039] 控制部分由PID控制器PID和误差比较器Er串联组成，主、辅磁场的叠加磁场信号B与参考信号Bref通过误差比较器比较，送入PTD控制器，得到触发角信号a，送到所述12脉波整流桥进行控制。

[0040] 如图5所示，可控直流电源V由主电路和控制部分组成，主电路包括依次电信号连接的三相不控整流桥DQ1、输入滤波器LB1、IGBT逆变全桥GQ、高频变压器T、高频整流桥DQ2和输出滤波器LB2；

[0041] 控制部分由误差比较器Er、PID控制器PID和IGBT驱动器Dr串联组成，主、辅磁场的叠加磁场信号B与参考信号Bref通过误差比较器比较，送入PID控制器，得到IGBT控制信号，由所述IGBT驱动器Dr放大后，送到所述IGBT逆变全桥GQ进行控制。

[0042] 以实现磁场感应强度为40T，平顶宽度50ms的磁场为例，计算出系统各元件参数：

[0043] 内线圈L1：内孔径20mm，外直径120mm，高度200mm。采用填充因子为0.8、截面为5mm×8mm扁铜线绕制，分为10层，每层25匝。线圈电感为863.5μH，77K时线圈电阻为
3.7mouh，放电完成后电阻为14mΩ。

[0044] 外线圈L2采用1.3mm×200mm(其中铜厚1mm、绝缘厚0.3mm)的铜皮绕制，外线圈L2包裹内线圈L1，所以外线圈L2内孔径为120mm，共绕30层，外线圈L2外直径为198mm。外线圈L2电感为66.3mH，77K电阻为0.16mΩ，放电完成后电阻为0.17mΩ。内外线圈间的互感为148.4μH。内外线圈都浸入液氮(温度为77K)中。

[0045] 为抵消内外线圈间148.4uH的互感，去耦变压器M一、二次侧的互感应为-148.4uH(“-”表示互感方向与内外线圈互感相反)。

[0046] 3.2mF的电容器组C1充电至15kV后放电，在内线圈L1中产生图6中波形B1，磁场峰值为40T。控制系统检测B1，当B1达到峰值时，容量为500V/160kA的脉冲发电机电源G投入工作；脉冲发电机电源G的控制部分采集内外线圈叠加场信号B，反馈控制脉冲发电机的输出电压，使辅磁场波形如图6中波形B2。最后叠加场B0达到脉冲平顶的要求。