一种多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置及方法转让专利
申请号 : CN202110782825.3
文献号 : CN113258905B
文献日 : 2021-10-08
发明人 : 张绍哲 , 韩小涛 , 潘垣 , 姜涛 , 王正磊 , 肖后秀 , 谢剑峰 , 丁同海 , 李亮
申请人 : 华中科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置,其特征在于,包括:蓄电池电源、超级电容器电源、高压电容器电源、续流支路以及磁体;
所述蓄电池电源输出端的正极与超级电容器电源的正极均与高压电容器电源正极的第一输出端连接;
所述高压电容器电源正极的第二输出端分别连接续流支路的一端和磁体的一端;所述蓄电池电源的负极、超级电容器电源的负极、高压电容器电源的负极、续流支路的另一端以及磁体的另一端共同接地;所述高压电容器电源包括:高压电容器组和晶闸管;所述高压电容器组的正极连接晶闸管的阳极;所述高压电容器组的正极为高压电容器电源正极的第一输出端,所述晶闸管的阴极为高压电容器电源正极的第二输出端;
对磁体放电前,对蓄电池电源、超级电容器电源和高压电容器电源充电储能;
对磁体放电时,首先控制高压电容器电源对磁体放电,此时处于磁体电流上升阶段,当高压电容器电源内高压电容器组的电压低于蓄电池电源内蓄电池组的电压时,蓄电池电源开始对磁体放电,高压电容器电源和蓄电池电源进行换流,换流结束后由蓄电池电源单独对磁体放电;当换流结束后检测到磁体电流达到设定值时,进入磁体电流平顶阶段,超级电容器电源开始工作,以高压电容器组的端电压为状态反馈量,磁体电流为控制量,通过改变超级电容器电源中多相交错并联DC/DC变换器的PWM控制信号占空比对磁体电流进行负反馈控制,随着磁体内阻的增加而增大超级电容器电源的输出电压,对磁体端电压形成钳位,使得磁体电流稳定在所述设定值,此时高压电容器组作为多相交错并联DC/DC变换器的输出电容,以滤除多相交错并联DC/DC变换器产生的开关纹波,保证磁体电流稳定;当达到所设定的平顶持续时间或者出现异常情况时,先断开超级电容器电源,继而断开蓄电池电源,进入磁体电流下降阶段,磁体通过续流支路释放磁场能量;所述磁体电流由磁体转换为平顶脉冲强磁场,其转换系数为常数。
2.根据权利要求1所述的多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置,其特征在于,所述蓄电池电源包括:蓄电池组、第一直流断路器以及换流开关;
所述蓄电池组的正极通过第一直流断路器和换流开关的正极相连,换流开关的负极和蓄电池的负极为蓄电池电源的输出端,其中换流开关的负极为蓄电池电源输出端的正极;
所述蓄电池组的负极作为蓄电池电源的负极;
所述蓄电池组为蓄电池电源的储能部件,第一直流断路器为蓄电池电源的保护开关,换流开关用于控制蓄电池电源的开通和关断。
3.根据权利要求1所述的多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置,其特征在于,所述超级电容器电源包括:超级电容器组、第二直流断路器以及多相交错并联DC/DC变换器;
所述超级电容器组的正极通过第二直流断路器连接至多相交错并联DC/DC变换器的输入端,多相交错并联DC/DC变换器的输出端即为超级电容器电源的输出端;
所述超级电容器组的负极作为超级电容器电源的负极;
所述超级电容器组为超级电容器电源的储能部件,第二直流断路器为超级电容器电源的保护开关,多相交错并联DC/DC变换器用于控制超级电容器电源的输出电压;
所述超级电容器的输出端与蓄电池电源的输出端并联。
4.根据权利要求1所述的多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置,其特征在于,所述高压电容器组的负极作为高压电容器电源的负极;
所述高压电容器组为高压电容器电源的储能部件,晶闸管为高压电容器电源的控制开关。
5.根据权利要求1所述的多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置,其特征在于,还包括:高压隔离单元;
所述高压隔离单元的阳极连接蓄电池电源输出端的正极;
所述高压隔离单元的阴极连接高压电容器电源正极的第一输出端;
所述高压隔离单元用于隔离高压电容器电源的高电压,以免蓄电池电源和超级电容器电源被所述高电压击穿损坏。
6.根据权利要求4所述的多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置,其特征在于,还包括:控制器、电压传感器以及电流传感器;
所述电流传感器采集磁体的电流值;
所述电压传感器采集高压电容器组的端电压;
所述控制器结合电流传感器和电压传感器采集的数据控制整个装置的工作过程,以实现多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场。
7.根据权利要求6所述的多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置,其特征在于,所述控制器分别控制第一直流断路器、第二直流断路器以及换流开关的开通和关断;
且所述控制器输出多路PWM控制信号从控制多相交错并联DC/DC变换器的输出。
8.一种多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的方法,其特征在于,包括如下步骤:利用充电后的高压电容器电源对磁体放电,高压电容器电源的高压大功率输出使磁体电流快速上升,此时处于磁体电流上升阶段,当高压电容器电源内高压电容器组的电压低于蓄电池电源内蓄电池组的电压时,蓄电池电源开始对磁体放电,高压电容器电源和蓄电池电源进行换流,换流结束后由蓄电池电源单独对磁体放电;
当换流结束后检测到磁体电流达到设定值时,进入磁体电流平顶阶段,超级电容器电源开始工作,以高压电容器组的端电压为状态反馈量,磁体电流为控制量,通过改变超级电容器电源中多相交错并联DC/DC变换器的PWM控制信号占空比对磁体电流进行负反馈控制,随着磁体内阻的增加而增大超级电容器电源的输出电压,对磁体端电压形成钳位,使得磁体电流稳定在所述设定值,此时高压电容器组作为多相交错并联DC/DC变换器的输出电容,以滤除多相交错并联DC/DC变换器产生的开关纹波,保证磁体电流稳定;
当达到所设定的平顶持续时间或者出现异常情况时,先断开超级电容器电源,继而断开蓄电池电源,进入磁体电流下降阶段,磁体通过续流支路释放磁场能量;所述磁体电流由磁体转换为平顶脉冲强磁场,其转换系数为常数。
说明书 :
一种多电源协同供电产生平顶脉冲强磁场的装置及方法
技术领域
背景技术
大功率回旋管太赫兹源等众多科学实验和前沿技术不但对磁场强度和磁场稳定度有极高
要求,同时磁场持续时间越长越有利于科学研究的实现。例如:在NMR和比热测量中磁场持
续时间需分别大于10倍的分子持续时间和样品热弛豫时间,因此,磁场持续时间直接决定
了NMR技术可研究的分子种类和比热测量技术可研究的物质;在大功率回旋管太赫兹源中,
磁场持续时间直接决定了太赫兹波的发射持续时间,对于其应用场景有着决定性作用,目
前,受脉冲磁场波形限制,现有基于脉冲磁场的回旋管太赫兹源的辐射时间小于0.5ms,且
稳定性较差,严重制约了其应用。
足够的情况下,可以通过调控输出电压产生多种脉冲波形。但是交流脉冲发电机本质上纹
波是不可避免的,所以难以获得高稳定度平顶脉冲磁场,目前该方式产生的平顶脉冲磁场
稳定度大约为5000ppm,稳定度不能满足回旋管、NMR等的应用需求。
电过程中保持平顶。中国强磁场和日本固体物理研究所提出了利用高压电容器供电产生平
顶脉冲磁场的方法,分别产生了64T/2000ppm/6ms和60.64T/82ppm/2ms的平顶脉冲磁场,但
是难以解决平顶持续时间较短的问题,分别见中国专利ZL201310728223.5和英文论文
“Generation of flat‑top pulsed magnetic fields with feedback control
approach”,中文名称为:采用反馈控制产生平顶脉冲磁场。
热效应使磁体电阻逐渐增大,从而使磁场达到最大值后缓慢下降。为此,武汉国家脉冲强磁
场中心的科研人员提出了采用并联PWM调节旁路,参见英文论文:“Development of a
High‑Stability Flat‑Top Pulsed Magnetic Field Facility”中文名称为:一种高稳定
度平顶脉冲磁场设备的研制和中国专利:ZL201810411004.7基于IGBT有源区的线性调节旁
路,以产生平顶脉冲强磁场。通过旁路调控改变磁体与磁体串联阻抗的分压比,可以在磁场
峰值处产生一定时间的平顶,但是调节能力有限,实现大范围调控难度大。
发明内容
顶占比较小、效率低下的问题。
端以及磁体的另一端共同接地;
池电源开始对磁体放电,高压电容器电源和蓄电池电源进行换流,换流结束后由蓄电池电
源单独对磁体放电;当换流结束后检测到磁体电流达到设定值时,进入磁体电流平顶阶段,
超级电容器电源开始工作,以高压电容器组的端电压为状态反馈量,磁体电流为控制量,通
过改变超级电容器电源中多相交错并联DC/DC变换器的PWM控制信号占空比对磁体电流进
行负反馈控制,随着磁体内阻的增加而增大超级电容器电源的输出电压,对磁体端电压形
成钳位,使得磁体电流稳定在所述设定值,此时高压电容器组作为多相交错并联DC/DC变换
器的输出电容,以滤除多相交错并联DC/DC变换器产生的开关纹波,保证磁体电流稳定;当
达到所设定的平顶持续时间或者出现异常情况时,先断开超级电容器电源,继而断开蓄电
池电源,进入磁体电流下降阶段,磁体通过续流支路释放磁场能量;所述磁体电流由磁体转
换为平顶脉冲强磁场,其转换系数为常数。
极;
述高压电容器组的负极作为高压电容器电源的负极;
压低于蓄电池电源内蓄电池组的电压时,蓄电池电源开始对磁体放电,高压电容器电源和
蓄电池电源进行换流,换流结束后由蓄电池电源单独对磁体放电;
级电容器电源中多相交错并联DC/DC变换器的PWM控制信号占空比对磁体电流进行负反馈
控制,随着磁体内阻的增加而增大超级电容器电源的输出电压,对磁体端电压形成钳位,使
得磁体电流稳定在所述设定值,此时高压电容器组作为多相交错并联DC/DC变换器的输出
电容,以滤除多相交错并联DC/DC变换器产生的开关纹波,保证磁体电流稳定;
流由磁体转换为平顶脉冲强磁场,其转换系数为常数。
器进行电能变换,使得本发明装置具备以下突出性能:
续时间更长,提高了平顶占比,效率显著提高;
大,能适应磁体内阻的大范围变化,使得平顶持续时间长,可达百毫秒级以上;
附图说明
断路器;S2为第二直流断路器;Qbi为多相交错并联DC/DC变换器第i相的开关器件,Dbi为多相
交错并联DC/DC变换器第i相的二极管,Lbi为多相交错并联DC/DC变换器第i相的储能电感,i
=1,2···n,n为交错并联DC/DC变换器的相数;S0为换流开关;D1为高压隔离单元,A为阳
极,K为阴极;C1为高压电容器组;T0为晶闸管;Rm为磁体电阻,Lm为磁体电感;CT为精密电流
传感器;VT为电压传感器;Dc为续流二极管,Rc为续流电阻。
具体实施方式
用于限定本发明。
难以兼顾和平顶占比较小、效率低下的问题,提高现有平顶磁场的平顶持续时间、平顶占
比,为NMR、比热测量、太赫兹回旋管等提供必要的磁场环境。
高压电容器电源的高压大功率使磁体电流快速上升,相比于蓄电池型长脉冲磁场可将电流
上升时间从500ms缩减至10ms以内;平顶期间,蓄电池电源和超级电容器电源同时供电,蓄
电池电源的优点在于输出电压恒定,超级电容器电源的优点在于功率密度大(蓄电池电源
的15倍 20倍)、内阻小(蓄电池电源的三分之二),本发明充分利用二者的优点,蓄电池电源
~
作为主要输出,提供90%以上的磁体电流,超级电容器电源输出小部分电流,故超级电容器
电源功率等级相对较小,制作相对难度小、成本低;超级电容器电源采用多相交错并联DC/
DC变换器进行功率输出,平顶期间,通过负反馈改变所述多相交错并联DC/DC变换器的占空
比对磁体端电压进行调节,弥补因为磁体内阻受热增加而导致的蓄电池电源输出电流下
降,蓄电池电源和超级电容器电源的输出电流之和为磁体电流,其保持不变;平顶期间,高
压电容器电源中的高压电容器组作为所述多相交错并联DC/DC变换器的输出滤波电容。综
上,可产生高稳定度、长持续时间、高平顶占比平顶脉冲磁场。
成;超级电容器电源,其由超级电容器组(Cs为超级电容器组电容值,Rs为超级电容器组内
阻)、第二直流断路器S2和多相交错并联DC/DC变换器构成;高压电容器电源,其由高压电容
器组C1和晶闸管T0构成;高压隔离单元D(1 A为阳极,K为阴极);续流支路,其由续流二极管Dc
和续流电阻Rc串联组成;磁体(Rm为磁体电阻,Lm为磁体电感);精密电流传感器CT;电压传感
器VT;控制器。
蓄电池电源输出端的正极;
输出端;
压;
用于隔离高压电容器的高电压,以免蓄电池电源和超级电容器电源被高压击穿损坏;
阻Rc的另一端、高压电容器组C1负极、超级电容器电源负极、蓄电池电源的负极和超级电容
器电源的负极共同连接至公共地;
路PWM控制信号分别控制换流开关S0、第一直流断路器S1、第二直流断路器S2、晶闸管T0和所
述多相交错并联DC/DC变换器。
C1电压低于蓄电池组电压时,触发换流开关S0导通,蓄电池电源输出电流ib增大,高压电容
器组输出电流ic减小,高压电容器组C1和蓄电池电源进行换流;
传感器CT检测到磁体电流达到设定值Iref时,超级电容器电源开始工作,以高压电容器组C1
的端电压(由电压传感器VT检测得到)为状态反馈量、磁体电流im为控制量,通过改变超级
电容器电源中多相交错并联DC/DC变换器的PWM控制信号占空比对磁体电流进行负反馈控
制,随着磁体内阻的增加而增大超级电容器电源的输出电压,对磁体端电压形成钳位,保证
磁体电流的稳定,同时,在磁体电流平顶阶段高压电容器组C1作为所述多相交错并联DC/DC
变换器的输出电容,C1的大容值可以滤除多相交错并联DC/DC变换器产生的开关纹波,实现
磁体电流的高稳定度;
电过程进入磁体电流下降阶段,磁体通过续流支路释放磁场能量,直到磁体电流减小到零。
电压设为320V。
端电压为269V。
40kA。
体参数无固定要求,通过仿真和实验能满足要求即可。
值送至控制器,以进行实时控制。
输出PWM控制信号控制所述多相交错并联DC/DC变换器的输出;实现系统的时序控制,并保
证系统安全可靠运行。本实施例采用的控制器可以为实时控制系统。
的平顶脉冲磁场为10*1.4T=14T,稳定度优于10ppm。
体温度从77K上升至97K,多项交错并联DC/DC变换器输出电流波形从500A增加到2600A,电
流波形变化与上述估算公式一致。由此可见,本发明可以实现平顶磁体端电压的大范围调
控,抵消超级电容电压和磁体电阻变化的影响,实现高效率(平顶占比大于90%)、高稳定度
(优于10ppm)、长持续时间(可达秒级,具体取决于磁体温升,磁体温度不超过270K)的平顶
脉冲磁场。
在本发明的保护范围之内。