一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置及方法转让专利
申请号 : CN202110782904.4
文献号 : CN113258906B
文献日 : 2021-10-08
发明人 : 韩小涛 , 张绍哲 , 王正磊 , 姜涛 , 谢剑峰 , 肖后秀 , 丁同海 , 李亮 , 潘垣
申请人 : 华中科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置,其特征在于,包括:超级电容器电源、第一高压电容器组以及磁体;
所述超级电容器电源的正极与第一高压电容器组的正极和磁体的一端连接;
所述超级电容器电源的负极、第一高压电容器组的负极以及磁体的另一端共同接地;
对所述磁体放电前,对所述超级电容器电源和第一高压电容器组充电储能;
对所述磁体放电时,首先控制第一高压电容器组对磁体放电,此时处于磁体电流上升阶段;当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对磁体放电,以第一高压电容器组的端电压为状态反馈量,磁体电流为控制量,改变超级电容器电源内多相交错并联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,抵消超级电容器电源电压下降和磁体内阻增加的影响,使得磁体电流稳定在所述设定值,此时第一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,关闭所述多相交错并联DC/DC变换器,进入磁体电流下降阶段;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所述的装置,其特征在于,所述超级电容器电源包括:超级电容器组、直流断路器以及多相交错并联DC/DC变换器;
所述超级电容器组通过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变换器的输出端为超级电容器电源的正极;
所述超级电容器组为超级电容器电源的储能部件,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。
3.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,还包括:能量回收支路和直流控制开关;
所述磁体的另一端连接所述直流控制开关后接地;所述能量回收支路和直流控制开关并联;
在磁体电流上升阶段和磁体电流平顶阶段,所述直流控制开关开通,所述能量回收支路被短路;
在磁体电流下降阶段,所述直流控制开关关断,磁体和多相交错并联DC/DC变换器中电感的磁场能量通过能量回收支路释放,实现磁场能量的回收,直至磁体电流降至零放电结束。
4.根据权利要求3所述的装置,其特征在于,所述能量回收支路包括:续流二极管和第二高压电容器组;
磁体电流下降阶段,磁体和多相交错并联DC/DC变换器中的电感的磁场能量通过续流二极管流入第二高压电容器组,第二高压电容器组可承受瞬时大功率,实现磁场能量的快速回收。
5.根据权利要求2所述的装置,其特征在于,还包括:高压隔离单元和晶闸管;
所述高压隔离单元的阳极连接超级电容器电源的正极,阴极连接第一高压电容器组的正极和晶闸管的正极;
所述晶闸管的负极连接磁体的一端;
所述高压隔离单元用于隔离第一高压电容器的高电压,以免超级电容器电源被所述高压击穿损坏;
所述晶闸管作为第一高压电容器组对磁体放电的开关。
6.根据权利要求1至5任一项所述的装置,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第一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,以产生平顶脉冲强磁场。
7.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,所述控制器分别控制直流断路器、晶闸管以及直流控制开关的开通和关断;
且所述控制器输出多路PWM控制信号控制多相交错并联DC/DC变换器。
8.根据权利要求4所述的装置,其特征在于,设置第一高压电容器组和第二高压电容器组的参数相同,对磁体进行一次放电后,将第一高压电容器组和第二高压电容器组互换位置,以实现能量重复利用。
9.一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生方法,其特征在于,包括如下步骤:控制充电后的第一高压电容器组对磁体放电,以利用第一高压电容器组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;
当检测到磁体电流达到设定值时,控制超级电容器电源对磁体放电,以第一高压电容器组的端电压为状态反馈量,磁体电流为控制量,改变超级电容器电源内多相交错并联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,抵消超级电容器电源电压下降和磁体内阻增加的影响,使得磁体电流稳定在所述设定值,此时第一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,此时处于磁体电流平顶阶段;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;
当达到所设定的平顶持续时间或者出现异常情况时,关闭所述多相交错并联DC/DC变换器,进入磁体电流下降阶段。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,还包括如下步骤:在磁体电流下降阶段,磁体和多相交错并联DC/DC变换器中的电感的磁场能量通过能量回收支路释放,实现磁场能量的回收,直至磁体电流降至零放电结束;
所述能量回收支路包括:续流二极管和第二高压电容器组;
所述磁体和多相交错并联DC/DC变换器中的电感的磁场能量通过续流二极管流入第二高压电容器组,第二高压电容器组可承受瞬时大功率,实现磁场能量的快速回收。
说明书 :
一种太赫兹回旋管用平顶脉冲强磁场发生装置及方法
技术领域
背景技术
分辨率、强生物兼容性等特性,被评为“改变未来世界的十大技术”之一。太赫兹源是太赫兹
技术的核心基础,诸多太赫兹源方案中,基于脉冲强磁场的回旋管太赫兹波源(以下简称:
脉冲场回旋管)可产生更高极限频率和功率的太赫兹波,是极具应用前景的太赫兹源方案
之一。但是,受脉冲磁场波形限制,现有脉冲场回旋管的辐射时间小于0.5 ms,且稳定性较
差,严重制约了其应用。平顶脉冲磁场兼具脉冲磁场场强高和稳态磁场稳定度高的优点,可
为增加脉冲场回旋管辐射时间提供新途径。因此,发展紧凑型、高稳定度(<100ppm)、长持续
时间(>100ms)的平顶脉冲强磁场是提升脉冲场回旋管性能的关键。
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、核磁共振等的应用需求。
速跌落,所以难以在放电过程中保持平顶。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,但是不能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”。
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”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,且
无法解决蓄电池功率密度低的问题。
发明内容
占比较小、效率低下,导致其难以在太赫兹回旋管中应用的问题。
对磁体放电,以第一高压电容器组的端电压为状态反馈量,磁体电流为控制量,改变超级电
容器电源内多相交错并联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,
抵消超级电容器电源电压下降和磁体内阻增加的影响,使得磁体电流稳定在所述设定值,
此时第一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,关闭所述多相交错并联DC/DC变换器,进入磁体电流下降阶段;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。
电结束。
的快速回收。
重复利用。
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,抵消超级电容器电源电
压下降和磁体内阻增加的影响,使得磁体电流稳定在所述设定值,此时第一高压电容器组
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,此时处于磁体电流平顶阶段;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;
直至磁体电流降至零放电结束;
协同通电,并通过大功率多相交错并联DC/DC变换器对超级电容器进行电能变换,使得本发
明装置具备以下突出性能:
平顶占比,效率显著提高;
置,本发明装置能量大,可产生百毫秒级以上平顶脉冲磁场;
容器的功率密度是蓄电池的15倍 20倍,内阻只有蓄电池的三分之二,相对于现有蓄电池供
~
电的平顶脉冲磁场装置,本发明提可大幅度缩减装置体积。
附图说明
图;
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;D1为高压隔离
单元,A为阳极,K为阴极;C1为第一高压电容器组磁体,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;T1为晶闸管;Q1为直流控制开关,A为阳极,K为阴极,G为控
制极;D2为续流二极管,A为阳极,K为阴极,C2为第二高压电容器组。
具体实施方式
用于限定本发明。
占比较小、效率低下,导致其难以在太赫兹回旋管中应用的问题,为脉冲场太赫兹回旋管提
供必要的磁场环境。另外,本发明亦可用于核磁共振实验、比热测量等其它科学实验。
组供电,平顶电流阶段由超级电容器组供电。高压电容器组的瞬时大功率可实现磁体电流
的ms级升降,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
阶段超级电容器组的输出通过多相交错并联DC/DC变换器进行电能变换,通过状态反馈调
节改变所述多相交错并联DC/DC变换器的占空比,实现磁体端电压宽范围调控,在超级电容
器组输出电压和磁体电阻变化时维持磁体电流恒定,使得平顶持续时间更长,同时,平顶阶
段利用高压电容器组的大电容值进行滤波,实现平顶阶段磁体电流的超高稳定度。
容器的功率密度是蓄电池的15倍 20倍,内阻只有蓄电池的三分之二,故可大幅度缩减装置
~
体积。
S1和多相交错并联DC/DC变换器构成;高压隔离单元D1;第一高压电容器组C1;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;晶闸管T1;直流控制开关Q1;能
量回收支路,由续流二极管D2和第二高压电容器组C2串联组成;控制器。
端;
的阴极相连;磁体的另一端与直流控制开关Q1的阳极A相连;
收支路的另一端接至公共地;
闸管T1、直流控制开关Q1和所述多相交错并联DC/DC变换器,其中n为多相交错并联DC/DC变
换器的相数。
速上升,放电过程处于磁体电流上升阶段;
传感器VT检测得到)为状态反馈量、磁体电流im为控制量通过改变所述多相交错并联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,抵消超级电容器组电压下降和
磁体内阻增加的影响,同时,磁体电流平顶阶段第一高压电容器组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;
述多相交错并联DC/DC变换器中的电感的磁场能量通过续流二极管D2流入第二高压电容器
组C2,第二高压电容器组C2可承受瞬时大功率,实现磁场能量的快速回收,直至磁体电流降
至零放电结束。
BM0D130P056B03型超级电容器模块8串4并组成,其内阻Rs为16.2mΩ,充电电压设为400V。
实施例可以采用CAC4000‑45型IGCT通过4串4并组成,晶闸管T1可以采用耐压16kV,可由多个
晶闸管串并联构成。
5SDD60N2800,电感值Lbi可以为75μH。
能力40kA。
体参数无固定要求,通过仿真和实验能满足要求即可。
电压值送至控制器,以进行实时控制。
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CompactRIO9030实时控制系统。
对应的平顶脉冲磁场为10*1.4T=14T,稳定度优于10ppm。
压从60V上升至100V),磁体温度从77K上升至97K。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。超级电容器相比于蓄电池,功率密度可提升约15倍。
在本发明的保护范围之内。